超高性能混凝土（UHPC）是一种基于最大堆积密度理论制备的高性能水泥基复合材料，通常通过添加钢纤维来增强其机械性能和耐久性[1]。通常，UHPC的抗压强度超过120 MPa，抗拉强度高于7 MPa[2]。UHPC中氯离子的扩散系数仅为普通混凝土的1/100。钢纤维的加入通过纤维-基体界面的粘滑机制和/或纤维断裂显著提高了UHPC的抗断裂能力[3,4]。因此，UHPC越来越多地应用于桥梁工程、海洋结构和国防基础设施[[5],[6],[7],[8]]。尽管有这些改进，UHPC仍然是一种准脆性材料，微裂纹和内在缺陷可能导致应力集中和局部损伤，最终导致宏观失效[9]。在各种断裂模式中，I型断裂（由垂直于裂纹平面的拉应力控制）尤其关键，因为它在低应力水平下容易发生脆性失效。虽然在实际的UHPC结构中，纯I型断裂很少是唯一的失效原因，但I型断裂韧性仍然是控制裂纹起始的基本材料属性。因此，提高I型断裂性能至关重要，因为它增强了UHPC的裂纹桥接和裂纹扩展抵抗能力，为抵抗实际中常见的混合应力状态下的裂纹扩展提供了坚实的基础，从而提高了整体结构安全性。纤维定向是影响UHPC I型断裂行为的关键参数。因此，为了充分利用UHPC中钢纤维的增强潜力，研究具有可控纤维定向的UHPC的I型断裂行为是必要的。
鉴于纤维定向在控制UHPC机械性能中的关键作用，开发和实施精确的定向技术对于提高纤维效率和优化UHPC的机械性能至关重要。目前，在浇筑的UHPC试样中实现纤维定向的两种主要方法是流动诱导定向和电磁定向[[10],[11],[12],[13],[14]]。然而，流动诱导方法中的纤维定向过程本质上是不可控的，这引入了不稳定性并阻碍了精确纤维定向的实现[15]。据报道，流动诱导方法的纤维定向系数通常在0.6到0.9之间[[10],[11],[12]]。相比之下，电磁定向通过外部施加的磁场来操纵纤维，可以实现相对较高的定向系数，范围在0.8到0.9之间[13,14,16]。因此，电磁定向方法是实现定向UHPC机械性能的最有效策略[17,18]。
目前，关于电磁定向的研究主要基于文献或实验经验来确定线圈的磁通密度，缺乏理论指导，这导致纤维定向效果存在差异。实际上，钢纤维在电磁场下的定向主要取决于磁扭矩和粘性扭矩之间的平衡，后者可以通过流体力学中的流动阻力来评估[13,19]。因此，准确确定磁扭矩至关重要。先前的研究[13,[20],[21],[22]提出了几种预测直钢纤维磁扭矩的理论公式，但报告的结果并不一致。此外，这些公式不能直接应用于变形的钢纤维，因为它们的几何形状与直纤维有很大不同。因此，有必要为直纤维和变形钢纤维的磁扭矩开发理论解，从而确定单个纤维定向的临界磁感应强度。
许多研究已经确定了钢纤维参数（包括体积分数、类型和定向）对UHPC基本机械性能的影响[11,12,[23],[24],[25],[26],[27]]。这些参数也在控制UHPC的断裂行为中起着关键作用。增加纤维用量通常通过增加能够桥接裂纹和抵抗裂纹扩展的纤维数量来提高抗断裂能力[[28],[29],[30]]。然而，过量的纤维含量可能导致工作性能较差、材料成本增加以及潜在的纤维聚集，从而对断裂性能产生不利影响[31]。纤维的几何特性也对机械锚固、界面粘结强度和裂纹桥接能力有显著影响，从而改变UHPC的断裂行为[1,[32],[33],[34]]。虽然变形纤维通常在断裂过程中有效提高能量耗散，但一些研究表明，具有密集波形的波纹钢纤维可能会由于沿变形轮廓的局部应力集中而增加纤维过早断裂的风险[1,33]。关于纤维定向对UHPC断裂行为的影响的研究较少，其中大多数使用的是流动诱导定向方法[35,36]，而电磁定向方法很少被探索。总之，虽然已经广泛研究了纤维含量和类型对UHPC I型断裂行为的影响，但纤维定向的作用尚未得到充分探讨，需要进一步系统的研究。
本研究旨在实现UHPC中的精确纤维定向，并定量评估纤维定向对UHPC纯I型断裂性能的影响。为此，提出了一种改进的电磁定向方法，包括理论推导临界磁感应强度和确定螺线管的有效工作长度（定义为磁感应强度大于或等于临界值的区域），通过电磁有限元模拟实现。使用改进方法定向纤维后，测量了透明硅油或UHPC试样中的纤维分布。随后，对30个具有缺口和不同纤维体积含量、形状和定向的UHPC梁进行了一系列四点弯曲试验。使用载荷-裂纹开口位移（P-CMOD）曲线、跨中截面载荷-位移（P-δ）曲线、载荷-应变关系、断裂能量以及断裂起始和不稳定断裂韧性全面评估了纯I型断裂行为。本研究的主要贡献在于建立了一种基于理论指导的电磁纤维定向方法，使得磁场参数可以根据分析标准而不是经验选择来确定，从而相对于现有的电磁定向方法取得了根本性的进步。
