钢纤维间距对UHPC双丝拉拔性能的影响

Effect of Steel Fiber Spacing on Double Fibers Pullout Performance of UHPC

摘要

通过双根钢纤维拉拔试验，研究超高性能混凝土（UHPC）中钢纤维间距（2 mm、 4 mm、6 mm、8 mm、10 mm和12 mm）对钢纤维在UHPC中拉拔性能的影响，采用0.2 mm的镀铜直圆形钢纤维，制作6组双丝试件和1组单丝试件进行拉拔试验. 通过拉拔荷载-滑移曲线、平均黏结强度、钢纤维最大拉拔应力等参数，并结合扫描电子显微镜（SEM），观察了拔出后钢纤维的微观外貌、UHPC基体的隧洞微观形态和破坏部位的微观形态，全面分析了钢纤维的间距对UHPC基体-钢纤维拉拔性能的影响. 试验结果表明：钢纤维拉拔结果具有一定的离散性；双丝拉拔试验的最大拉拔荷载小于相应单丝结果的两倍；钢纤维和UHPC基体隧洞有着不同程度的损伤，双丝试件中的钢纤维表面划痕和基体隧洞的孔洞破坏较单丝严重，单丝试件的隧洞内壁则相对完整.

Abstract

The influence of steel fiber spacing （2， 4， 6， 8， 10 and 12 mm） on the pullout performance of steel fiber in ultra-high performance concrete（UHPC） matrix was studied by the double steel fiber pullout test. Six sets of double fiber specimens and one set of single fiber specimens embedded with 0.2 mm copper-plated straight round steel fibers were fabricated. Based on the parameters of the pullout load-slip curve， average bond strength， and maximum pullout stress， and combined with scanning electron microscope （SEM）， the micro-appearance of steel fibers after pulled out， the micro-morphology of UHPC matrix tunnel and the failure part were observed. The influence of steel fiber spacing on the pullout performance between UHPC matrix and steel fibers was analyzed. The steel fiber pullout test results showed certain discreteness； the maximum pullout load of double fibers pullout test was less than twice that of the corresponding single fiber pullout test. The steel fiber and UHPC matrix tunnel had different degrees of damage. The scratches on the surface of steel fiber and the holes in the matrix tunnel of double fiber specimen were more serious than those of the single fiber specimen， while the inner wall of the single fiber specimen was relatively complete.

Graphical abstract

关键词

超高性能混凝土（UHPC） / 钢纤维 / 双丝拉拔 / 黏结性能 / SEM微观形貌

Key words

ultra-high performance concrete（UHPC） / steel fiber / double fibers pullout / bonding performance / SEM microtopography

在实际工程中，UHPC基体中掺入钢纤维能很好地弥补混凝土在抗拉能力上的缺陷，提高构件的安全性和稳定性^［1］，改善UHPC的韧性、延性、抗疲劳和抗冲击性^［2］，且可应用于结构和构件加固^［3］. 由于UHPC基体的非均质性，对其力学性质与材料的损伤破坏机理的研究十分重要^［4］. 目前，关于钢纤维混凝土的研究多采用轴拉试件，主要考虑钢纤维的取向与分布、形状特征、掺量、配筋率等方面的影响，如邵旭东等^［5］通过研究钢纤维对UHPC受拉性能的影响，发现含钢纤维UHPC试件的轴拉峰值强度比无钢纤维的提高11%~23%. 对于钢纤维混凝土，微观上主要对单根钢纤维及多根钢纤维与UHPC基体之间的各种力学性能进行研究. 关于单丝拉拔的研究较多^［6-12］，许多学者^［13］主要从钢纤维的形状特征、拉拔时的加载速率、埋置角度及试件的养护条件等方面出发，对单根钢纤维与UHPC基体的微观力学性能进行研究. 龙雪^［14］通过对钢纤维的拔出进行数值模拟，得到平直、端钩两种钢纤维拉拔模型的破坏规律；Wu等^［15］研究了纤维形状对纤维拉拔性能的影响；Zīle等^［8］研究了纤维几何形状对波纹钢纤维拔出的影响，结果显示，使用波纹形钢纤维可以有效地提高纤维与UHPC基体之间的界面黏结性能；苟鸿翔等^［16］的研究表明，随着钢纤维掺量的增加，掺入乱向分布钢纤维的UHPC的抗压强度先增大后减小，而掺入定向分布钢纤维的UHPC的抗压强度则持续增大； Kang等^［11］通过研究超高性能纤维增强复合材料中纤维取向与拉伸行为的关系，发现纤维取向分布对开裂前性能的影响很小，但对UHPFRCC的开裂后性能影响很大. UHPC的抗压强度和抗拉强度比普通混凝土高^［17］，钢纤维-混凝土共同作用原理为Rosen^［18］、Chua等^［19］提出的“剪滞理论”. 在UHPC中，开裂后的拉伸性能表示为纤维和基体的抵抗力的综合作用^{［11，18-19］}. UHPC中单根埋入钢纤维的拉拔性能与钢纤维双丝及多丝的拉拔性能并不相同^［20］，单根钢纤维拉拔无法模拟纤维混凝土的增强增韧机理.

Romualdi等^［21］对钢纤维混凝土裂缝扩展机制进行过研究，从而产生“纤维间距理论”. 但目前纤维之间的重叠作用机理尚不明确，关于双丝或多丝拉拔性能的研究并不多^［22］，刘浩、张亚芳等^{［20，23］}在双丝拉拔方面展开了一系列数值模拟，其数值模拟显示，纤维间距变化对双丝构件的峰值荷载及破坏模式有显著影响，当双丝间距较小时，双丝及其之间的基体共同承受拉拔荷载. Yoo等^［24］通过“狗骨形”试件的拉拔试验，对直圆形钢纤维嵌入UHPC中的动态拉拔性能进行研究，试验结果表明，减小纤维间距可以提高多根纤维试件的平均黏结强度. Kim等^［22］同样采用“狗骨形”试件，发现无论纤维类型如何，多纤维试件的黏结强度均小于单纤维试件，随着纤维间距的减小，它们的作用效应会重合，产生更大的剥落区域.

纤维间距取决于UHPC中钢纤维的掺量，研究双丝间距对钢纤维拉拔性能的影响，将有助于更好地理解掺入钢纤维的UHPC出现裂缝后的拉伸性能. 已有研究表明，由于受基体强度和钢纤维种类等参数的影响^［12］，仅通过单纤维的拉拔试验结果很难预测复合材料的拉拔性能^［20］，有关影响其拉拔性能的具体因素及内在作用机理暂不明确. 基于此，本文展开了双根钢纤维拉拔试验，以单根钢纤维拉拔作对比，借助扫描电子显微镜（SEM），观察拔出试验后钢纤维和UHPC基体隧洞的微观形貌，从而进一步分析钢纤维-UHPC基体界面黏结性能，从微观上解释双根钢纤维在UHPC中的拉拔性能和双丝拉拔试验中纤维间的重叠作用. 对其进行量化，推广至多根纤维中，将有利于分析实际工程中钢纤维与UHPC基体之间的共同作用.

1 试验过程

1.1 试验材料样品及UHPC配比

本次试验所用材料均采用中国标准. 胶凝材料为水泥和硅灰，水泥采用第一类52.5 MPa的普通硅酸盐水泥. 硅灰为平均粒径为0.1 µm的超细硅灰颗粒，可填充水泥颗粒的间隙，使混凝土更加密实，降低了需水量. 骨料采用粒径为124~1 190 µm的精制水洗石英砂；采用直径为0.2 mm的镀铜直圆形钢纤维，如图1所示，具体参数如表1所示. 减水剂采用聚羧酸系高效减水剂以改善UHPC基体的和易性，并增强自密实性能. UHPC基体配合比基于之前研究^［25］，以胶凝材料的质量为基准，采用0.17的水胶比，素基体在蒸养2 d后抗压强度实测值可达 120 MPa以上，配合比如表2所示.

1.2 试件制作

本试验所用试样在《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009）^［26］所规定的试件尺寸的基础上做出更改，满足纤维拉拔试验的设计要求^［27］，均为直径19.5 mm的圆柱体试件. 本研究中，钢纤维-UHPC基体中拉拔性能的变量为间距，钢纤维间距分别为 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm和12 mm，为了使双丝拉拔试验的数据更为直观，还采用单根钢纤维的拉拔试验用以对比. 本试验所用模具由盖板、中筒和底座构成，中筒高6.5 mm，内直径19.5 mm，盖板总高6.5 mm，并设置有定位孔，中间两个孔（圆心）之间的距离为2 mm，其余两相邻孔（圆心）间隔1 mm，纤维从定位孔中插入，从而保证纤维的位置与埋深. 模具和盖板如图2所示.

试件制作时，将胶凝材料与石英砂先在合适的容器中混合，搅拌均匀，再将混合物倒入J55型搅拌机的干燥的锅中搅拌90 s，采用“同掺法”^［28］将溶有减水剂的水缓缓倒入锅中后，慢搅90 s，随后再快搅210 s. 搅拌好后将水泥砂浆浇入模具中，用刮刀将模具中的混合物戳匀，其目的是“振捣”，从而尽量消除气泡，把带定位孔的盖板小心盖上，再将钢纤维插入定位孔，6.5 mm的盖板高度足以保证钢纤维是垂直的. 制作好的试件如图3（a）所示. 所有钢纤维的埋置深度是模具内高度，均为6.5 mm. 浇筑好24 h后脱模，再进行标准蒸气养护2 d，达到强度后室温保存于实验室中. 为避免钢纤维发生锈蚀从而影响试验数据的准确性，应尽快进行拉拔试验. 将0.2 mm直圆形钢纤维命名为S0.2，单丝试件命名为S0.2-S（single），双丝试件命名为S0.2-D（double），插有双根钢纤维的试件编号为S0.2-间距，如间距为2 mm的试件编号为S0.2-2.

1.3 试验方法和程序

为了确保数据的可靠性，针对本次试验的每一个变量都制作了多个试件，剔除由于蒸汽养护前基体强度不足、在制造过程中外观有损坏等残次品，确保每组有5个试件.拉拔试验完成后，根据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009），取算术平均值为强度值.纤维类型和试验拉伸台如图3（b）所示.试验采用位移控制法加载，设定加载速率为1 mm/min. 夹具所采用钢片的刚度极大，其变形微小，可忽略不计，考虑到钢纤维被拉长，将位移控制长度设置为8 mm. 钢纤维拉拔夹具如图3（c）所示，用螺栓固定夹具，可解决夹具打滑问题.1为刚度极大的钢片，2、3、25的材质均为金属（铸铁）.

试验前，先将试件放入拉伸台，并将夹具固定好，然后开始进行拉拔，与此同时拉拔荷载-滑移曲线开始成像，钢纤维在位移设定值前被拔出.

1.4 拉拔性能评估参数

本次试验采用最大拉拔荷载、纤维和基体之间的平均黏结强度{\tau }_{\mathrm{a}}和钢纤维最大拉拔应力{\sigma }_{\mathrm{m}}来评估钢纤维在UHPC中的拉拔性能. 计算公式如下：

{\tau }_{\mathrm{a}}=\frac{P{}_{\mathrm{m}}{}^{}}{n\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{f}}L}，（1）

{\sigma }_{\mathrm{m}}=\frac{P_{\mathrm{m}}}{n{A}_{\mathrm{f}}}.（2）

式中：n为钢纤维数量，根；{\tau }_{\mathrm{a}}为平均黏结强度，即平均黏结剪应力，MPa；P_m为最大拉拔荷载，N；d_f为纤维直径，mm；L为纤维埋入基体的深度，即基体厚度，mm；A_f为单根钢纤维横截面积，A_{\mathrm{f}}=\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{f}}^{\mathrm{2}}/\mathrm{4}，mm².

2 试验结果及讨论

2.1 拉拔试验结果

用纤维和基体之间的最大拉拔力P_m、平均黏结强度{\tau }_{\mathrm{a}}和钢纤维最大拉拔应力{\sigma }_{\mathrm{m}}来评估钢纤维在UHPC中的拉拔性能. 为使双丝拉拔试验更有可对比性，采用相同的UHPC基体进行了单根钢纤维的拉拔试验. 拉拔试验结果如表3和图4所示，根据CECS 13：2009，本次试验每组5个数据中最大值和最小值与中间3个试件的平均值之差，至少有1个差值在15%以上，故根据标准取中间3个试件的平均值，结果如表3所示. 根据计算公式，黏结强度与最大拉拔荷载呈正比.

钢纤维在UHPC基体的拔出荷载-滑移曲线如图4所示.钢纤维在不同纤维间距下的试件都有着相似的荷载-滑移曲线，即滑移量在1 mm内出现最大拉拔荷载峰值. 其中，P_m、{\sigma }_{\mathrm{m}}和{\tau }_{\mathrm{a}}的变化规律基本一致，即P_m决定钢纤维的最大拉拔应力和钢纤维-UHPC的黏结强度. S0.2-D中P_m最大值为80.33 N，只有单丝试件的1.66倍，且{\sigma }_{\mathrm{m}}和平均黏结应力均小于单丝试件的值. 这是由于UHPC基体的非均质性，同一间距下双根钢纤维在拉拔过程中的滑移能力存在区别，即同一间距下，两根钢纤维并不是在相同的滑移量下达到拉拔荷载峰值，导致拉拔过程存在一定的偏心效应，因此即使双根钢纤维之间的间距很大，大到双根纤维间的重叠作用可忽略不计，双丝试件的最大拉拔荷载值仍会小于单纤维的最大拉拔荷载值的两倍^［22］.

2.2 间距对钢纤维拉拔性能的影响

由图4（b）可知，在峰值荷载之后，随着滑移量的增加，S0.2-D拉拔荷载逐渐减小，但减小的速度较小，而滑移增加到5 mm之后，拉拔荷载迅速减小为零，且钢纤维完全从UHPC基体中拔出，钢纤维拔出后的UHPC基体外观较为完整. 部分荷载-滑移曲线出现“锯齿”状波动（下降段不光滑），这是因为SEM拉伸台精度高，对荷载和滑移的变化极为敏感，且在拉拔荷载的作用下，钢纤维连带着部分脱落的UHPC基体碎屑沿着钢纤维滑动，每次滑动都要克服巨大的阻力从而消耗大量能量. 这也是钢纤维与UHPC基体的黏结强度的组成部分，钢纤维与UHPC的部分握裹面出现短暂的脱黏现象，因此试验时曲线会出现“锯齿”状. 小部分荷载-滑移曲线在拔出时荷载会竖直下降为0，这是因为在钢纤维拔出时，钢纤维周围的UHPC基体表层无法抵抗钢纤维之间剪应力的重叠作用，导致出现UHPC基体拔出口表层破碎，而观察单丝拉拔，则不会出现荷载突降到0的现象.

由公式（1）、（2）可知，本试验中的最大拉拔应力{\sigma }_{\mathrm{m}}、平均黏结应力{\tau }_{\mathrm{a}}只受拉拔荷载的影响. 结合表3和图5所示的最大拉拔应力{\sigma }_{\mathrm{m}}和平均黏结应力分析可知，钢纤维拉拔结果有一定的离散性. 间距为 6 mm时，{\sigma }_{\mathrm{m}}出现最大值1 278.45 MPa.S0.2-D有两个波峰，分别为6 mm和10 mm，其中6 mm时的波峰值大于10 mm时的波峰值，{\tau }_{\mathrm{a}}在7.67~9.83 MPa波动，浮动范围在24.26%以内，说明两根钢纤维之间存在一定的应力重叠.

从表3和图5来看，在S0.2双丝试件中，最大拉拔荷载决定钢纤维最大拉拔应力和平均黏结强度，而0.2 mm镀铜直圆形钢纤维，不论双丝间距的大小，其最大拉拔荷载都小于单丝试件值的两倍，因此双丝拉拔中最大拉拔应力和平均黏结强度小于单丝拉拔. 这和力在钢纤维-UHPC中的传递有关，也是钢纤维混凝土的增韧机理^［29］所在.

钢纤维之间存在一定范围的重叠作用，UHPC的非均质性导致拉拔存在偏心效应，其大小与钢纤维直径和间距密切相关，小间距时，钢纤维间应力重叠较大，钢纤维-UHPC界面强度不够，UHPC基体易被拉碎，钢纤维的拉伸性能无法充分发挥；间距较大如12 mm时，应力重叠范围较小，钢纤维脱黏时从UHPC基体隧洞内壁剥落的基体碎屑少，因而纤维与基体碎屑之间的滑动摩擦力提供的部分黏结强度较小. 钢纤维掺量过多对应双根钢纤维间的间距过小，掺量过多并不会提高黏结强度，相反，在荷载作用下，由于钢纤维间的应力重叠，在钢纤维的滑动摩擦阻力、剥落的基体碎屑在隧洞中与钢纤维和UHPC基体的滑动摩擦力，以及UHPC基体与钢纤维的互相挤压力下，UHPC基体隧洞内壁甚至其周围的UHPC基体很容易被损坏，说明在UHPC中钢纤维间距并不是越小越好，即钢纤维的体积掺量并非越多越好.

2.3 表观及SEM显微结构观测

2.3.1 拔出后的UHPC基体

将拉拔试验结束后的UHPC基体制成切片，便于扫描电镜SEM成像观测.

直圆形钢纤维与UHPC有良好的黏结界面，在拉拔过程中，拉拔力与摩擦力、剪切黏结力方向相反，从拔出后的基体外观来看，S0.2-S试件的UHPC基体上，钢纤维拔出口均较为完整，基体无肉眼可见的损伤. 图6（a）为钢纤维拔出后的UHPC基体隧洞形貌，从SEM图中可以清晰地看到S0.2-S的UHPC基体隧洞内壁较为光滑. 如图6（c）所示，184倍SEM图显示出基体隧洞内壁条状纹理是钢纤维的表面，有少许不明显的损伤，这是两者接触的界面部分随着钢纤维的拔出被带走.

部分S0.2-D试件基体的钢纤维拔出口处可以看到基体碎屑，是纤维与基体碎屑之间的滑动摩擦力提供一部分黏结强度的微观体现. 拉拔性能由基体强度和钢纤维协同作用，双丝间存在的应力重叠从荷载-滑移曲线也可得到证实：S0.2-D的钢纤维基本在滑移7 mm前便完全拔出，而单丝拉拔的荷载滑移量则大于7 mm. 如图6所示，S0.2-D试件在拉拔过程中对UHPC基体隧洞造成的划痕较多，在放大100倍扫描电子显微镜下隧洞有清晰划痕，几乎贯穿整个隧洞，且划痕有开裂.

如图7所示，在500倍和2 000倍的SEM下，S0.2-D的基体隧洞内壁有明显微裂纹，这是双丝间的UHPC基体受到应力重叠，钢纤维在拉拔的过程中与UHPC基体隧洞相互挤压，加上C-S-H凝胶在钢纤维与UHPC基体发生相对滑移时，一部分黏着力失效，UHPC基体碎屑在钢纤维和基体间滑动摩擦，导致S0.2-D试件的UHPC基体隧洞损伤较为严重，部分S0.2-D的UHPC基体隧洞裂纹分层，且呈“水波”状散开. 从图7（a）、（b）中可清晰地看到，UHPC隧洞内壁有分层，这点也是荷载-滑移曲线有些呈上下波动的锯齿状的成因之一. 钢纤维表面原有的纹理也被部分C―S―H凝胶嵌入，这部分在拔出过程中会产生一种钢纤维与UHPC基体的机械咬合力，随着钢纤维与基体隧洞发生相对滑动，这一部分的黏结强度也会逐渐失效. 从基体隧洞的SEM图分析可知，0.2 mm钢纤维双丝拉拔受力较为复杂，其黏结强度由4部分组成.

2.3.2 拔出后的钢纤维

收集拔出后的钢纤维，制成观察样本，便于扫描电镜SEM成像观测.

镀铜钢纤维表面为黄铜色，在试件蒸养过程中，钢纤维自由端在高温蒸气下发生氧化，变成黑色，在拉拔结束后，整体来看钢纤维一半为银色，一半为黑色，呈银色的一端是因为钢纤维与UHPC基体黏结性能良好，在拉拔过程中将镀铜层磨损掉，不论间距大小，或者单双丝拉拔，都会出现这一现象.

在165倍下钢纤维表面纹理清晰可见，由图 8（a）可以看到，单丝拉拔后的钢纤维表面黏有少许球状UHPC基体碎屑，钢纤维无明显划痕，损伤较小，这一点与S0.2-S的UHPC基体隧洞SEM图相吻合，图8（c）同样反映了这一点.

图8（b）是118倍下双丝拉拔试验后的SEM图，在此放大倍数下仍有大量UHPC基体碎屑清晰可见地附着在钢纤维表面，碎屑呈絮状，钢纤维表面划痕较多且杂乱，与200倍下双丝拉拔后埋入端口SEM图显示结果一致，如图8（d）所示，都表明S0.2-D的钢纤维与UHPC基体的受力十分复杂. 如图8（e）所示，300倍钢纤维的SEM图显示出十分清晰的钢纤维表面纹理，并有较深的划痕和杂乱的UHPC基体碎屑，碎屑呈絮状、带状. 图8（f）为钢纤维纹理的高清SEM图，图中清晰可见纹理中嵌有UHPC基体颗粒，图片右下角有明显的伤痕. 拉拔过程中，钢纤维与基体碎屑不可避免地产生滑动摩擦，加上偏心效应的存在，钢纤维表面很大一部分划痕就是此时产生的，在这一过程中，滑动摩擦阻力同样为双丝拉拔提供了一部分黏结强度，并且一直到钢纤维拔出，这也是钢纤维在UHPC中的增韧机理所在.

UHPC基体和钢纤维的SEM图显示，两种拉拔对UHPC基体和钢纤维的损伤破坏程度都不同，双丝拉拔后的UHPC基体隧洞损伤较单丝严重，且部分隧洞表面被剥脱，出现基体隧洞内壁层状纹理，并且在层状纹理周围有“水波”状裂纹；钢纤维埋入端与UHPC基体截面黏结良好，双丝拉拔的钢纤维表面碎屑残留较多；单丝拉拔后的钢纤维表面划痕少且浅，有些甚至无划痕，需要使用扫描电子显微镜在高倍下才能清楚地观察到伤痕.

3 结 论

本文研究了不同间距下0.2 mm镀铜直圆形钢纤维在UHPC中的拉拔性能，根据钢纤维与UHPC基体的拉拔荷载-滑移曲线、两个评估参数分析，以及拔出后钢纤维与基体隧洞微观形貌特征，并与单丝拉拔结果作对比，得出主要结论如下：

1） 钢纤维拉拔存在一定的离散性，拉拔曲线在滑移5 mm之后的下降段具有随机性. 在同等条件下影响单丝拉拔的因素较少，拔出曲线较为缓和饱满，与UHPC中钢纤维实际受力有较大差别.

2） UHPC非均质性和双丝拉拔存在偏心效应，使其拉拔荷载小于单丝拉拔的两倍. 双丝之间存在应力重叠，与单丝拉拔相比，双丝拉拔更符合钢纤维在UHPC中的受力情况.

3） SEM微观上反映出双丝拉拔中钢纤维和UHPC基体损伤程度大于单丝拉拔，偏心效应使UHPC基体隧洞内壁剥落碎屑较多，纤维与基体碎屑之间的滑动摩擦力能提供部分黏结强度，双丝拉拔试验更贴近钢纤维在UHPC开裂后的作用机理.

在与单丝拉拔的对比下，本文研究了钢纤维间距对双丝拉拔性能的影响，后期将以钢纤维体积掺量为指导，对钢纤维间距进行调整展开进一步试验，研究纤维-UHPC基体的增强增韧机理，以供后续相关研究参考.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52078054)

国家自然科学基金资助项目(51878073)

National Natural ScienceFoundation of China(52078054)

National Natural ScienceFoundation of China(51878073)

湖南省交通科技项目(201932)

Department of Transportation of Hunan Province(201932)

湖南省自然科学基金资助项目(2021jj30730)

Natural Science Foundation of Hunan Province(2021jj30730)

湖南省研究生科研创新项目(CX20200832)

湖南省研究生科研创新项目(CX20190650)

Postgraduate Research Innovation Project of Hunan Province(CX20200832)

Postgraduate Research Innovation Project of Hunan Province(CX20190650)