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采用超高性能混凝土面板的混凝土空心板的抗弯性能研究
摘要：在本文中，介绍了一种中空板坯型构件的新混合结构，其中普通硅酸盐水泥混凝土的中空芯层夹在钢纤维增强的超高性能混凝土的顶层和底层之间，文章探讨了其结构的密实情况。对于没有任何传统钢筋加固的梁型试件，已经确认了其有足够的弯曲强度。其结构行为特征是峰值荷载几乎呈线性响应，随后在下降负载下具有增加挠曲的后裂化软化现象。本文将研究采用超高性能混凝土面板的混凝土空心板的抗弯性能。
关键字：超高性能混凝土；混合结构；空心板；抗弯强度；剪切强度
1 引言
超高性能混凝土（UHPC）是一种新型的水泥基材料，在纳米和微观尺度上进行优化后有着相比传统混凝土的优异的材料耐久性。大量的研究工作一直致力于研究各种材料和持久性属性的UHPC与钢纤维增强的UHPC。参考文献[1-22]可以作为这些作品的代表性样本。研究人员强调了UHPC的优异材料强度和耐久性。参考文献中对钢纤维的试样尺寸和分散方向的影响进行了研究。参考文献[23-26]突出了UHPC拉伸强度对钢纤维分散和取向的依赖性。尽管UHPC具有优越的材料特性，但其实际应用由于其施工成本因素导致其应用较少。这就导致了UHPC必须实现自己的创新应用，参考文献[27]中Perry和Zakariasen报道了首次使用UHPC作为火车站雨棚，参考文献[28]中Graybeal首次提出了在公路桥梁中使用UHPC。参考文献[29-31]报道了其在桥梁中的应用，参考文献[32-35]中已经探讨了使用UHPC和普通混凝土或木材组合的混合结构。参考文献[36]中Azad和Hakeem提出了使用UHPC钢筋作为混凝土梁抗拉强度的概念。
超过25MPa的抗弯强度的钢纤维增强UHPC提供了其在抗弯构件的表面张力上使用，并且可以避免传统钢筋的需要。研究人员已经尝试发展使用钢纤维增强UHPC作为板坯的顶层和底层并用于建筑物的中空混合板，其中有普通波特兰水泥混凝土的中间夹层，称为普通混凝土（NC）（图1）。其可以不使用钢筋，仅依靠UHPC底层的抗弯强度。这种用于商业应用的混合部分的制造需要调查以探索经济高效的制造工艺，包括使用预应力，这对中空板是常见的。参考文献[37]中Cuenca 和 Serna研究了作为参考纤维混凝土制成的预应力空心板。
图1 混合空心试样的截面
这项工作的主要目的是通过实验研究来探索这种新的地板结构的概念，其中对混合空心梁型试样进行了测试，以检查其结构性能和反应。在本文中，提出了这一探索性研究的结果，强烈建议提出的混合动力结构是设计单向预制楼板单元的有吸引力的替代方案，值得进一步的研究和探索。
2 实验程序
实验工作涉及了二十四个混合中空梁型试件的铸造和试验，以观察梁型的弯曲强度、行为和失效模式。并且试验过程中不使用钢筋加固来提供其拉伸强度。
2.1样品尺寸
五组中空心标本检查通过考虑两种不同的跨度的长度，三种不同深度和两种情况下的空心部分。每个组的标本的横截面如图1所示，如下：（i）260times;140毫米（宽times;深度）和两个圆形空洞；（ii）与两个圆形孔洞330times;175毫米；（iii）390times;200毫米和两个圆形的空洞，（iv）380times;140毫米和三个圆形的空洞，和（v）没有空心的260times;140毫米（固体部分）。
组（i）到组（3），两个长度，1000和1200毫米，被用于两个不同的跨越长度，所有的部分都不改变UHPC层的厚度（20毫米的顶层和30毫米的底层）。跨高比是：组1的6.42和7.86，组2的5.14和6.28，组3的4.5和组4的5.5和7.86。深度的剪跨比为a / D =（L / 2 - 125）/ D，组1的2.32和3.03，组2的1.86和2.43，组3的1.60和2.13，组4的3.03。对于所有样品，a / D比大于1.5。当然，L / D和A / D比值不足以确保所有样品的弯曲失效。处理和铸造较长跨度试件的困难限制在较长的试样中，表1显示了试样的尺寸和使用数量。对于表1所示的试样的名称：字母“S”表示1000mm的较短长度（例如HC-A-S1），“L”表示长度为1200mm的长度（例如HC-A-L1）。
表1 试样及尺寸
2.2混合设计
UHPC的混合设计应该在当地开发和优化，其每立方米构成如下：ASTM I型波特兰水泥900kg，微细二氧化硅220kg，细砂980kg，钢纤维157kg（约6.3wt％的UHPC），超增塑剂40.3kg（Glenium 51）和水168kg（代表水粘合剂 比例为0.15），钢纤维的直径为0.15mm，长度为12.7mm，拉伸强度为2500MPa，UHPC混合设计通过在40times;40times;160mm棱镜上测试确定的平均气缸抗压强度为约160MPa，弯曲拉伸强度为约25MPa [38]。
NC的混合比例为350 kg / m3，粗骨料1092 kg / m3，细骨料729 kg / m3，水184.4 kg / m3（相当于水泥比为0.5），产生平均气缸抗压强度约40MPa。所使用的粗骨料的最大尺寸为12.5毫米（1/2英寸），以确保完全填充和固结NC周围的孔洞。
2.3混合标本的铸造和固化
所有标本均采用相同的UHPC混合物制备并遵循相同的铸造程序，一个样本分两个阶段。 在第一阶段，UHPC的顶部和底部面被铸造在两个分开的模具中，UHPC层的暴露顶表面被有意地粗糙化，以提供与填充物更好的具体粘结。UHPC在脱模24小时后，然后在90℃的热处理下固化2天，热处理可以快速增益超高压强度。
为了在第二阶段铸造完整的部分，将两个UHPC面放置在具有NC所需的中间空间的模具中，其中粗糙表面面向内部用于粘合，根据需要用纸或聚苯乙烯泡沫塑料将两根或三根圆形管放置在模具中以构成孔（图2）。具有UHPC面的模具和孔的形状被牢固地保持直立，然后通过将NC混合物浇注到垂直模具中来完成填充。1天后，从该部分移除空隙部分。每个试样水固28天。 图3示出了在脱模后完成的混合样品的视图。
图2在铸造普通混凝土之前将模具放置在模具中
2.4标本试验
所有样品在四点弯曲试验（图4）中用跨度L进行测试，如表2所示，使用跨越整个宽度的线支架。通过Instron试验机施加的载荷P单调增加直到失效，在测试之前，样品在中间跨度处在样品的顶部和底部安装应变计以记录应变（图5）。
安装了六个应变计：一个在顶面，两个沿深度间隔三分之一深度，三个在底面横跨宽度，将张力面的三个应变读数的平均值作为代表性测量应变。在不同高度测量应变的目的是验证中性轴的位置，并将测得的法向应力与计算值进行比较。此外，在中跨处使用LVDT来记录偏转（图5）。每个样品上的负载P以0.5mm /分钟的负载率增加，记录不同负载水平下的应变和挠度。记录每个试样的破坏负荷和破坏方式。
图3混合空心试样
图4四点弯曲试验
图5仪器用于测试标本
3结果与讨论
3.1换算截面属性
对于试样中的应力计算，使用变形截面性能，因为应变和挠度的测量显示出高达峰值负载Pu几乎线性的行为（样品上的每个点载荷= Pu / 2）。在低于Pu的一定负载水平下，由于其拉伸度要小得多，因此NC会破坏强度高于UHPC，使用弹性模量值计算裂纹混凝土截面的变形截面性能，UHPC混凝土Ec = 30GPa， Eu = 55GPa，因此模量比Eu / Ec = 1.833。表2显示了换算截面段的性质。
表2破裂混凝土换算截面属性
3.2破坏时的承载能力和拉伸应力
表3给出了三组相同样品的失效载荷值Pu和相应中跨挠度值，在大多数情况下，一组中Pu的三个值的变化小于12％。对应于Pu的UHPC层的顶面和底面的最大弯曲应力使用每个试样的裂纹混凝土转化段截面模量（表2）的值计算，其值如表3所示。压缩应力显示为负值。屈服弯曲试样的计算出的最大拉伸应力为9.5至17.6 MPa，显示出具有相同混合设计的UHPC的范围。由于拉伸应力达到UHPC的弯曲拉伸强度，由40times;40times;140mm棱镜的弯曲试验确定为25MPa，因此，预计在故障载荷下计算的拉伸应力应稍微接近 至25MPa。这个明显的缺陷可归因于两个原因：一个是在样本的宽度和跨度方面的尺寸效应。由于拉伸强度取决于钢纤维的分散和取向，所以纤维分散体的均匀性远小于用于棱镜的较小、较窄部分的较宽、较长的部分。另一种是在将较大量的原料与纤维混合，并在铸造较大尺寸的UHPC样品时存在的不可避免的变化。由于纤维分散和取向的随机性以及尺寸效应而导致的样品的真实弯曲拉伸强度的不确定性[23–26]。也是纤维增强UHPC建设中最具挑战性的问题。由于预期的弯曲拉伸强度的变化很大，混合超高压段的设计将不可避免地需要更大的安全系数来提高可靠性。
表3测试数据和破坏负载下的计算应力
对于较长的跨度试样，由于较高的弯矩，故障模式总是弯曲。对于组（i），试样失效的试样平均计算的底部拉伸应力为16MPa，组（ii）为11MPa，组（iii）和（iv）为12MPa， 每组平均强度约为10％。卷材剪切失效的试样（失效模式后面讨论）显示底面的拉伸应力为10.0至16.3 MPa。然而，过早的剪切破坏阻止了试样达到挠曲破坏载荷。
对于具有两个孔的组（i）中的样品和对于L = 900mm的没有孔的组（v）中的样品的Pu的比较可以用于显示孔洞的影响。由于孔使剪切部分较弱，组（i）中HC-A-S1和HCA-S2两个试样在剪切中失效。然而，组（v）标本不是这样，因为与具有孔的那些相比它们都失效了，它们的剪切强度高得多。
3.3沿深度方向的应变分布
观察到P与Pu的测量纵向应变之间的比例表明，中空芯样品的线性行为实际上可以假定为破坏，并且在构建混合样品时实现了NC和UHPC之间的静态负载的充分粘合。使用中跨的测量应变在所有样品的深度上产生应变分布，并识别中性轴的位置。作为对整个深度的应变曲线的典型描述，样本HC-A-L1和HC-A-S1的用于各种负载水平下的测量应变如图6和图7所示。所有其他试样的应变分布见参考文献[38]。可以进行两点观察：（i）整个深度的应变分布是在所有负载水平下相当线性，意味着平坦段的假设保持平面有效，（ii）基于应变的最佳拟合曲线，中性轴随负载增加而向上移动。中性轴的移动是由于截面从完全未裂纹转变为裂纹混凝土部分而引起的。在小于NC的开裂载荷的载荷下，整个混合段保持未裂纹，并且截面的中性轴线保持不变，直到NC底部出现裂纹。由于NC的抗拉强度较弱，因此在荷载下比较小的数控裂纹，混凝土的张力强度的损失导致了中性轴向上移动。对于未破裂的样品HC-A-L1，与从P = 12kN的应变的最佳拟合图观察到的约77mm相比，中性轴位于距离顶部约74mm的深度处（图6）。从破裂的变形部分，中轴的计算深度与顶部为71mm（表2），而在负载水平附近观察到的测量深度接近破坏负载约为73 mm。对于网幅剪切失败的较短跨距试样HC-A-S1，从顶部开始的NA的测量深度为约71.0 mm，与计算值密切相关。
使用变形特性，将应变的测量应力与由挠曲公式计算的理论值进行比较[38]。将顶部和底部的拉力转化为使用Eu = 55GPa的应力。在所有负载水平上都应该注意一致，这意味着对于所有实际目的，变换部分可用于计算中性轴深度、弯曲应力和弯曲破坏载荷。
应该强调的是，尽管使用有意粗糙化的表面在UHPC和NC之间获得更好的粘结，但对于这项工作中使用的静载荷来说，它们的充分性需要进一步的研究。对于非地震区住宅楼层的设计或不存在动载荷的场合，重复载荷不是一个问题，因此在这种情况下，建议混合地板的施工方式应在结构上足以确保复合作用。
图6 HC-A-L1深度的应变曲线
图7 HC-A-S1深度的应变曲线
3.4加载挠度图
图8和9显示了作为典型表示的两个测试样本HC-A -L1和HC-A-S2的载荷—挠度曲线，捕获上升和下降载荷路径。所有其他标本的图见参考文献[38]，本质上是描绘的类似的负载 – 挠度响应。弯曲失效的软化模式意味着非脆性破坏，具有比峰值载荷小的断裂后强度。底峰强度的较小值归因于UHPC层内的渐进裂纹扩展。UHPC的未裂纹韧带和未拉出裂缝的钢纤维桥接有助于残余弯曲强度。
从负载挠度图中，进行了以下两个观察：
（1）载荷—挠度图的上升部分可以被认为近似线性，几乎达到故障载荷Pu。
（2）取决于纤维取向和桥接前进裂纹的纤维量，一些样品可以显示出小的裂纹后加强，导致在或多或少的恒定Pu（图8）增加的偏转，并且一些样品可能不会随着它们的下降路径开始几乎立即到达Pu。无论存在较小的硬化或粘结硬化，钢纤维增强UHPC的故障始终发生在其峰值载荷下逐渐软化的特征。
图8 HC-A-L1载荷—挠度图
图9 HC-A-S1载荷—挠度图
3.5失效模式
试验目睹了两种基本的失效模式：（i）弯曲破坏和（ii）对角网状剪切破坏。从表3的试验数据可以看出，组（ⅰ）至组（ⅳ）中具有相同横截面和较长跨度（L = 1100mm）的样品除了（ⅴ）组中的那些试样外还显示挠曲失效具有较短的跨距900mm（图10）。然而，如图11所示，组（i）至（iii）中的大部分较短的跨距试样（L = 900mm）在对角网幅剪切破裂中失效。
网剪切破坏发生在剪切跨度内的对角裂纹的发展，如图11所示，该
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