纖維對海砂超高性能混凝土性能的影響

倪博文，王晶，王祖琦，周永祥，宋普濤，黃政宇

（1.湖南大學(xué)，湖南 長沙 410082；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

在我國沿海地區(qū)，大規(guī)模的工程建設(shè)已經(jīng)導(dǎo)致許多沿海城市面臨河砂資源枯竭的困境，因此人們將注意力轉(zhuǎn)移到了儲量豐富的海砂上。我國擁有漫長的海岸線，各類砂體面積達(dá)34.2萬km2，海砂儲量1.6萬億t[1]，但海砂中較高的氯離子含量成為阻礙其作為混凝土骨料應(yīng)用的主要問題。現(xiàn)階段的研究成果和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已表明，海砂通過淡化將氯離子含量控制在一定限值范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)在建設(shè)工程中的安全利用。但是在離岸的島礁等淡水資源短缺的條件下，海砂的淡化成本高，因此如何合理地利用海砂逐漸受到外研究人員的關(guān)注。

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）具有超高的力學(xué)性能、耐久性和極低的孔隙率[1-2]。超高性能混凝土所具有的優(yōu)異性能為安全利用海砂提供了技術(shù)可行性。但國內(nèi)外的研究多為采用河砂[4]、玻璃砂[5]、丘砂[6]、尾礦砂[7]替代石英砂制備UHPC，關(guān)于使用海砂替代石英砂制備UHPC的研究較少，而且，海砂貝殼含量、氯離子含量等有別于石英砂等骨料，所以海砂UHPC的配制技術(shù)需要開展研究工作。目前的研究成果[8]表明，合理摻用鋼纖維或混摻一定比例的PVA纖維，能夠明顯改善UHPC脆性和收縮大的缺點(diǎn)，并提高力學(xué)性能。相應(yīng)地，在使用海砂配制UHPC時(shí)，如何設(shè)計(jì)選擇纖維種類與摻量也是需要研究的關(guān)鍵問題。

本試驗(yàn)對海砂UHPC配合比關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時(shí)研究了鋼纖維和PVA纖維對海砂UHPC力學(xué)性能和工作性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O 52.5 R水泥；降粘增強(qiáng)劑：建研建材有限公司生產(chǎn)的CABR-J1型混凝土降粘增強(qiáng)劑，主要性能指標(biāo)見表1；硅灰：比表面積大于18 000 m2/kg，SiO2含量大于92%；聚羧酸高性能減水劑：天津悅鳴，固含量39%，減水率≥30%；海砂：采自福建省附近海域，基本性能見表2，顆粒級配見表3，外觀形貌見圖1；纖維：鋼纖維和高強(qiáng)高模PVA纖維，基本性能見表4。

表1 降粘增強(qiáng)劑的主要性能指標(biāo)

表2 福建海砂的性能

表3 福建海砂的顆粒級配

圖1 福建海砂的外觀形貌

表4 鋼纖維和高強(qiáng)高模PVA纖維的性能

1.2 試件制備

成型：采用水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，按照骨料、纖維、水泥、礦物摻合料的順序進(jìn)行加料，加料完成后干拌4 min，加入水和外加劑后繼續(xù)攪拌6min至拌合物呈現(xiàn)較好的流態(tài)性能，攪拌完成后倒入40mm×40mm×160mm的模具成型膠砂試件。

養(yǎng)護(hù)制度：將成型好的試件在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48 h后拆模，之后在70℃恒溫蒸汽下養(yǎng)護(hù)48 h，其中升溫速率為12℃/h，降溫速率為15℃/h，蒸汽養(yǎng)護(hù)完成后標(biāo)養(yǎng)3 d進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.3 試驗(yàn)方法

按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》測試膠砂試件的抗壓和抗折強(qiáng)度，按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試漿體的流動度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比和砂膠比對海砂UHPC性能的影響

膠凝材料組成為70%水泥+15%降粘增強(qiáng)劑+15%硅灰，固定砂膠比為0.9。由于減水劑摻量過大時(shí)減水效率明顯降低，還會明顯延長混凝土的凝結(jié)時(shí)間，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，減水劑最大摻量不宜超過5.0%，當(dāng)水膠比為0.13時(shí)，減水劑摻量定為5.0%，為盡量保證相鄰水膠比的工作性能相近，避免工作狀態(tài)差別過大而影響相鄰水膠比力學(xué)性能，水膠比增大時(shí)，減水劑摻量適當(dāng)降低。水膠比對海砂UHPC性能的影響見表5。

表5 水膠比對海砂UHPC強(qiáng)度和流動度的影響

由表5可見，隨水膠比增大，海砂UHPC的抗壓和抗折強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)水膠比為0.16時(shí)，海砂UHPC的抗壓和抗折強(qiáng)度最高，分別為131.2、23.0 MPa。因此，選取0.16水膠比為最佳水膠比。

膠凝材料組成為70%水泥+15%降粘增強(qiáng)劑+15%硅灰，固定水膠比為0.16，減水劑摻量為3.0%，砂膠比對海砂UHPC性能的影響見表6。

由表6可見，隨著砂膠比的增大，拌合物的流動性降低。當(dāng)砂膠比在0.9～1.1內(nèi)變動時(shí)，抗壓強(qiáng)度波動較小，砂膠比為1.0時(shí)抗壓、抗折強(qiáng)度最高，砂膠比過大或過小均會導(dǎo)致強(qiáng)度降低。綜合考慮工作性能和力學(xué)性能，選取最佳砂膠比為1.0。

表6 砂膠比對海砂UHPC強(qiáng)度和流動度的影響

2.2 硅灰和降粘增強(qiáng)劑摻量對海砂UHPC性能的影響

固定砂膠比為1.0，水膠比為0.16，減水劑摻量為3%，硅灰和降粘增強(qiáng)劑摻量對海砂UHPC性能的影響見表7。

表7 硅灰和降粘劑摻量對海砂UHPC強(qiáng)度和流動度的影響

由表7可見，當(dāng)硅灰摻量固定為20%時(shí)，隨著降粘增強(qiáng)劑摻量的增加，拌合物的流動性逐漸提高，當(dāng)降粘增強(qiáng)劑摻量為15%時(shí)抗壓和抗折強(qiáng)度最高。當(dāng)降粘增強(qiáng)劑摻量固定為15%時(shí)，硅灰摻量從15%增加到20%，由于增加了5%的硅灰摻量而導(dǎo)致拌合物的流動性降低，但增加硅灰摻量對抗壓和抗折強(qiáng)度的提高效果并不明顯，因此選定降粘增強(qiáng)劑摻量15%和硅灰摻量15%為最佳的摻合料體系。

2.3 纖維種類和摻量對海砂UHPC性能的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果確定海砂UHPC的基準(zhǔn)配合比為：膠凝材料由70%水泥+15%降粘增強(qiáng)劑+15%硅灰組成，水膠比為0.16，砂膠比為1.0，考慮到纖維對工作性能的不利影響，減水劑摻量從3.0%提高到4.0%。纖維種類和摻量對海砂UHPC性能的影響見表8。

表8 纖維種類和摻量對海砂UHPC強(qiáng)度和流動度的影響

2.3.1 單摻鋼纖維

對比表8中1#～4#試件可知，隨著鋼纖維摻量的增加，拌合物的流動性降低，抗壓和抗折強(qiáng)度均明顯提高，并且對抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。與不摻鋼纖維的試件相比，鋼纖維體積摻量為1.0%、1.5%和2.0%的抗壓強(qiáng)度分別提高16.6%、36.6%和39.2%，抗折強(qiáng)度分別提高了45.3%、107.9%和114.5%，這是由于混凝土受到應(yīng)力作用時(shí)，摻入鋼纖維會阻礙UHPC內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，約束了UHPC內(nèi)部的變形，使基體的強(qiáng)度得到更充分的發(fā)揮，從而提高了UHPC的強(qiáng)度。而當(dāng)鋼纖維摻量從1.5%增加到2.0%時(shí)，鋼纖維的增強(qiáng)效果不再明顯提高。綜合考慮力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性，鋼纖維的體積摻量宜為1.5%。

2.3.2 PVA纖維等體積取代鋼纖維

對比表8中2#和8#試件可知，使用1.0%的PVA纖維等體積取代1.0%鋼纖維，拌合物的流動性明顯降低，抗壓強(qiáng)度的變化幅度較小，但抗折強(qiáng)度降低了22.5%；與不摻纖維的1#試件相比，PVA纖維體積摻量為1.0%的試件抗壓和抗折強(qiáng)度分別提高了15.8%和12.6%。因此，當(dāng)對抗壓和抗折強(qiáng)度要求不高或者不允許摻鋼纖維時(shí)，可以選擇單摻1.0%體積摻量的PVA纖維來滿足海砂UHPC的韌性和抗裂性能等其他性能要求。

2.3.3 混雜纖維

對比表8中3#、5#～7#試件可知，鋼纖維摻量固定為1.5%，隨著PVA纖維體積摻量的增加，拌合物的流動性明顯降低，當(dāng)PVA纖維體積摻量增加到1.0%時(shí)甚至出現(xiàn)成型困難的情況。與3#試件相比，PVA纖維體積摻量為1.0%的7#試件抗壓和抗折強(qiáng)度分別降低4.2%和13.0%；PVA纖維體積摻量為0.50%和0.75%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別降低0.9%和3.0%，抗折強(qiáng)度則分別提高2.8%和3.9%?？傮w來說，當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.5%時(shí)，復(fù)摻0.50%～0.75%的PVA纖維對海砂UHPC的力學(xué)性能影響不大，但流動性明顯降低。

3 結(jié)論

（1）綜合考慮力學(xué)性能和工作性能，海砂UHPC推薦的配合比為：膠凝材料由70%水泥+15%降粘增強(qiáng)劑+15%硅灰組成，砂膠比為1.0，水膠比0.16。

（2）隨著單摻鋼纖維體積摻量的增加，海砂UHPC的抗壓和抗折強(qiáng)度提高，綜合考慮海砂UHPC的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性，鋼纖維的最優(yōu)體積摻量為1.5%，與不摻鋼纖維相比，抗壓和抗折強(qiáng)度分別提高36.6%和107.9%。

（3）當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.5%時(shí)，復(fù)摻0.50%～0.75%的PVA纖維對海砂UHPC的力學(xué)性能影響不大，但流動性明顯降低。