排列钢纤维对分层浇铸UHPC抗弯和抗拉强度的改善
关键词:超高性能混凝土(UHPC)、纤维排列、纤维分布、纤维取向因子、图像分析。
摘要：为了进一步提高超高性能混凝土(UHPC)的抗弯、抗拉强度和延性，本研究开发了一种改进的纤维取向更好的分层浇筑UHPC的装置。首先讨论了纤维含量(2%或3%)和纤维类型(直纤维、端钩纤维和两纤维结合)对抗弯强度的影响。研究了最佳纤维含量和纤维类型对UHPC在弯曲和直接拉伸载荷下力学性能的影响。通过图像分析，详细分析了纤维对准对UHPC中纤维取向和色散的具体影响。结果表明，改进装置的振动效果显著提高了浆料流动性，且在浇注过程中可移动模具提供附加的阻力，确保了纤维调直的有效性。纤维调直不仅提高了UHPC的极限抗拉强度和抗弯强度，而且由于纤维的取向与浇注方向平行，显著提高了UHPC的开裂强度和延性。然而，纤维对准后的UHPC表现出各向异性，且受拉时产生斜裂缝的可能性较大。此外，纤维对齐使，纤维整体分散均匀，但导致纤维在层间边界分布不均匀，并在层间边界形成薄弱区。
1.介绍
超高性能混凝土(UHPC)是一种纤维增强水泥基复合材料，具有高抗压强度、高韧性和较好的耐久性[1,2]。用于修补和替代易脆性破坏、抗拉强度低、易开裂的普通强度混凝土(NSC)结构。与NSC开裂后的应变软化不同，开裂后的UHPC表现出应变硬化特性和多重开裂行为。这大大提高了抗拉强度和开裂后变形[3,4]。这些优异的拉伸性能得益于非连续钢纤维的加入，它可以有效地抑制裂纹的萌生和扩展，并在拉应力作用下提供额外的桥接效应。因此，UHPC的强度、延性、能量吸收能力和耐久性都得到了提高[5]。
大量研究已经证明，UHPC的拉伸性能取决于埋置钢纤维的特性，如钢纤维的体积含量、尺寸和形状[3,6 - 9]。纤维取向是影响UHPC拉伸性能的重要因素。对于单个纤维，其取向影响将钢纤维从UHPC基体中拉出所需的力(或阻力)的大小;对于分布在UHPC中的整体钢纤维，其取向会影响通过截面的纤维数量，从而影响裂纹面处的纤维桥接[10,11]。因此，控制钢纤维的分布和取向对提高UHPC的拉伸性能至关重要。在以往的研究中，已经提出了不同的方法来控制钢纤维的分布和取向。Boulekbache[12]报道纤维的取向和分布受到新混凝土的屈服应力和流变学的影响。同一研究的实验结果表明，当纤维沿拉应力方向定向时，其抗弯强度显著提高。钢纤维体积含量高(大于2%体积含量)导致和易性差的混凝土，纤维取向不充分导致分布不均匀，导致钢纤维结块，抗弯强度较弱。为了实现良好的纤维分布，Kang[13,14]在铸造过程中沿模具流动方向对新鲜UHPC中的纤维进行定向。尽管上述方法在实际应用中易于实现，但纤维对准效率并不高，UHPC的抗拉强度仅提高了30%左右。当大型结构[15]建造时，新鲜的UHPC通常在单个位置浇筑。由于不同的流动方向导致纤维取向的不同，使得UHPC在大结构不同部位的拉伸性能不同。Maya Duque[16]揭示了纤维取向分布的各向异性。UHPC的拉伸响应会因浇注工艺和流型而发生变化。Huang[17]开发了一种带有狭窄水平通道的L型装置来控制新鲜UHPC的流动。发现纤维取向因子增加。与直接铸造的试样相比，其力学性能得到了显著提高。Roy[18]为新的UHPC使用了一个倾斜的窄通道，以实现更精确的纤维定向控制。该方法具有较高的调直效率，但要求UHPC具有良好的可加工性，限制了其应用。此外，Ru[19]利用钢纤维的磁性，通过控制强度的电磁场来改变UHPC钢纤维的取向。该方法进一步提高了纤维对准的效率。UHPC的抗拉强度提高100%以上。然而，用于产生上述电磁场的仪器的复杂性和成本增加了总体成本和自由度(或不确定性)。这种方法的程序也很繁琐和费时。
测量纤维在UHPC中的取向有助于理解纤维在UHPC中的分布特性。常用的测量方法包括图像分析、透射x射线摄影和AC-IS[20,21,22,23]。虽然图像分析破坏了样品的原始结构，但它的实现简单可靠。利用图像分析技术对UHPC中的纤维取向分布进行了广泛的研究。Ferrara[24]在一张图片中将这个部分分成几个单元格。获得了截面上不同细胞纤维取向分布的详细数据。讨论了截面上不同位置纤维取向分布的差异。Kang[12]得到了UHPC试样在纤维对准前后三段的纤维取向分布。这三个部分互相垂直。然而，作者并没有分析影响纤维取向的具体影响因素。Huang[14]利用图像分析研究了水胶比和纤维对准对UHPC截面纤维取向分布的影响。但是，他们没有分析纤维对准前后的纤维取向特性。上述图像分析的共同特点是用一个简化的系数来描述纤维取向分布的特征。同时，遗憾的是，没有通过截面上的纤维取向分布来计算UHPC中整体的纤维取向分布。
虽然有很多文献提出了在UHPC中实现纤维对准的方法，但如前文所述，这些方法有一定的局限性。此外，纤维对准对UHPC拉伸性能和纤维分布(取向和位置)的影响尚未得到充分研究。因此，需要进一步的研究。本文针对因纤维含量高而导致流动性不足的UHPC，研制了一种具有振动效应的改进装置，进一步放宽了纤维调直的限制条件，提高了纤维调直的有效性。本文进行了弯曲和拉伸试验。研究了纤维取向对UHPC拉伸力学性能和破坏机理的影响，研究了纤维取向对UHPC拉伸力学性能和破坏机理的影响。提出了一种详细的图像分析方法，以尽可能准确地获取纤维取向信息，并进一步分析纤维对准对UHPC中纤维分布的影响。
2.对准UHPC基体中的钢纤维
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