【讲座回顾】面向可持续建造的超高性能纤维增强混凝土

导读

华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第六十三期，我们邀请到来自加拿大麦吉尔大学土木工程系的助理教授邵毅为大家带来“面向可持续建造的超高性能纤维增强混凝土”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文。

混凝土作为消耗量最大的建筑材料，约占全球碳排放量的8%。传统混凝土结构容易开裂、剥落和钢材腐蚀等问题严重影响着结构的韧性和耐久性，为此需要通入巨大结构修复费用，而超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）结构得益于致密的微观结构，可以有效地控制混凝土开裂。与传统混凝土相比，UHPFRC表现出优越的力学性能、损伤容限和耐久性，但钢筋增强的UHPFRC结构构件通常表现出比钢筋混凝土更小的弯曲延展性。这种延展性降低的原因以及钢筋与UHFPRC之间的相互作用尚未完全了解，这对于确保UHPFRC结构的安全性和激发UHPFRC的创新应用具有重要意义。在本次讲座中，邵老师主要从UHPFRC的材料组成及性能、UHPFRC梁的结构表现和设计、轻量及可持续UHPFRC梁三个方面进行了介绍。

01

超高性能混凝土（UHPC）与传统混凝土十分相似，主要由骨料、胶凝材料、水以及化学添加剂组成，但二者亦有些差别。首先，它不含有粗骨料，因此不会出现粗骨料与水泥基材料交界面处性能弱的问题；其次，UHPC的水灰比较低，这样可以减少混凝土中的自由水使其更加密实；最后，UHPC基于最大堆积密度理论设计，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积。因此，UHPC是一种非常密实的材料，可以最大限度地减小塑性缺陷，表现出极好的耐久性和抗氯离子渗透性能。UHPC中通常含有2%的不连续短纤维，这使它具备十分优秀的力学性能，如较高的抗压强度、弹性模量和延性等。但是超强的材料性能是否可以带来优异的结构性能表现呢？实则不然。对一组由普通混凝土和UHPFRC制成的钢筋混凝土梁进行力学加载实验后发现：UHPFRC梁的延性比普通混凝土差，结构更早地表现出失效。因此邵老师研究的第一个问题是UHPFRC梁过早失效的原因以及如何提高其延性？此外，由于钢纤维在UHPFRC混凝土的材料成本和碳排放量中的占比均很大，第二个问题即是否可以通过降低纤维含量来节约成本和降低碳排放？

02

针对UHPFRC梁过早失效的问题，邵老师通过一系列试验及有限元模拟对其进行了探索，在本节他主要围绕钢筋增强的UHPFRC梁结构力学性能和设计方法展开，通过28个试验，考虑配筋率和纤维体积率的影响，提出的设计方法包括破坏模式，最小配筋率和抗弯强度。首先，邵老师对比了素UHFRPC梁在纤维体积率影响下的弯曲响应，发现随着纤维提及率的增加，UHFRPC梁的延性下降。对比相同纤维体积率下不同配筋率UHFRPC梁的弯曲响应，0.96%配筋率的梁在开裂后立即失去弯曲承载力，其破坏模式表现为一条位于跨中的贯通裂缝；而2.1%较高配筋率的梁在开裂后可以继续承载，直至钢筋断裂破坏。因此，即使在材料层面，UHPFRC是延性非常好的材料，但是在结构中，仍需要钢筋发挥一定的作用帮助UHPFRC实现其优越的延性性能。邵老师进一步对比了两种钢筋配筋率的UHPFRC梁在峰值荷载下的行为。在峰值荷载下，0.96%配筋率UHPFRC梁最大裂缝宽度为0.3mm，纤维的拉结作用开始失效，受压区混凝土应变为0.2%，仍处于弹性段，受拉侧钢筋屈服；2.1%配筋率UHPFRC梁最大裂缝宽度为3.6 mm，纤维的拉结作用基本失效，受压区混凝土应变为0.8%，处于软化阶段，受拉侧钢筋到达硬化阶段。接着，邵老师分析了配筋率为0.96%情况下，减少纤维体积率对UHPFRC梁受弯力学性能的影响。随着纤维体积率的下降，UHPFRC梁开裂时的抗弯承载力逐渐减小，但其破坏模式从单条裂缝变化为多条分布裂缝，且破坏位移增加160%。根据实验结果，邵老师总结了UHPFRC梁的两种弯曲失效模式，通过减少纤维体积率或者增加钢筋配筋率，可以使UHPFRC梁的破坏模式从开裂后即失效变为应变硬化后失效。

随后，邵老师提出了UHPFRC梁失效路径的预测方法、最小配筋率和抗弯强度计算方法。邵老师定义钢筋应变硬化承载力与UHPFRC抗拉强度的比值为系数ω，通过ω的值判断UHPFRC梁的失效路径，该预测方法能很好的与试验结果吻合。

现有的JSCE对钢筋增强UHPFRC梁的抗弯承载力计算方法是在ACI规范对普通钢筋混凝土抗弯承载力计算方法的基础上，考虑UHPFRC对混凝土抗压和抗拉强度的贡献提出的。但是这种通用的计算模型不能很好反映钢筋增强UHPFRC梁的两种破坏路径。因此，邵老师根据两种破坏路径，分别建立了计算钢筋增强UHPFRC梁抗弯承载力的计算模型。

03

在最后部分，邵老师向我们介绍了如何利用超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)材料进行轻质可持续梁构件设计的应用研究。很多研究人员提出了不同的UHPFRC梁设计理论，例如，对比常规混凝土梁，在相同的矩形截面中，通过利用UHPFRC的高抗拉强度，以减少受拉区钢筋用量，进而减少截面配筋率的做法；还有，一些研究报告中提出在UHPFRC梁中采用与传统混凝土梁相近的截面配筋率，利用UHPFRC的高抗拉强度，来减少截面面积和受拉区钢筋用量。但这些做法似乎都没有得到显著的提升效果，以及如何充分利用UHPFRC具有的高耐久性，增强生命周期性能的同时显著降低碳排放。因此，邵老师提出了一种UHPFRC梁的新设计理念：利用UHPFRC的高抗压强度、抗劈拉强度、高抗腐蚀性能、密实的微观结构和优越的裂缝控制性能，在允许的更高配筋率下，保持受拉区钢筋用量相近或者更少，通过减少纤维掺量、大幅减少梁截面尺寸（梁宽变小）的做法进行轻质可持续设计。但减少纤维掺量，会增加UHPFRC开裂的可能，进而影响使用寿命。针对设计理论验证和纤维掺量的影响两个问题，邵老师进行两阶段的研究，首先是对比研究具有不同设计理念和不同纤维掺量的R/UHPFRC梁的非线性有限元分析和全周期碳足迹评估；其次是选择具有不同纤维掺量的R/UHPFRC梁的使用寿命的非线性有限元分析和腐蚀分析。

首先是进行非线性有限元分析，邵老师通过在DIANA-10.5软件中建立2D有限元模型，UHPFRC的受拉行为考虑为三线性模型，受压行为是非线性上升段和线性下降段，提出的有限元模型将验证不同纤维掺量和配筋率的UHPFRC梁的初始刚度、屈服点、开裂模式、极限强度和延性。然后是进行全周期的碳足迹评估，采用名为GreenConcrete LCA的软件，该软件可以考虑混凝土生产的不同阶段中原始材料、运输中以及不同方面的碳排放。其次是进行腐蚀分析，需要执行4个步骤：1）进行有限元模型的结构分析，评估裂缝模式，2）然后进行钢筋上的氯离子扩散分析，3）从而进行有限元模型的腐蚀分析，并进行锈蚀体积膨胀计算，4）将膨胀力再作用与结构分析的有限元模型中，重复执行该分析流程，以评估UHPFRC梁在极端环境下的开裂行为，得到全生命周期的评估。最后是验证所提理论的适用性和模型的有效性，邵老师进行了5组试验验证，通过分别改变UHPFRC梁的纤维掺量、梁宽、受拉区钢筋和配筋率，并设置不掺纤维的钢筋混凝土作为对照组。

研究结果表明：从材性试验结果来看掺纤维的UHPFRC的弹性模量、抗压强度、抗压断裂能、抗拉强度、受拉应变和抗拉断裂能均明显好于混凝土，纤维掺量1%的UHPFRC的抗拉强度、受拉应变和抗拉断裂能小于2%的纤维掺量。从有限元模型显示的失效模式和裂缝分布来看，混凝土梁在屈服后受压区压碎破坏，而具有低配筋率（0.46%）高纤维掺量（2%）的UHPFRC梁在局部开裂后失效，峰值荷载后不再引起局部裂缝。随配筋率增加，UHPFRC梁在钢纤维断裂后顶部受压区压碎而失效。从力-跨中挠度曲线可以看出，UHPFRC梁的初始刚度明显大于配筋率1.66%的钢筋混凝土梁，除了配筋率为0.46%的UHPFRC梁，更高的配筋率和掺纤维的情况都具有非常好的位移延性。从碳排放分析结果来看，纤维掺量为2%配筋率为0.46%的UHPFRC梁的碳排放高于等截面的钢筋混凝土梁，但按照邵老师提出的理论减小梁截面面积，增加配筋率和减少纤维掺量的设计却大幅降低了碳排放，这里面主要包含的是水泥碳排放量和钢纤维碳排放量的减小。值得注意的是，随着梁截面面积减小，其自重也显著减小了。最后选择碳排放最低、结构延性最好的UHPFRC梁和钢筋混凝土梁进行腐蚀分析，从裂缝宽度随时间的变化的预测结果来看，UHPFRC梁的开裂程度远小于钢筋混凝土梁，预测使用寿命可以达到钢筋混凝土梁的20倍。

因此，邵老师提出的UHPFRC梁设计理念可以实现在减少钢纤维掺量（从2%到1%）、减小截面尺寸和提高允许配筋率的情况下，同时提高结构性能和使用寿命性能，满足轻质和减碳的可持续性需求。

总结

邵老师的研究基于钢筋增强的UHPFRC结构，通过弯曲失效路径的预测方法、最小配筋率和弯曲强度预测等方法，提出了钢筋增强的UHPFRC梁的失效机制和最新开发的设计方法，给现有研究提供了很好的参照和思考。这些新方法指导了下一代钢筋增强的UHPFRC梁的设计，降低了初始成本和碳排放，同时提高了当前钢筋增强的UHPFRC梁的强度和延展性。

END

相关论文请到邵老师主页下载：

https://www.shao-lab.com/

讲座录播链接：https://b23.tv/5rg8Rfa

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠