引言
确保在複雜的負載和環境條件下的可用性是現代混凝土結構面臨的主要挑戰之一。憑借優異的力學性能和耐久性能,超高性能混凝土(UHPC)被認為解決該議題的關鍵。矽灰(SF)是制備超高性能纖維增強混凝土(UHPFRC)的重要成分。用于纖維增強混凝土時,SF可以增加纖維-基體界面的粗糙度,這種效應在纖維拉出過程中消耗更多的摩擦能量,從而提高纖維-基體界面的韌性。然而,也有報道稱SF也會進一步加劇膠凝材料的脆性。目前,SF對UHPFRC彎曲行為的影響仍然缺乏系統的研究。這兩種效應對UHPFRC的力學性能或許會産生博弈影響,但誰起主導作用仍不清楚。另外,使用現有的主流技術很難區分SF的上述影響。
聲發射技術(AE)是結構演化研究中最有效的無損評價手段之一,它通過檢測由于應變能的快速釋放引起的瞬态彈性波的局部發射來描述結構響應。近年來,聲發射技術主要應用于材料、土木工程等重要領域,并在表征混凝土的開裂行為和破壞機制領域展現出巨大的應用前景。本文研究了不同SF含量下(0%-30%)UHPFRC的四點彎曲行為,并同步原位AE表征了UHPFRC抗彎形變過程中的微觀結構變化。通過時間AE描述符和光譜AE特征分析,從1)纖維-基體界面增韌和2)基體脆化兩個方面很好地理解了SF對UHPFRC彎曲性能的影響機制。
1.宏觀彎曲性能
随着SF的摻入,UHPFRC在載荷-撓度曲線上呈現出更明顯的應變硬化分支(圖1),且曲線在非彈性階段由平滑變得曲折。但當SF用量≥20%時,UHPFRC的彎曲韌性并未持續增加。與SF0試樣相比,SF3試樣在相對較高的撓度下甚至表現出更差的彎曲韌性。通過進一步分析,發現SF的摻入也在載荷-撓度曲線上引發了更陡峭的應變軟化分支(圖2),這種彎曲行為的變化是結構脆性增加的典型标志。
Fig.1. UHPFRC彎曲荷載下的荷載-撓度曲線;(a) SF0,(b) SF1,(c) SF2,(d) SF3。系列1為整條曲線概覽,系列2為原始曲線局部放大圖。
Fig.2. UHPFRC彎曲載荷下的抗彎強度、撓曲能力和δf-時間曲線;(a) SF0,(b) SF1,(c) SF2,(d) SF3。系列1為整個曲線的概述,系列2為彎曲峰值強度附近曲線的局部放大圖。
2.開裂機制
如圖3所示,未摻和較低摻量SF的試樣在彎曲過程中通常呈現單縫破壞,其寬度較大(>50 μm)。而SF2和SF3試樣在彎曲載荷下表現出多重微縫損傷。這些裂紋的總體寬度通常大于SF0試樣,但它們的平均寬度要小得多(<37 μm)。而在纖維-基體界面,SF0試樣中孔洞附近的基體基本保持完好;但SF3試樣在鋼纖維拔出後孔周圍基體出現大量徑向輻射的微裂紋。當纖維與水泥基體脫粘時,SF3試樣鋼纖維末端的部分硬化水泥漿仍保持粘結(圖4)。
Fig.3. UHPFRC在LOP和MOR點之間的中值荷載下的開裂特征;(a)裂紋數和平均裂紋寬度,(b-c) SF0和SF3的試樣裂紋。
Fig.4.纖維-基體界面BSE圖像;(a-b)鋼纖維拉出前的SF0和SF3試樣,(c-d)鋼纖維拔出後SF0和SF3試樣,(e-f)拉出過程中SF3試樣的鋼纖維。
3. AE分析
3.1 AE事件定位
如圖5所示,SF0組蝕變源主要集中在主裂紋位置,而在SF0試樣的其他位置明顯較少。相比之下,SF3樣品中蝕變源的分布更加分散,不僅發生在主裂縫周圍,而且在其他小裂縫起始位置也大量出現。與不含SF的試樣相比,含SF試樣的開裂導緻局部損傷面積較大,但平均損傷幅度較低。
Fig.5.四點彎曲變形過程中UHPFRC結構的AE事件位置; (a-c) SF0試樣,(d-f) SF3試樣。
3.2 時間描述符解析
通過振鈴計數,RMS和振幅分析,針對水泥基體開裂和纖維-基體破壞引起的聲發射信号進行了區分。随着SF的添加,彈性階段後的纖維振動事件數量顯著增加(圖6),表明鋼纖維在UHPFRC的四點彎曲變形過程中發揮了更積極的作用。特别在≥20% SF劑量率下,加載持續時間的延長和纖維振動事件數的增加伴随着撓度軟化階段基體開裂事件的振鈴計數減少,表明平均基體損傷幅度在此階段有所降低。
Fig.6.四點彎曲變形過程中UHPFRC結構的振鈴計數事件記錄;(a) SF0, (b) SF1, (c) SF2, (d) SF3。
3.3聲發射信号頻譜分析
聲發射事件能量率分布表明,加入SF後,UHPFRC在彈性和硬化階段新裂紋形成産生的平均聲學持續時間更長,現有裂紋進一步擴展的能量比例也有所增加(圖7)。但當SF劑量率≥20%時,觀察到新裂紋形成的持續時間間隔和現有裂紋擴展的能量比例再次降低。此外在軟化階段,SF2和SF3試樣中現有裂紋擴展受到明顯限制,伴随大量新裂紋的形成。
Fig.7.UHPFRC在四點彎曲變形過程中的能量持續時間分布;(a)參考,(b)彈性階段,(c)應變硬化階段 (d)硬變軟化階段。
RAF分布趨勢則表明(圖8),UHPFRC在10% SF時的彎曲變形過程中,剪切開裂的比例和開裂損傷的聲能均顯著增加。而當SF劑量率超過20%時,觀察到拉伸開裂比例的反彈和平均聲能的降低。說明UHPFRC的彎曲行為在添加10% SF時主要受基體脆化效應的影響,而在超過20% SF摻入時,纖維-基體的增韌效應主導了UHPFRC的彎曲行為。
Fig.8.UHPFRC在整個彎曲變形過程中的平均頻率-RA值圖;(a) SF0,(b) SF1,(c) SF2,(d) SF3。
本項研究成果受到國家自然科學基金的資助和經費支持。蔣正武教授可持續混凝土團隊多年來一直緻力低碳先進土木工程材料可持續化理論與方法的研究主線,近5年累計在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊發表SCI論文70餘篇。
目前本論文已在線發表在Cement and Concrete Composites期刊,全文鍊接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958946522001561,歡迎大家下載浏覽。