超高性能混凝土强度试验研究

超高性能混凝土强度试验研究

陈少彬

深圳市宝安区工程质量监督检验站广东深圳518101

摘要：超高性能混凝土强度试验关系到各类大型建筑物的寿命及安全，通过结合16组超高性能混凝土试验数据统计分析表明，不同UHPC抗拉强度随钢纤维掺量的增加而提高，但其强度所提高的幅度不一样，其中劈拉强度增幅较大；相同钢纤维掺量时，UHPC的抗折强度和劈拉强度相近，且远大于轴拉强度。建议以抗折强度试验作为工程实践中UH－PC抗拉强度的间接测试方法。

关键词：超高性能混凝土；抗拉强度；试验方法；钢纤维

前言

本实验进行了16组共34个试件的不同钢纤维掺量UHPC的轴拉强度、抗折强度和劈拉强度试验研究。以钢纤维掺量作为参数，对各个单位的强度试验数据，展开不同抗拉强度与钢纤维掺量之间的统计分析，以期推动UHPC材料在实际工程中的应用。

一、材料制备

选用PO42.5普通硅酸盐水泥；硅灰SiO2含量大于等于90％，比表面积为18920ｍ２/Kg，密度2.0g/cm３；细砂为粒径小于0.63mm、密度2.6ｇ/cm３的河砂；减水剂提供的减水率不小于25％的CX－8聚羧酸高效减水剂；钢纤维来自钢纤维厂，其直径为0.18～0.22mm，长度为12～14mm，抗拉强度不小于2850MPa。本实验采用的UHPC配合比如表1所示，以钢纤维体积掺量0％、1％、2％和3％为参数制作试件。养护制度采用8h、180℃的蒸压养护。

二、试验方法

（一）轴拉试验

采用哑铃式试件，其等截面尺寸为50mm×100mm×150mm，以5个试件为一组，共4组，详细尺寸如图1所示。采用端部提拉式装卡方式，试验装置如图2所示。试件标距设置在中部，测量标距为沿拉力方向100mm；以变形量控制试验加载速度，采用加载速度为0.01mm/S（应变速率约0.0001ｓ-1）的拟静力加载模式。正式试验前，在材料弹性范围内进行预加载，微调试件或夹具使其偏心率不大于15％。试验加载设备为SHT4系列微机控制电液伺服万能试验机，其最大试验力为2000kN；标距内测量设备为SANJY50/25电子引伸计，其最大测量变形量为25mm。试验结果处理参考《纤维混凝土试验方法标准CECS13：2009》。

(二)抗折试验和劈拉试验

纤维混凝土抗折试验和劈拉试验可按现行国家标准的《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081执行，根据要求采用相应的试验夹具，加载速度均控制在0.1MPa/ｓ左右。抗折试验和劈拉试验的试件均为4组，每组3个，其尺寸分别为100mm×100mm×400mm和100mm×100mm×100mm。

三、结果分析

（一）抗拉强冷与钢纤维掺量的关系

表2为不同钢纤维掺量下试件的抗拉强度试验结果。由表2可知，轴拉强度、抗折强度和劈拉强度均随着钢纤维掺量的增加而提高，但各强度的增加幅度不相同。以钢纤维掺量2％的UHPC为例，其轴拉强度、抗折强度和劈拉强度分别较钢纤维掺量0％时提高约100％、166％和203％。需要说明的是，轴拉试验有一定的失败率，表2中仅列出了成功的测试结果，因而列出的测试值数量与试件数不相同。

为进一步深入研究抗拉强度与钢纤维掺量之间的关系，收集他人试验数据开展统计分析。轴拉强度反映混凝土的真实强度，受试件截面尺寸的影响较小；抗折强度和劈拉强度均基于弹性计算理论，其尺寸的影响不可忽略。在收集样本时，轴拉强度按不同钢纤维掺量收集，抗折强度和劈拉强度则仅收集试件横截面尺寸为100mm×100mm的试验数据。表3为不同钢纤维掺量的样本数量，各类抗拉强度的样本数量均超过了50个，其中轴拉强度的样本数量达到了101个。钢纤维掺量2％的样本数量较多，在轴拉强度、抗折强度和劈拉强度总样本中分别占64％、56％和50％.

检验各回归关系式的显著性，通过SPSS软件对各强度数据样本的直方图和P-P图进行检验，发现样本残差符合近似正态分布，可采用Ｆ检验法对线性回归数学模型的显著性进行检验。假设H０:ｂ=0，即强度与钢纤维掺量之间线性关系不显著；确定显著性水平ａ＝0.05，可根据Ｆ分布表找出相应的Ｆ临界值；如F值＞F临界值，则拒绝H０，表明两者线性关系显著。表4为3种强度的F检验结果，可知3种强度均与钢纤维掺量存在显著的线性关系，表明通过回归得到的关系式具有一定的实用价值。

表4F检验结果

（三）抗拉强度间接测试试验方法分析

轴拉试验结果能够反映真实的抗拉强度和受拉应力－应变关系，是研究混凝土受拉性能不可或缺的试验手段，但轴拉试验测试难度较大，并不适用于实际工程中使用，仍需与普通混凝土和钢纤维混凝土一样，采用较简便且合理的间接测试试验方法。

劈拉试验是普通混凝土和钢纤维混凝土测试抗拉强度的常用方法，但其是否能够作为UHPC抗拉强度的试验方法还值得商榷，主要有以下3点原因。其一，与普通混凝土和钢纤维混凝土的强度规律不同，UHPC的劈拉强度较接近抗折强度，而非轴拉强度；其二，从受力性能方面来看，其顶端接触位置的应力状态较复杂，包括拉、压、剪和扭转等综合作用，不利于进行力学分析，较难控制其试验结果，可能得不到理想的试验数据。其三，由表5中数据样本的变异系数可知，劈拉强度的变异系数最大，表明UHPC的劈拉强度具有相对较大的不确定性。

抗折试验与劈拉试验相比，抗折试件受力明确且分析简单，由表5可知其试验结果的离散性较小，抗折强度与轴拉强度的比值也较靠近钢纤维混凝土和普通混凝土的比值。根据材料的抗折强度进行活性粉末混凝土等级划分；日本的相关规程中采用抗折试验间接获取UHPC的抗拉强度。因此，建议实际工程应用中可采用抗折试验作为UHPC抗拉强度的间接试验方法。对于钢纤维掺量为2％的UHPC，采用表5的统计参数，并结合式（1）和式（2）的计算值，推算出轴拉强度与抗折强度的比值范围为0.46～0.52，可作为两种强度之间的换算参考区间。

四、结束语

综上所述，轴拉强度、抗折强度和劈拉强度均随着钢纤维掺量的增加而提高，但增幅各不相同，其中劈拉强度增幅较大。提出轴拉强度、抗折强度和劈拉强度与钢纤维掺量之间的关系式。UHPC的抗折强度和劈拉强度相近，且明显大于其轴拉强度。与钢纤维混凝土和普通混凝土的抗拉强度比值相比，UHPC轴拉强度和抗折强度的比值与之较接近，而劈拉强度相关的其他2个比值则相差较大。