超高性能混凝土（UHPC）是一種基于最大堆積密度理論制備的高性能水泥基復合材料，通常通過添加鋼纖維來增強其機械性能和耐久性[1]。通常，UHPC的抗壓強度超過120 MPa，抗拉強度高于7 MPa[2]。UHPC中氯離子的擴散系數(shù)僅為普通混凝土的1/100。鋼纖維的加入通過纖維-基體界面的粘滑機制和/或纖維斷裂顯著提高了UHPC的抗斷裂能力[3,4]。因此，UHPC越來越多地應用于橋梁工程、海洋結(jié)構(gòu)和國防基礎設施[[5],[6],[7],[8]]。盡管有這些改進，UHPC仍然是一種準脆性材料，微裂紋和內(nèi)在缺陷可能導致應力集中和局部損傷，最終導致宏觀失效[9]。在各種斷裂模式中，I型斷裂（由垂直于裂紋平面的拉應力控制）尤其關鍵，因為它在低應力水平下容易發(fā)生脆性失效。雖然在實際的UHPC結(jié)構(gòu)中，純I型斷裂很少是唯一的失效原因，但I型斷裂韌性仍然是控制裂紋起始的基本材料屬性。因此，提高I型斷裂性能至關重要，因為它增強了UHPC的裂紋橋接和裂紋擴展抵抗能力，為抵抗實際中常見的混合應力狀態(tài)下的裂紋擴展提供了堅實的基礎，從而提高了整體結(jié)構(gòu)安全性。纖維定向是影響UHPC I型斷裂行為的關鍵參數(shù)。因此，為了充分利用UHPC中鋼纖維的增強潛力，研究具有可控纖維定向的UHPC的I型斷裂行為是必要的。
鑒于纖維定向在控制UHPC機械性能中的關鍵作用，開發(fā)和實施精確的定向技術對于提高纖維效率和優(yōu)化UHPC的機械性能至關重要。目前，在澆筑的UHPC試樣中實現(xiàn)纖維定向的兩種主要方法是流動誘導定向和電磁定向[[10],[11],[12],[13],[14]]。然而，流動誘導方法中的纖維定向過程本質(zhì)上是不可控的，這引入了不穩(wěn)定性并阻礙了精確纖維定向的實現(xiàn)[15]。據(jù)報道，流動誘導方法的纖維定向系數(shù)通常在0.6到0.9之間[[10],[11],[12]]。相比之下，電磁定向通過外部施加的磁場來操縱纖維，可以實現(xiàn)相對較高的定向系數(shù)，范圍在0.8到0.9之間[13,14,16]。因此，電磁定向方法是實現(xiàn)定向UHPC機械性能的最有效策略[17,18]。
目前，關于電磁定向的研究主要基于文獻或?qū)嶒灲?jīng)驗來確定線圈的磁通密度，缺乏理論指導，這導致纖維定向效果存在差異。實際上，鋼纖維在電磁場下的定向主要取決于磁扭矩和粘性扭矩之間的平衡，后者可以通過流體力學中的流動阻力來評估[13,19]。因此，準確確定磁扭矩至關重要。先前的研究[13,[20],[21],[22]提出了幾種預測直鋼纖維磁扭矩的理論公式，但報告的結(jié)果并不一致。此外，這些公式不能直接應用于變形的鋼纖維，因為它們的幾何形狀與直纖維有很大不同。因此，有必要為直纖維和變形鋼纖維的磁扭矩開發(fā)理論解，從而確定單個纖維定向的臨界磁感應強度。
許多研究已經(jīng)確定了鋼纖維參數(shù)（包括體積分數(shù)、類型和定向）對UHPC基本機械性能的影響[11,12,[23],[24],[25],[26],[27]]。這些參數(shù)也在控制UHPC的斷裂行為中起著關鍵作用。增加纖維用量通常通過增加能夠橋接裂紋和抵抗裂紋擴展的纖維數(shù)量來提高抗斷裂能力[[28],[29],[30]]。然而，過量的纖維含量可能導致工作性能較差、材料成本增加以及潛在的纖維聚集，從而對斷裂性能產(chǎn)生不利影響[31]。纖維的幾何特性也對機械錨固、界面粘結(jié)強度和裂紋橋接能力有顯著影響，從而改變UHPC的斷裂行為[1,[32],[33],[34]]。雖然變形纖維通常在斷裂過程中有效提高能量耗散，但一些研究表明，具有密集波形的波紋鋼纖維可能會由于沿變形輪廓的局部應力集中而增加纖維過早斷裂的風險[1,33]。關于纖維定向?qū)HPC斷裂行為的影響的研究較少，其中大多數(shù)使用的是流動誘導定向方法[35,36]，而電磁定向方法很少被探索。總之，雖然已經(jīng)廣泛研究了纖維含量和類型對UHPC I型斷裂行為的影響，但纖維定向的作用尚未得到充分探討，需要進一步系統(tǒng)的研究。
本研究旨在實現(xiàn)UHPC中的精確纖維定向，并定量評估纖維定向?qū)HPC純I型斷裂性能的影響。為此，提出了一種改進的電磁定向方法，包括理論推導臨界磁感應強度和確定螺線管的有效工作長度（定義為磁感應強度大于或等于臨界值的區(qū)域），通過電磁有限元模擬實現(xiàn)。使用改進方法定向纖維后，測量了透明硅油或UHPC試樣中的纖維分布。隨后，對30個具有缺口和不同纖維體積含量、形狀和定向的UHPC梁進行了一系列四點彎曲試驗。使用載荷-裂紋開口位移（P-CMOD）曲線、跨中截面載荷-位移（P-δ）曲線、載荷-應變關系、斷裂能量以及斷裂起始和不穩(wěn)定斷裂韌性全面評估了純I型斷裂行為。本研究的主要貢獻在于建立了一種基于理論指導的電磁纖維定向方法，使得磁場參數(shù)可以根據(jù)分析標準而不是經(jīng)驗選擇來確定，從而相對于現(xiàn)有的電磁定向方法取得了根本性的進步。
