鋼纖維體積摻量對超高性能混凝土力學性能的影響

陳從春，馮毅，陳曉冬

（上海應用技術(shù)學院 城市建設與安全工程學院，上海　201418）

?

鋼纖維體積摻量對超高性能混凝土力學性能的影響

陳從春，馮毅，陳曉冬

（上海應用技術(shù)學院 城市建設與安全工程學院，上海201418）

摘要：通過立方體抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、梁抗折試驗，分析了鋼纖維體積摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時對超高性能混凝土（UHPC）力學性能的影響。結(jié)果表明，UHPC的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度隨著鋼纖維體積摻量的增加都有不同程度的提高，劈裂抗拉強度在鋼纖維體積摻量為1.0%～1.5%時增長最快，抗折強度在鋼纖維體積摻量為1.0%～2.5%時增長最快。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；鋼纖維；抗壓強度；劈裂強度；抗折強度

0　引　言

超高性能混凝土（UltraHigh PerformanceConcrete，UHPC）是一種具有超高強度、高韌性和高耐久性的新型水泥基復合材料，由細砂、水泥、石英粉、硅粉、高效減水劑、鋼纖維組成。最初由法國Bouygues公司于1993年在無宏觀缺陷水泥、超細粒子密實填充水泥以及鋼纖維的基礎上研發(fā)而來［1-2］。相對于傳統(tǒng)混凝土，UHPC在抗拉強度、抗壓強度、耐腐蝕性、抗疲勞性、耐久性以及抗凍性等方面具有更優(yōu)越的力學性能，其抗壓強度可達到150～800MPa，斷裂能可達到20～40 kJ/m2。因為鋼纖維的摻入，UHPC的抗拉性能和韌性得到了極大的提高［2-6］。近年來，UHPC開始被世界各國所關(guān)注，并成為研究和應用的熱點，法國和日本最先制定了UHPC設計施工指南［7］。因為UHPC優(yōu)越的力學性能和耐久性，其在國外已被應用于橋梁、建筑、核電等領域。如1997年加拿大在Sherbrooke建立了世界上第一座UHPC人行天橋［8］；2001年法國在Bourg-les-Valence建造的道路橋［9］以及天使人行橋［10］。

大量研究表明，鋼纖維對UHPC的抗拉強度、抗壓強度等力學性能有顯著的提高作用，為了準確分析鋼纖維對UHPC力學性能的影響，本文對鋼纖維體積摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的超高性能混凝土試件進行了抗壓、抗拉、抗折強度的試驗研究。

1　試　驗

1.1原材料

水泥：海螺牌P·O42.5R水泥；砂：中國ISO標準砂；水：自來水；硅灰：比表面積20 000m2/kg，平均粒徑0.1～0.2μm；減水劑：巴斯夫Glenium3400NV聚羧酸鹽高效減水劑；鋼纖維：OL10/.20型佳密克絲（DRAMIX）表面鍍銅鋼纖維，上海貝卡爾特有限公司生產(chǎn)，長度10mm，直徑0.2mm，極限抗拉強度2000MPa。

1.2配合比設計

超高性能混凝土具體配合比見表1，UHPC0作為試驗基準配合比，是基于RPC制備原理，參考文獻［3，11］設計，且經(jīng)過多次試驗重復驗證的，該配比混凝土28 d強度均大于130 MPa。本實驗將鋼纖維分別按0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的體積摻量摻入基體混凝土中。

表1　超高性能混凝土配比

1.3試件制備與試驗方法

根據(jù)配合比將原材料稱重后，將水泥、硅灰加入到15L單軸臥式混凝土攪拌機干拌2min；再停機將細砂加入攪拌1 min，隨后依次將水和減水劑倒入攪拌機中，攪拌4min，以便充分發(fā)揮高效減水劑的作用；然后將鋼纖維均勻撒入，繼續(xù)攪拌3～5min，直至鋼纖維被漿體很好包裹并分布均勻；隨后澆筑模型，在實驗室自然環(huán)境下放置24 h后脫模，然后送入溫度為20℃左右、相對濕度大于90%的標準養(yǎng)護箱，養(yǎng)護至14 d齡期。

試件按鋼纖維體積摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%分成6組，按照CECS13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》進行試件力學性能試驗，包括立方體抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗以及抗折強度試驗。試驗中，每組力學性能試驗試件數(shù)量為3個，試驗結(jié)果取3個試件測試值的算術(shù)平均值。

立方體抗壓、劈裂抗拉試件尺寸為40mm×40mm×40mm；抗折試件尺寸為40mm×40mm×160mm，軸心抗壓試件尺寸為40mm×40mm×120mm，試件齡期均為14 d，測試儀器為上海華龍WA-100B電液式萬能試驗機。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1鋼纖維摻量對UHPC抗壓強度的影響（見表2）

表2　鋼纖維摻量對UHPC抗壓強度的影響

從表2可以看出：UHPC的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度均隨著鋼纖維體積摻量的增大逐漸提高。當鋼纖維體積摻量從0增加到0.5%時，強度增長較為迅速，后面隨著鋼纖維體積摻量的增加，強度穩(wěn)定增長。當鋼纖維體積摻量從0.5%增大到2.5%時，立方體抗壓強度比基體混凝土提高了7.64% ～25.49%，軸心抗壓強度比基體混凝土提高8.12%～25.61%。

2.2鋼纖維摻量對UHPC劈裂抗拉強度的影響

（見表3）從表3可以看出，超高性能混凝土的劈裂抗拉強度和拉壓比隨著鋼纖維體積摻量的增大而逐漸提高。隨著鋼纖維體積摻量從0.5%增加到2.5%時，超高性能混凝土劈裂抗拉強度比基體混凝土提高了62.36%～173.30%，拉壓比從1∶10.8提高到了1∶7.5。鋼纖維體積摻量從1.0%增加到1.5%時，UHPC的劈裂抗拉強度提高幅度較大，而當鋼纖維體積摻量從1.5%增加到2.5%時，劈裂抗拉強度提高幅度有所放緩，這可能與鋼纖維分布不均有關(guān)。與基體混凝土的拉壓比相比較，UHPC1～UHPC5的拉壓比提高了50%～116%，這表明加入鋼纖維以后，基體混凝土的脆性得到了較大的改善，韌性顯著提高。

表3　鋼纖維摻量對UHPC劈裂抗拉強度的影響

2.3鋼纖維摻量對UHPC抗折強度的影響（見表4）

表4　鋼纖維摻量對UHPC抗折強度的影響

從表4可以看出，UHPC的抗折強度隨著鋼纖維體積摻量的增加而提高，鋼纖維體積摻量從0.5%增大到2.5%時，UHPC的抗折強度較基體混凝土提高了4.11%～82.55%。當鋼纖維體積摻量從0～1.0%時，抗折強度增加不明顯，抗折強度提高率只有7.87%；當鋼纖維體積摻量從1.0%增加到2.5%時，抗折強度增長較為顯著。

2.4破壞現(xiàn)象及機理分析

UHPC立方體試件在受壓破壞過程中，在試件加載的側(cè)面有較多的豎向裂縫，且貫穿于試件上下的加載面；鋼纖維在裂縫面幾乎都是脫粘拔出破壞，而不是被拉斷。當試件最終破壞時仍保持整體形態(tài)，而不是普通混凝土試件受壓破壞時的散碎形態(tài)。這主要是加入鋼纖維之后，基體混凝土與鋼纖維的粘結(jié)力阻礙了裂縫的發(fā)展。同時試件受壓時，縱橫交錯的鋼纖維對試件橫向變形起到了較強的約束作用，使其受力狀態(tài)類似于三向受壓，大大提高了UHPC的抗壓強度。

在UHPC立方體試件劈裂過程中，初期可以看到在試件加載面有幾條細微的裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增加，裂縫逐漸發(fā)展，直到最終貫穿整個試件，將試件劈裂成未完全分開的兩部分，且斷面內(nèi)仍有部分鋼纖維連著兩側(cè)混凝土。

在抗折試驗中，UHPC梁試件第1條裂縫出現(xiàn)在三分點內(nèi)受拉區(qū)邊緣，然后逐漸向梁高方向發(fā)展。此外，在觀察試件最終破壞時的斷面，只有少量纖維被拉斷，大部分被拔出，且同劈裂試驗的試件一樣，在試驗最后的加載階段，抗彎試驗的試件最終沒有被完全折斷，斷面依然有鋼纖維連著裂縫兩側(cè)混凝土。這與普通混凝土試件被劈裂完全斷開的破壞形態(tài)有很大的區(qū)別。其原因主要是在拉伸荷載作用下，UHPC構(gòu)件受力之初，應變很小，鋼纖維的拉應力也很小，此時主要是由基體混凝土在承擔荷載；隨著應變的增大，鋼纖維承擔的應力也越來越大，但由于鋼纖維的抗拉強度（極限抗拉強度為2000MPa）及彈性模量比混凝土要大很多，阻止了混凝土的進一步開裂；在基體開裂后，裂縫間的應力重新分布，原來由基體混凝土承擔的應力向鋼纖維轉(zhuǎn)移，尚未拔出的鋼纖維將荷載傳遞給裂縫兩側(cè)的混凝土，使裂縫處的材料仍能繼續(xù)承受荷載，同時也延緩了裂縫的擴展速度；如果越過裂縫的剛纖維越多，則裂縫穩(wěn)定擴展的持續(xù)時間越長，那么達到的峰值拉應力就越高［12］。

3　結(jié)　論

（1）鋼纖維的加入能夠提高UHPC的抗壓強度、劈裂強度和抗折強度。當鋼纖維體積摻量從0.5%增大到2.5%時，立方體抗壓強度較基體混凝土提高了7.64%～25.69%，軸心抗壓強度較基體混凝土提高8.12%～25.61%。

（2）UHPC的抗折強度在鋼纖維體積摻量較少時提高不明顯，當鋼纖維體積摻量為1.0%～2.5%時，抗折強度提高較為明顯。

（3）鋼纖維的加入能改善混凝土的脆性，提高混凝土的韌性，鋼纖維對劈裂抗拉強度的提高效果最為顯著。

參考文獻：

［1］Richard P，Cheyrezy M.Composition of reactive powder concretes ［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501-1511.

［2］ RichardP，Cheyrezy M.Reactive powder concretewithhigh duc-tility and 200～800 MPa compressive strength［J］.ACI SP，1994，144（3）：507-518.

［3］ Soutsos M N，Millard S G，Karaiskos K.Mix design，mechanical properties，andimpact resistance of reactive powder concrete （RPC）［C］//FISCHERG，LIVC.International RILEM Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites in Structural Applications.Liverpool：RILEM Publications，2006：12-22.

［4］Tayeh B A，Bakar B H A，Johari M A M，et al.Utilization of Ultra-high Performance Fibre Concrete（UHPFC）for Rehabilitation-A Review［J］.Procedia Engineering，2013，54（3）：525-538.

［5］Wille K，Naaman A E，Parra-Montesinos G J.Ultra-high performance Concrete with compressive strength exceeding 150 MPa （22 ksi）：A simpler way［J］.ACIMaterials Journal，2011，108（1）：46-54.

［6］葉青，朱勁松，馬成暢，等.活性粉末混凝土的耐久性研究［J］.新型建筑材料，2006（6）：33-36.

［7］趙筠，廉慧珍，金建昌.鋼-混凝土復合的新模式——超高性能混凝土（UHPC/UHPFRC）之一：鋼-混凝土復合模式的現(xiàn)狀、問題及對策與UHPC發(fā)展歷程［J］.混凝土世界，2013（10）：56-69.

［8］ Blais PY，Couture M.Precast，Prestressed pedestrian bridgeworld's first reactive powder concrete structure［J］.PCI，1999，44 （5）：60-71.

［9］Hajar Z，Simon A，Lecointre D，et al.Design and Construction of the world first Ultra High Performance road bridge［C］//International Symposium on Ultra High Performance Concrete.Kassel，Germany，2008：39-48.

［10］ Toutlemonde F，Resp lendino J.Designing andBuilding with UHPFRC［M］.US：John Wiley&Sons，Inc.，2013：111-124.

［11］ Habel K，Charron J P，Braike S，et al.Ultra-high performance fiber reinforcedconcretemix designincentral Canada［J］. Canadian Journal of Civil Engineering，2008，35（2）：217-224.

［12］杜修力，田予東，田瑞俊，等.鋼纖維超高強混凝土的力學性能試驗［J］.北京工業(yè)大學學報，2009，35（9）：1198-1203.

中圖分類號：TU528.572

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0054-03

基金項目：上海市科學技術(shù)委員會科研計劃項目（13520722400）

收稿日期：2016-01-21；

修訂日期：2016-03-03

作者簡介：陳從春，男1970年生，湖北公安人，副教授，博士，主要從事橋梁設計理論及混凝土材料研究。

Influence of volume rations of steel fiber on mechanical properties of ultra-high performance concrete

CHEN Congchun，F(xiàn)ENG Yi，CHEN Xiaodong
（School of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Abstract：The experimental study on mechanical properties of Ultra-High Performance Concrete（UHPC）with steel fiber volume ratio of 0.5%，1.0%，1.5%，2.0%and 2.5%were carried out.The influences of steel fiber volume ratio on mechanical properties of UHPC were researched through cube compressive tests，cleavage extension tests and beam flexural tests.Experiment result shows that the compressive strength，cleavage extension strength and flexural strength were enhanced with increase of steel fiber volume ration. When doped fiber volume ratios are from 1.0%to 1.5%，the cleavage extension strength increases fastest.When doped fiber volume ratios are from 1.0%to 2.5%，the flexural strength increases fastest.

Keywords：ultra high performance concrete，steel fiber，compressive strength，cleavage extension strength，flexural strength