吴礼程 ， 王 哲 ， 刘 迪 ， 朱昊辉， 路 远 ， 林 露

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044； 2.郑州市公共租赁住房运营中心有限公司，河南 郑州 450000； 3.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)最早于20世纪90年代由法国学者Richard等[1]研发，是一种低水胶比、高密实度，同时具有良好力学性能和优异耐久性的新型水泥基复合材料，而且在RPC中掺加钢纤维后可以更有效地改善其抗拉性能[2].在经受相同承载力的情况下，相较于普通混凝土，RPC可以做到更小的截面面积，在体积、质量上更有优势，因此在某些特殊领域有着广泛的应用前景.现今，RPC已应用于盖板、电线杆、外墙装饰材料以及人行桥、冷却塔、下水道系统工程等.

目前国内针对RPC的常规三轴试验研究尚不多见，其中，闫光杰[3]、余自若等[4]仅研究了单一钢纤维掺量(体积分数，下同)RPC试样在不同围压下的破坏形态和力学性能.对于含不同钢纤维掺量RPC的研究则多见于单轴情况，闫光杰[5]分析了含5种钢纤维掺量RPC棱柱体试件的单轴受压力学性能；鞠彦忠等[6]对不同钢纤维掺量的RPC立方体试块进行了单轴试验；王晓飞等[7]研究了含4种钢纤维掺量的RPC圆柱体试样(φ50×100mm)的单轴力学特性.国外Farnam等[8]研究了含4种钢纤维掺量(0%，2%，5%，10%)的砂浆浸润钢纤维混凝土试样(φ75×150mm)分别在4种围压(0，5，15，21.5MPa)下的力学特性，其中，含不同钢纤维掺量的混凝土试样所对应的单轴抗压强度分别为76MPa (0%)，87MPa(2%)，146MPa(5%)和171MPa (10%)；另外，这种材料中的砂浆成分与RPC类似，成型方法则有所不同：每浇筑一层砂浆，就投放一层30mm长钢纤维(钢纤维在水平方向上随机分布)，随后再予以柔性振动，确保钢纤维被砂浆覆盖，直至浇筑完成.

本文所有试样均从浇筑成型的RPC大块中钻取，且所有钻取试样与RPC大块侧面的距离均超过12mm(单根钢纤维的长度)，以消除模具边界效应的影响；另外，所有试样的龄期均超过2a，以减小试验周期对RPC抗压强度的影响.对含5种钢纤维掺量的RPC圆柱体试样分别在5档围压下进行常规三轴试验，通过所绘应力-应变曲线，综合分析了围压和钢纤维掺量对试样峰值应力、峰值点轴向应变以及破坏形态的影响.由此可以更好地把握RPC材料的力学性质.

1 试验概况

1.1 试验材料及试样制备

用于制备RPC的原材料主要有：冀东水泥厂盾石牌P·O 52.5水泥；河北振胜矿业产石英砂；福建彰德产海砂；北京开碧源贸易有限责任公司产石英粉；埃肯国际贸易(上海)有限公司产微硅粉；鞍山科比特有限公司产直径为0.18～0.23mm，长12mm的高强钢纤维；减水剂为西卡公司生产的3301L型聚羧酸减水剂；北京建筑工程研究院产FAQ型消泡剂；自来水.

表1为活性粉末混凝土配合比；选取的钢纤维掺量(φF)分别为0%，0.3%，1.0%，1.7%和2.4%.

表1 活性粉末混凝土配合比

将上述各种材料置于卧式搅拌机搅拌均匀后，浇筑至350mm×200mm×140mm表面有塑胶层的木制模具中.浇筑完成后，表面覆盖保鲜膜并移至标准养护室养护48h，拆模后再移入养护室继续养护，28d后移出养护室，室内放置790d后取芯，再将芯样加工成φ43.6×130mm，长径比约为3的圆柱体试样.

1.2 加载方法

为保证试样的一致性，加载试验中视为相同的试样都取自于同一批次搅拌浇筑的RPC大块.

试验在北京交通大学土木建筑工程学院XTR-01型电液伺服岩石三轴试验机上完成.该试验机所配三轴室具有自平衡功能.三轴室内试样的实际受力由液压油施加的围压p和柱塞施加的应力差q叠加形成.记荷载传感器测得的荷载为F，试样的截面积为A，则应力差q=F/A.将试样受到的轴向压应力和2个侧向压应力分别记为σ1，σ2和σ3，则有σ1=p+q，σ2=σ3=p，σ1≥σ2=σ3.试样与上、下压头直接接触.上压头(带球铰)直径为50mm， 下压头直径为53mm.试样的变形分别用轴向及径向引伸计(试验机配套YSY60-6/2引伸计)测量，见图1(a).轴向引伸计的下端固定在下压头上，上端固定在上压头上，上下固定位置的间距为180mm，这也是引伸计的测量标距.轴向引伸计所测变形包括试样变形和标距内的压头变形.径向引伸计测量的是在2个互相垂直的直径方向上热缩管外侧相对位移的平均值，由于径向引伸计固定在包裹试样的热缩管上，故其测量的变形包含试样的变形和热缩管的变形，但热缩管的变形主要受围压影响，在围压恒定的情况下，可以认为所测径向变形即为试样的径向变形；径向变形测量点所在截面位于试样高度的一半处.试验过程中的加载路径如图1(b)所示.

图1 引伸计的装配及三轴试验加载路径Fig.1 Prepared sample with extensometer and the loading path for triaxial test

试验过程可分为5个阶段：

(1)对试样施加预压阶段.手动控制作动器的抬升，对三轴室内试样施加一个1.34MPa左右的预压荷载，以调整上压头与柱塞之间的角度.

(2)仅增加围压阶段.以0.1MPa/s的速度将围压p升至设计值.

(3)保持围压和轴向压力不变，直至变形稳定.此阶段目的是释放掉热缩管和试样的黏塑性变形，以免将此变形归入后面的测量结果中.

(4)保持围压恒定，单调施加轴向位移.加载位移速率为0.002～0.004mm/s，数据采样频率为3Hz.

(5)当试验峰后曲线出现一段水平段后，开始卸载过程.先保持围压不变，以一定位移速率卸载，直至荷载为0，再以一定的速率卸掉围压，使围压降为0.

试验中，围压p的设计值分别为0，10，20，40和70MPa.每种路径下的不同配比试样，均以2块同配比试样的试验数据作为正式数据.由于相同钢纤维掺量的试样均钻取于同一制备条件下的RPC大块，不同围压条件下的试样则随机选取，故可排除钻取位置的影响；加之试样加工控制严格，试验结果离散度较小，故可以认为2块试样具有一定代表性.同种配比的RPC试样采用相同的路径加载时，峰值应力的波动范围均小于平均值的6.5%.当试验过程中出现有渗漏油现象或是由其他原因造成数据不理想时，再增加试样块数.

2 试验分析

2.1 应力-应变曲线分析

尽管轴向引伸计测得的变形包括试样的轴向变形和标距内的压头轴向变形，但是压头的轴向变形小于引伸计测量变形量的5.5%，因此在后面处理数据时，直接使用轴向引伸计测量到的变形来替代试样的轴向变形.估算压头轴向变形量时，试样选用钢纤维掺量为0%的RPC材料，围压取为10，70MPa，上、下压头直径均取为50mm，压头材料的弹性模量取为206GPa.

图2给出了RPC试样在不同围压条件下的q-ε1曲线、q-εr曲线以及试验曲线分段示意.各分图中的曲线均基于实际采集数据所绘制.由于试验机刚度偏低，10，20和40MPa围压下的曲线峰后段并不能真实反映试样的破坏过程.故除围压为70MPa外，对10，20和40MPa围压下的曲线峰后段均进行了处理.

对于图2中试验曲线的分段作如下说明：曲线AB段为稳定上升段，B点为峰值点；BC段为快速下降段，BC段对应的过程几乎在瞬间完成，伴随着非常大的响声，由于数据采样频率为3Hz，实际过程经历的时间要比采样间隔时间短，因此B点与C点之间没有采集到数据点；由于CD-DE段是由试验机刚度不足造成的，并不是RPC试样本身的材料特性，故在此不作讨论；EF段为残余抗压强度阶段.如果试验机的刚度足够大，峰后曲线应为A-B-E-F.为了表达简洁，图2(b)～(f)中的曲线只取A-B-E-F段.

图3中列出了钢纤维掺量φF不同的RPC试样在单轴加载条件下的试验曲线.

图2 各钢纤维掺量下RPC试样的q-εr，q-ε1曲线及试验曲线分段示意Fig.2 q-εr and q-ε1 curves of RPC with five steel fiber volume contents and test curve segmentation

2.2 力学性能

2.2.1峰值应力

图3 不同钢纤维掺量下RPC试样在单轴加载条件下的q -εr，q -ε1关系曲线Fig.3 q -εr and q -ε1 curves of RPC with different steel fiber volume contents under uniaxial loading

图4 不同钢纤维掺量下RPC试样的qmax-p关系及不同围压条件下关系Fig.4 qmax-p and relationships of RPC with different steel fiber volume contents and confining pressures

分析得出：围压的变化会显著影响RPC试样的轴向抗压强度；钢纤维掺量变化对RPC试样抗压强度的影响只在单轴加载条件下有所体现，在有围压条件下并不明显.

2.2.2峰值点轴向应变

图5(a)为钢纤维掺量不同的RPC试样在曲线峰值点的轴向应变εp1与围压p的关系.由图5(a)可见，峰值点轴向应变与围压有较好的线性关系.

2.3 破坏形态

2.3.1围压的影响

这里仅以钢纤维掺量为0%和2.4%的RPC试样为例，来说明围压变化对RPC试样破坏形态的影响(见图6).由图6可见，在单轴受压时，素RPC试样的破坏类似于劈裂破坏，破坏后有多条近似竖向的宏观裂缝，形成多个破碎块；钢纤维掺量为2.4%的RPC试样则由于钢纤维的拉伸约束作用，最后破坏时呈现出裂而不散的剪切破坏.在经历围压分别为10，20，40，70MPa下的三轴加载后，钢纤维掺量分别为0%，2.4%的RPC试样均表现为剪切破坏.

图5 不同钢纤维掺量下RPC试样的εp1-p关系及不同围压条件下关系Fig.5 εp1-p and relationships of RPC with different steel fiber volume contents and confining pressures

图6 钢纤维掺量为0%，2.4%时RPC试样的破坏形态Fig.6 Failure patterns of RPC with 0% and 2.4% steel fiber volume contents

素RPC试样在围压较低时，破坏后除1条主裂纹外，还伴随多条次裂纹；随围压增加，次裂纹数目减少.钢纤维掺量为2.4%的RPC试样破坏形态与围压有关，随着围压的增加，裂纹由Y形或V形逐渐转为1条斜裂纹.

除素RPC试样外，其余钢纤维掺量的RPC试样于不同围压下破坏时，在宏观破坏面上都可看到大量脱黏拔出的钢纤维.

2.3.2钢纤维掺量的影响

图7给出了10MPa围压下不同钢纤维掺量的RPC试样破坏形态.由图7可见：(1)钢纤维掺量为0%的RPC试样破坏后，除主裂纹外，还伴随出现了多条肉眼可见的次裂纹；(2)钢纤维掺量为0.3%，1.0%及1.7%的RPC试样破坏后均出现1条贯穿试样的主裂纹，次裂纹较0%钢纤维掺量的试样少；(3)钢纤维掺量为2.4%的试样破坏后出现了Y形或V形裂纹(如果V形裂纹继续扩展，就会楔裂成Y形裂纹)，这与其余钢纤维掺量的试样明显不同.

图7 10MPa围压下不同钢纤维掺量的RPC试样破坏形态Fig.7 Failure patterns of RPC with different steel fiber volume contents under 10MPa confining pressure

Ren等[9]认为添加钢纤维可以有效改变低围压状态下超高性能水泥基复合材料(UHPCC)的破坏状态，而在高围压条件下钢纤维的增强作用将会减弱，这与本文所得结果一致.

2.4 抗压强度准则

分别采用Mohr-Coulomb抗压强度准则和Willam-Warnke抗压强度模型来描述RPC试样的抗压强度规律.

Mohr-Coulomb准则可以表示为：

(1)

Willam-Warnke模型的公式为：

(2)

表2 Mohr-Coulomb准则拟合结果

(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]1/2；σ1，σ2和σ3分别为3个主应力，α0，α1和α2为Willam-Warnke模型的参数.

表3给出了用公式(2)拟合试验数据后的结果.由表3可见，其中的R2普遍高于0.99，表明Willam-Warnke 模型更适用于描述RPC试样的抗压强度发展规律.

表3 Willam-Warnke模型拟合结果

图8(a)，(b)分别列出了对应于Mohr-Coulomb准则和Willam-Warnke模型的变化量之间的关系，且均列出了素RPC试样强度数据的拟合曲线.

图8 三轴抗压强度比与围压比的关系以及平均剪应力比与平均正应力比的关系Fig.8 Relationship between triaxial strength ratio and confining pressure ratio and the relationship between mean shear stress ratio and mean normal stress ratio

3 结论

(1)在常规三轴受压条件下，钢纤维掺量分别为0%，0.3%，1.0%，1.7%和2.4%且围压分别为10，20，40和70MPa时，围压是影响RPC试样抗压强度和变形能力的主要因素.

(2)RPC试样的峰值点轴向应变随围压的升高而升高，二者近似呈线性关系.

(3)在单轴加载条件下，钢纤维对RPC试样的抗压强度和破坏形态都有着明显的影响；在围压为10～70MPa且钢纤维掺量为0%～2.4%的条件下，钢纤维仅对RPC试样的破坏形态有影响，对其抗压强度的影响并不明显.

(4)比较Mohr-Coulomb准则与Willam-Warnke模型对RPC试样单轴、三轴抗压强度数据的拟合效果可知，Willam-Warnke模型更适用于描述RPC试样的抗压强度发展规律.

参考文献：

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