導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第六十三期，我們邀請到來自加拿大麥吉爾大學(xué)土木工程系的助理教授邵毅為大家?guī)怼懊嫦蚩沙掷m(xù)建造的超高性能纖維增強(qiáng)混凝土”的報告。本期講座錄播鏈接見文末或點擊閱讀原文。

混凝土作為消耗量最大的建筑材料，約占全球碳排放量的8%。傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂、剝落和鋼材腐蝕等問題嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)的韌性和耐久性，為此需要通入巨大結(jié)構(gòu)修復(fù)費用，而超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（UHPFRC）結(jié)構(gòu)得益于致密的微觀結(jié)構(gòu)，可以有效地控制混凝土開裂。與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPFRC表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能、損傷容限和耐久性，但鋼筋增強(qiáng)的UHPFRC結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常表現(xiàn)出比鋼筋混凝土更小的彎曲延展性。這種延展性降低的原因以及鋼筋與UHFPRC之間的相互作用尚未完全了解，這對于確保UHPFRC結(jié)構(gòu)的安全性和激發(fā)UHPFRC的創(chuàng)新應(yīng)用具有重要意義。在本次講座中，邵老師主要從UHPFRC的材料組成及性能、UHPFRC梁的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)和設(shè)計、輕量及可持續(xù)UHPFRC梁三個方面進(jìn)行了介紹。

01

超高性能混凝土（UHPC）與傳統(tǒng)混凝土十分相似，主要由骨料、膠凝材料、水以及化學(xué)添加劑組成，但二者亦有些差別。首先，它不含有粗骨料，因此不會出現(xiàn)粗骨料與水泥基材料交界面處性能弱的問題；其次，UHPC的水灰比較低，這樣可以減少混凝土中的自由水使其更加密實；最后，UHPC基于最大堆積密度理論設(shè)計，其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積。因此，UHPC是一種非常密實的材料，可以最大限度地減小塑性缺陷，表現(xiàn)出極好的耐久性和抗氯離子滲透性能。UHPC中通常含有2%的不連續(xù)短纖維，這使它具備十分優(yōu)秀的力學(xué)性能，如較高的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和延性等。但是超強(qiáng)的材料性能是否可以帶來優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)呢？實則不然。對一組由普通混凝土和UHPFRC制成的鋼筋混凝土梁進(jìn)行力學(xué)加載實驗后發(fā)現(xiàn)：UHPFRC梁的延性比普通混凝土差，結(jié)構(gòu)更早地表現(xiàn)出失效。因此邵老師研究的第一個問題是UHPFRC梁過早失效的原因以及如何提高其延性？此外，由于鋼纖維在UHPFRC混凝土的材料成本和碳排放量中的占比均很大，第二個問題即是否可以通過降低纖維含量來節(jié)約成本和降低碳排放？

02

針對UHPFRC梁過早失效的問題，邵老師通過一系列試驗及有限元模擬對其進(jìn)行了探索，在本節(jié)他主要圍繞鋼筋增強(qiáng)的UHPFRC梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和設(shè)計方法展開，通過28個試驗，考慮配筋率和纖維體積率的影響，提出的設(shè)計方法包括破壞模式，最小配筋率和抗彎強(qiáng)度。首先，邵老師對比了素UHFRPC梁在纖維體積率影響下的彎曲響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著纖維提及率的增加，UHFRPC梁的延性下降。對比相同纖維體積率下不同配筋率UHFRPC梁的彎曲響應(yīng)，0.96%配筋率的梁在開裂后立即失去彎曲承載力，其破壞模式表現(xiàn)為一條位于跨中的貫通裂縫；而2.1%較高配筋率的梁在開裂后可以繼續(xù)承載，直至鋼筋斷裂破壞。因此，即使在材料層面，UHPFRC是延性非常好的材料，但是在結(jié)構(gòu)中，仍需要鋼筋發(fā)揮一定的作用幫助UHPFRC實現(xiàn)其優(yōu)越的延性性能。邵老師進(jìn)一步對比了兩種鋼筋配筋率的UHPFRC梁在峰值荷載下的行為。在峰值荷載下，0.96%配筋率UHPFRC梁最大裂縫寬度為0.3mm，纖維的拉結(jié)作用開始失效，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?yōu)?.2%，仍處于彈性段，受拉側(cè)鋼筋屈服；2.1%配筋率UHPFRC梁最大裂縫寬度為3.6 mm，纖維的拉結(jié)作用基本失效，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?yōu)?.8%，處于軟化階段，受拉側(cè)鋼筋到達(dá)硬化階段。接著，邵老師分析了配筋率為0.96%情況下，減少纖維體積率對UHPFRC梁受彎力學(xué)性能的影響。隨著纖維體積率的下降，UHPFRC梁開裂時的抗彎承載力逐漸減小，但其破壞模式從單條裂縫變化為多條分布裂縫，且破壞位移增加160%。根據(jù)實驗結(jié)果，邵老師總結(jié)了UHPFRC梁的兩種彎曲失效模式，通過減少纖維體積率或者增加鋼筋配筋率，可以使UHPFRC梁的破壞模式從開裂后即失效變?yōu)閼?yīng)變硬化后失效。

隨后，邵老師提出了UHPFRC梁失效路徑的預(yù)測方法、最小配筋率和抗彎強(qiáng)度計算方法。邵老師定義鋼筋應(yīng)變硬化承載力與UHPFRC抗拉強(qiáng)度的比值為系數(shù)ω，通過ω的值判斷UHPFRC梁的失效路徑，該預(yù)測方法能很好的與試驗結(jié)果吻合。

現(xiàn)有的JSCE對鋼筋增強(qiáng)UHPFRC梁的抗彎承載力計算方法是在ACI規(guī)范對普通鋼筋混凝土抗彎承載力計算方法的基礎(chǔ)上，考慮UHPFRC對混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)提出的。但是這種通用的計算模型不能很好反映鋼筋增強(qiáng)UHPFRC梁的兩種破壞路徑。因此，邵老師根據(jù)兩種破壞路徑，分別建立了計算鋼筋增強(qiáng)UHPFRC梁抗彎承載力的計算模型。

03

在最后部分，邵老師向我們介紹了如何利用超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(UHPFRC)材料進(jìn)行輕質(zhì)可持續(xù)梁構(gòu)件設(shè)計的應(yīng)用研究。很多研究人員提出了不同的UHPFRC梁設(shè)計理論，例如，對比常規(guī)混凝土梁，在相同的矩形截面中，通過利用UHPFRC的高抗拉強(qiáng)度，以減少受拉區(qū)鋼筋用量，進(jìn)而減少截面配筋率的做法；還有，一些研究報告中提出在UHPFRC梁中采用與傳統(tǒng)混凝土梁相近的截面配筋率，利用UHPFRC的高抗拉強(qiáng)度，來減少截面面積和受拉區(qū)鋼筋用量。但這些做法似乎都沒有得到顯著的提升效果，以及如何充分利用UHPFRC具有的高耐久性，增強(qiáng)生命周期性能的同時顯著降低碳排放。因此，邵老師提出了一種UHPFRC梁的新設(shè)計理念：利用UHPFRC的高抗壓強(qiáng)度、抗劈拉強(qiáng)度、高抗腐蝕性能、密實的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的裂縫控制性能，在允許的更高配筋率下，保持受拉區(qū)鋼筋用量相近或者更少，通過減少纖維摻量、大幅減少梁截面尺寸（梁寬變?。┑淖龇ㄟM(jìn)行輕質(zhì)可持續(xù)設(shè)計。但減少纖維摻量，會增加UHPFRC開裂的可能，進(jìn)而影響使用壽命。針對設(shè)計理論驗證和纖維摻量的影響兩個問題，邵老師進(jìn)行兩階段的研究，首先是對比研究具有不同設(shè)計理念和不同纖維摻量的R/UHPFRC梁的非線性有限元分析和全周期碳足跡評估；其次是選擇具有不同纖維摻量的R/UHPFRC梁的使用壽命的非線性有限元分析和腐蝕分析。

首先是進(jìn)行非線性有限元分析，邵老師通過在DIANA-10.5軟件中建立2D有限元模型，UHPFRC的受拉行為考慮為三線性模型，受壓行為是非線性上升段和線性下降段，提出的有限元模型將驗證不同纖維摻量和配筋率的UHPFRC梁的初始剛度、屈服點、開裂模式、極限強(qiáng)度和延性。然后是進(jìn)行全周期的碳足跡評估，采用名為GreenConcrete LCA的軟件，該軟件可以考慮混凝土生產(chǎn)的不同階段中原始材料、運輸中以及不同方面的碳排放。其次是進(jìn)行腐蝕分析，需要執(zhí)行4個步驟：1）進(jìn)行有限元模型的結(jié)構(gòu)分析，評估裂縫模式，2）然后進(jìn)行鋼筋上的氯離子擴(kuò)散分析，3）從而進(jìn)行有限元模型的腐蝕分析，并進(jìn)行銹蝕體積膨脹計算，4）將膨脹力再作用與結(jié)構(gòu)分析的有限元模型中，重復(fù)執(zhí)行該分析流程，以評估UHPFRC梁在極端環(huán)境下的開裂行為，得到全生命周期的評估。最后是驗證所提理論的適用性和模型的有效性，邵老師進(jìn)行了5組試驗驗證，通過分別改變UHPFRC梁的纖維摻量、梁寬、受拉區(qū)鋼筋和配筋率，并設(shè)置不摻纖維的鋼筋混凝土作為對照組。

研究結(jié)果表明：從材性試驗結(jié)果來看摻纖維的UHPFRC的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗壓斷裂能、抗拉強(qiáng)度、受拉應(yīng)變和抗拉斷裂能均明顯好于混凝土，纖維摻量1%的UHPFRC的抗拉強(qiáng)度、受拉應(yīng)變和抗拉斷裂能小于2%的纖維摻量。從有限元模型顯示的失效模式和裂縫分布來看，混凝土梁在屈服后受壓區(qū)壓碎破壞，而具有低配筋率（0.46%）高纖維摻量（2%）的UHPFRC梁在局部開裂后失效，峰值荷載后不再引起局部裂縫。隨配筋率增加，UHPFRC梁在鋼纖維斷裂后頂部受壓區(qū)壓碎而失效。從力-跨中撓度曲線可以看出，UHPFRC梁的初始剛度明顯大于配筋率1.66%的鋼筋混凝土梁，除了配筋率為0.46%的UHPFRC梁，更高的配筋率和摻纖維的情況都具有非常好的位移延性。從碳排放分析結(jié)果來看，纖維摻量為2%配筋率為0.46%的UHPFRC梁的碳排放高于等截面的鋼筋混凝土梁，但按照邵老師提出的理論減小梁截面面積，增加配筋率和減少纖維摻量的設(shè)計卻大幅降低了碳排放，這里面主要包含的是水泥碳排放量和鋼纖維碳排放量的減小。值得注意的是，隨著梁截面面積減小，其自重也顯著減小了。最后選擇碳排放最低、結(jié)構(gòu)延性最好的UHPFRC梁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行腐蝕分析，從裂縫寬度隨時間的變化的預(yù)測結(jié)果來看，UHPFRC梁的開裂程度遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土梁，預(yù)測使用壽命可以達(dá)到鋼筋混凝土梁的20倍。

因此，邵老師提出的UHPFRC梁設(shè)計理念可以實現(xiàn)在減少鋼纖維摻量（從2%到1%）、減小截面尺寸和提高允許配筋率的情況下，同時提高結(jié)構(gòu)性能和使用壽命性能，滿足輕質(zhì)和減碳的可持續(xù)性需求。

總結(jié)

邵老師的研究基于鋼筋增強(qiáng)的UHPFRC結(jié)構(gòu)，通過彎曲失效路徑的預(yù)測方法、最小配筋率和彎曲強(qiáng)度預(yù)測等方法，提出了鋼筋增強(qiáng)的UHPFRC梁的失效機(jī)制和最新開發(fā)的設(shè)計方法，給現(xiàn)有研究提供了很好的參照和思考。這些新方法指導(dǎo)了下一代鋼筋增強(qiáng)的UHPFRC梁的設(shè)計，降低了初始成本和碳排放，同時提高了當(dāng)前鋼筋增強(qiáng)的UHPFRC梁的強(qiáng)度和延展性。

END

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講座錄播鏈接：https://b23.tv/5rg8Rfa

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠