超高性能混凝土（UHPC）是一种具有高强度、高韧性、高耐久性、高密实性和高流动性等特点的混凝土材料，它在桥梁、建筑、隧道等领域有着广泛的应用前景。然而，UHPC的性能很大程度上取决于其纤维的掺量和分散度，这两个因素又受到原材料、搅拌方法、浇筑方式等多种因素的影响。因此，为了保证UHPC的质量，需要进行有效的拉伸试验，以评估其抗裂能力和韧性。
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超高性能混凝土（UHPC）双冲测试的改进版及其质量控制应用
大家好，感谢大家。我的报告主题是超高性能混凝土（UHPC）质量控制中开发的一种双冲试验的改进版本。首先，我要声明一点，我们只想将此方法用于质量控制。市面上有很多优秀的拉伸试验，可以提供极好的应力-应变信息，我们认为这些试验非常适合初始混合料的鉴定。我们设想，这种试验更适合用于质量控制，例如，在现场进行混合后，需要确保结果与已鉴定合格的原始混合料的预期结果一致。
简而言之，双冲试验的目的是重复强调，我们希望将其用于UHPC的抗拉强度，因为这显然是一个重要的参数，普通混凝土不具备相同的特性，并且我们希望改进劈裂圆柱体试验，该试验是我们所看到的普通混凝土质量控制拉伸试验。但它存在一些问题：它不能提供开裂后的强度指标，只能提供一个值；而且由于劈裂圆柱体试验中开裂区域处于压缩状态，纤维增加了摩擦力，使纤维在混凝土中结合得更紧密，因此得到的应力比实际应力要高。但我们喜欢劈裂圆柱体试验的一点是，它成本低廉，几乎所有实验室都具备执行该试验的设备。因此，在寻找UHPC试验时，我们希望保留这一点。
我们研究的是双冲试验。这项试验在其他一些国家已经使用过，我们参考了西班牙的规范，有时这项试验被称为巴塞罗那试验，因为它在西班牙使用。该试验使用两个冲头，一个在上，一个在下，它们是小型的钢圆柱体，压入混凝土中，形成所谓的破坏锥。混凝土通常呈锥形断裂，随着继续压缩，混凝土锥体将剩余的混凝土推出，产生的裂纹如下所示。在混凝土的外围区域发生拉伸破坏，由于混凝土锥体向外推压，形成垂直裂纹。右侧显示了该试验的装置。
在研究这种试验方法时，我们希望对其进行修改，就像我说的那样，使其类似于劈裂圆柱体试验，任何实验室都可以进行该试验。因此，我们希望进行的两个主要修改是：能够在标准的压缩试验机上运行它；以及使用低成本的数据采集方法。我们想看看，当我们进行这些修改时，我们需要控制哪些参数，以及我们改进后的双冲方法是否与其他方法（例如FHWA进行的直接拉伸试验和ASTM C1609挠曲试验）具有良好的相关性。
我们的第一个修改是使用压缩试验机。在我们的试验方法中，原始试验使用位移控制速率，但大多数实验室，特别是区域性的交通部门实验室或可能需要进行这种质量控制试验的实验室，都没有配备具有位移速率控制或闭环位移速率控制的试验机。因此，我们想看看我们的压缩试验机提供的加载速率是否与位移速率相关。您可以看到该图，在较低的加载速率下，我们得到了相当好的相关性。一旦速度加快，相关性就不那么好了。但是，我画上了橙色的线，因为0.5毫米/分钟是西班牙规范使用的值，这使我们的结果处于线性区域，并且与我们的压缩试验机中略低于400磅/秒的数值相关。
第二个修改是使用大多数实验室都能获得的设备来测量位移。原始方法使用所谓的链式引伸计，您可以在右侧图片的试样中心看到它。这是一种非常昂贵的设备，我们认为许多实验室都不愿意购买。因此，我们转向了垂直位移。我们在文献中发现，许多其他研究人员已经做过这项工作，他们比较了我们所说的圆周位移或膨胀与垂直位移，并发现两者之间存在良好的关系。因此，其他一些人已经说过，垂直测量是可以的。我们使用了四个弦电位计，发现四个电位计的结果差别不大，因此我们改用一个，即一个千分尺，因为我们注意到，弦电位计仍然需要一个数据采集系统，该系统需要连接到计算机，并且可能需要编写代码才能将弦电位计的值转换为位移。对于许多实验室来说，这是一个比较困难的步骤，我们只想使用一个千分尺，它非常便宜，而且非常容易实施。但这样做会损失连续数据。弦电位计连接到计算机，我们的试验机也必须连接到计算机，这为我们提供了应力与位移的良好曲线。但是，当我们使用千分尺时，它不会持续记录数据，需要有人记下千分尺的读数以及试验机的读数，因此得到的是离散点，这导致的结果没有完全捕捉到整个曲线，但它抓住了总体趋势。我们想看看，弦电位计的连续数据和千分尺的离散点之间这两个读数的差异有多大。因此，我们测量了这两个数据的韧性，这只是计算曲线下的面积。我们使用多个不同的位移间隔进行了这项工作。图中显示的是每0.025英寸一个点，我们还做了每0.05英寸一个点和每0.01英寸一个点的测量，以查看我们需要多频繁地采集这些数据。
这是连续数据和千分尺离散点数据的比较。我们发现，在之前显示的0.025英寸处，平均差异为0.55，这相当不错。在22个试样中，最坏的情况是韧性计算的误差为1.5。我们认为，对于质量控制试验来说，误差这么大是可以接受的，因此我们继续使用千分尺，而不是更复杂的数据采集方法。
在查看参数时，我已经谈到了韧性，这是一个我们结果的典型例子。我们还查看了最大应力，然后查看了开裂后应力，因为一些可能没有得到很好加固的混凝土可能会得到一个良好的最大应力，然后强度会立即下降。因此，我们希望指定一个足够好的开裂后位移，以便我们可以测量试样在最高值之后的性能。
接下来，我们研究了试验方法的稳健性。稳健性研究考察的是一个程序，以及对程序进行小的更改将如何影响结果。以下是我们进行的四种不同的更改：我们查看了试样的不同浇筑方法；表面粗糙度，即我们是否用圆柱磨床磨平了试样的顶部；加载速率；记住，正如我所说，大约400或略低于400与规定的位移速率相关；以及冲头在顶部的居中情况。当我们进行统计分析时，我们发现，这些因素中只有浇筑方法很重要，而且它非常重要。我有99%的置信区间，但我回头看，实际上是99.9%的置信区间表明浇筑方法有差异。我们发现，用铲子填充的试样的抗拉强度远高于用桶填充的试样。我把填充方法分为慢速和快速两种，因为我们在实验室里用铲子填充试样确实需要很长时间。我们认为，这种自密实混凝土正在流动以填充模具，当混凝土水平流动时，混凝土中的纤维也在水平流动，我们可能会得到纤维在水平方向上的优先排列。因此，当形成垂直裂纹时，水平的纤维更有可能与这些裂纹相交，你会得到更好的性能。我们通过进行CT扫描来测试这一点，CT扫描是对我们的一些混凝土样品进行的三维X射线成像。用铲子填充的试样在左边，用桶填充的试样在右边。我们对纤维进行了颜色编码。这些扫描只显示了纤维。我们根据方向对纤维进行了颜色编码。在这些图片中，任何红色的都是水平纤维，任何蓝色的都是垂直纤维，绿色的则介于两者之间。您可以清楚地看到颜色上的差异，铲子填充的试样中红色的纤维多得多，这正是我们预测的。
然后，我们想看看这与FHWA的直接拉伸试验的相关性如何。这是UHPC拉伸试验的金标准。我们希望确保我们能得到良好的相关性。因此，我们查看了两个试样的韧性和开裂后强度，结果表明两者都具有良好的相关性。
然后，我们进行了一项环比研究。我们选择了佛罗里达州的八个实验室，给他们提供了三个1.5%纤维含量和三个2.5%纤维含量的样品，让他们为我们进行测试。这是数据的分布情况，这里显示了24个1.5%纤维含量的样品和24个2.5%纤维含量的样品。这是实验室平均值，每个实验室做了三个，我们取平均值并绘制出来。当查看实验室平均值时，你会发现重叠少得多，尤其是在峰值应力数据中。如果我们在佛罗里达州使用这项规范，我们将让一个实验室至少进行三次测试，然后取平均值进行报告。
这些是试验的变异系数。左边的数字显示的是所有24个样品的变异系数，右边的数字是每个实验室平均值的变异系数。您可以看到，平均值的数值较低。为了进行比较，ACMC 1609报告的峰值强度的变异系数为9.2%，底部的数值是它们的韧性参数，变异系数为17.3%。我们在该范围内，但请注意，ASTM C69是单操作员的，而我们的则是不同的操作员和不同的机器。此外，C1609的不是UHPC，可能是用于该试验的纤维增强混凝土，因此这不是一个完美的比较，但我们在同一个数量级。
总而言之，这与UHPC的整体拉伸试验的关系是，我们真的想要测量韧性和延展性，这种试验方法确实提供了这一点，这使得它比劈裂圆柱体试验有了很大的进步。正如我们所展示的，改进后的双冲试验易于进行，我们培训了本科生在实验室进行这项试验。当然，我们的本科生并非没有经验，但他们能够胜任这项工作。在环比研究中，我们让每个人在进行一到两次练习试样后，就掌握了要领。它不需要大量的资金或设备升级就能进行，这对佛罗里达州来说非常重要，因为我们希望所有区域交通部门实验室都能在其区域有UHPC项目时进行这项试验。我们看到混合料之间有很好的区分，并且与FHWA直接拉伸试验有良好的相关性。然后，我展示了变异系数，它们与我们在ASTM C1609中看到的结果相当吻合，这也是一项非常好的试验，但它确实需要位移速率，并非每个人都有可以做到这一点的机器。它还需要LVDT，也就是需要数据采集系统。与C1609相比，这项试验所需的特殊设备较少。
因此，我们给佛罗里达州交通部提出的建议是，我们可以使用这种混合料进行质量控制，但我们仍然希望用直接拉伸试验或ASTM C1609来鉴定混合料。
最后，我要感谢佛罗里达州交通部以及向我们捐赠材料的公司，感谢所有帮助我进行混合以及参与试验的实验室。我没有列出所有实验室，但包括佛罗里达州交通部材料实验室和结构实验室，以及区域实验室1、2和3，还有佛罗里达国际大学、迈阿密大学、佛罗里达州立大学和DuraStress公司也参与其中。谢谢。我们当然有时间回答观众和网上的几个问题。有什么问题吗？谢谢您精彩的报告。我对您缓慢地用铲子浇筑与快速浇筑时纤维的分布感到好奇。那么，对于样品的浇筑，您有什么建议？在实验室里，需要测试多少样品才能获得良好的可靠性？80%的变异系数有点令人担忧。如果您在同一个实验室里，由受过训练的学生进行测试，您是否会得到更低的数值？我们确实进行了一项内部研究，使用了三台不同的机器，但操作员相同，我们没有发现这些数值之间有任何统计学差异。我们建议佛罗里达州使用桶式方法，或者如果你们在规范中写明，他们可能应该使用更多的时间限制，例如试样必须在10秒内填充完毕，这样可以确保混凝土没有时间沉降。我认为，如果你们想建议使用铲子填充，那么你们需要应用某种安全系数，因为当用铲子填充时，它们始终给我们更高的数值。我认为，如果你们在现场制作试样，这些是6英寸×6英寸的圆柱体，从时间上来说，没有人会想用铲子填充它们，因为它需要很长时间。所以我认为我们会建议，它们需要在一定时间内填充完毕。谢谢。后面有一位提问者，然后前面一位。教授，我想知道，例如，在快速浇筑使用桶，慢速浇筑使用铲子时，您是否考虑了HPC的流变学特性。我假设，如果UHVC的塑性粘度足够高，那么分散性可能会提高，如果粘度较低，那么差异应该很大。是的，这是一个很好的观点，但不幸的是，我们只使用了一种混合设计，所以我认为这可能会影响混凝土纤维的取向方式。
我可能错过了这一点，但我猜我的问题是，您是否有材料标准，例如承包商需要提供某些性能特性，这是一个质量控制测试，您需要根据所需的混合料来校准这个测试，或者对所有UHPC来说都有一个神奇的数字，您要根据什么指标来衡量？我认为这是我最大的问题。当然。我们确实给佛罗里达州交通部提供了一些我们希望根据其抗压强度等级来符合的值，因为它们是不同的。因此，他们的目标是为混凝土制定不同的抗拉强度等级。我们确实比较了直接拉伸试验和该试验的峰值强度，西班牙规范中的方程在模拟峰值强度值方面做得非常好，我们认为这是一个很好的方程，可以将我们的载荷转换为应力值，因为这些是高度相关的。我们在直接拉伸试验的峰值应力值中得到了很大的变异性，这就是为什么我没有展示它，因为我们使用了大量的纤维含量范围，其中一些纤维含量为1.5%，我们在峰值应力方面得到了很大的变异性，但与冲压试验的相关性很好，为1:1。你们应该关注韧性值，你们需要达到峰值强度值，并且需要达到韧性值，这将是目标，它需要进行校准。如果你们正在进行混合料的初始批准，并且正在进行直接拉伸试验，那么与这项工作相比，进行这三个试样非常容易。我可以想象他们同时进行这两项试验，这样你们就能很好地了解你们的混合料。好的，谢谢。
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