淺析鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土性能的影響

岳國(guó)柱

（上海浦興路橋建設(shè)工程有限公司，上海市 201210）

0 引 言

鋼纖維具有良好的強(qiáng)度和韌性，其被研究和摻入到超高性能混凝土中，用于改善混凝土的各項(xiàng)性能。因此，摻入多少鋼纖維成為了超高性能混凝土領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，少摻，超高性能混凝土性能改善效果不顯著；多摻，不僅會(huì)產(chǎn)生相反的效果，而且可能出現(xiàn)某一項(xiàng)或幾項(xiàng)性能指標(biāo)得到改善，而其它性能?chē)?yán)重衰減的反作用。

因此，本文重點(diǎn)梳理近些年來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土各方面性能影響的研究成果，分析并總結(jié)出一些結(jié)論，協(xié)助行業(yè)從業(yè)人員洞悉研究方向、拓寬思路和借鑒應(yīng)用。

1 摻量對(duì)拉伸與斷裂性能影響的研究分析

（1）拉伸性能

吳攀等人[1]通過(guò)測(cè)試?yán)斐咝阅芑炷翗?gòu)件過(guò)程中電阻率的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的電阻率呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，如鋼纖維摻量分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%時(shí)，對(duì)應(yīng)超高混凝土試樣的電阻率分別為131.96 kΩ·cm、89.86 kΩ·cm、64.28 kΩ·cm、56.68 kΩ·cm、50.01 kΩ·cm，即導(dǎo)電性能提高。鋼纖維摻量的增加提高了拉伸強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。胡翱翔等人[2]通過(guò)設(shè)計(jì)與成型“8”字型超高混凝土試件，采用加大端頭兩端提拉的方法，測(cè)試了不同鋼纖維摻量（0%~5%）超高性能混凝土材料的單軸拉力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果表明：隨著鋼纖維摻量增加，超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度、峰值應(yīng)變計(jì)受拉韌性均逐步提高，且不影響其工作性能。

由相關(guān)研究成果可知，鋼纖維摻量的增加有助于提高超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度。

（2）斷裂性能

楊益?zhèn)惖热薣3]用楔入劈拉試驗(yàn)方法的研究結(jié)果表明，向超高性能混凝土中摻入鋼纖維會(huì)大幅提高其起裂韌度、失穩(wěn)韌度和斷裂能，僅摻入1%的鋼纖維，就可以將超高性能混凝土的起裂韌度、失穩(wěn)韌度和斷裂能分別提高到3.60倍、10.96倍和49.16倍；而且2%、3%、4%和5%摻量的測(cè)試結(jié)果表明：超高性能混凝土的起裂韌度、失穩(wěn)韌度與斷裂能會(huì)隨著鋼纖維摻量增加而增大，只是當(dāng)摻量增加到一定幅度后各項(xiàng)性能提高的幅度呈現(xiàn)出逐漸趨緩的趨勢(shì)。梁興文等人[4]開(kāi)展配筋超高性能混凝土受彎性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維摻量從3%提高到5%時(shí)，UHPC梁純彎區(qū)段裂縫數(shù)量顯著減少，開(kāi)裂荷載提高了6.0%～11%，增加鋼纖維摻量可改善超高性能混凝土的抗裂性能。

無(wú)論采用楔入劈拉試驗(yàn)，還是受彎性能測(cè)試試驗(yàn)，相關(guān)研究結(jié)果均表明摻入鋼纖維可以大幅提高超高性能混凝土的抗裂性能，同樣呈現(xiàn)出摻量增加，抗裂性能提高的規(guī)律。

2 摻量對(duì)抗壓抗折性能影響研究分析

李永等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)3%是鋼纖維摻量的臨界值，不足3%時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度會(huì)隨著摻量增加而增大；當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，則會(huì)減小?？椎掠畹热薣6]設(shè)計(jì)與制備超高性能混凝土的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋼纖維影響超高性能混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的臨界摻量值是2.0%，即便再增加0.5%，即2.5%摻量，也會(huì)分別降低抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度3.1%和5.3%。常新明等人[7]在研究自密實(shí)超高性能混凝土的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)微細(xì)鋼纖維摻量不超過(guò)1%時(shí)，其可以顯著提高超高性能混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，并有效改善混凝土的韌性，但超過(guò)該值時(shí)，其工作性能會(huì)顯著衰減，1%鋼纖維摻量的超高性能混凝土滿(mǎn)足不了自密實(shí)指標(biāo)要求。徐魏魏等人[8]開(kāi)展單軸受壓試驗(yàn)，研究0%、1%和2%體積摻量鋼纖維對(duì)超高性能混凝土性能影響，同樣發(fā)現(xiàn)在該摻量范圍內(nèi)，超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增加而顯著增大，2.0%體積摻量試件的抗壓強(qiáng)度約為1.5%的1.5倍。仲?gòu)拇旱热薣9]選取材質(zhì)相同、體積摻量不同（0.5%～2.5%）的鋼纖維開(kāi)展超高性能混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試儀，試驗(yàn)結(jié)果表明試件的抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而增加，2.5%摻量超高性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度最高，≥130MPa；較基體混凝土，抗折強(qiáng)度也提高了82.55%。)。翟紅俠等人[10]研究了鋼纖維摻量對(duì)強(qiáng)度超過(guò)150 MPa且用作裝配式墻體材料超高性能混凝土的強(qiáng)度性能影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維摻量由0.5%增加到2%時(shí)，其強(qiáng)度提升了37.5%）。杜任遠(yuǎn)等人[11]交叉研究了不同尺寸超高性能混凝土試件在不同鋼纖維摻量條件下的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量對(duì)試件強(qiáng)度影響的規(guī)律與試件尺寸無(wú)關(guān)，且摻量為2%時(shí)，各尺寸試件的抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，進(jìn)一步增加摻量，如3%和4%，則強(qiáng)度值會(huì)有所衰減。

綜合分析研究結(jié)果，可知在一定摻量范圍內(nèi)，鋼纖維可以提高超高性能混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度，但摻量超過(guò)一定的值時(shí)，這兩項(xiàng)性能指標(biāo)均會(huì)衰減。

3 摻量對(duì)動(dòng)態(tài)壓縮性能影響研究分析

焦楚杰等人[12]采用分離式霍普金森壓桿裝置探索了較大體積摻量（0%、3%、4%）鋼纖維對(duì)超高混凝土壓縮性能的影響情況，研究結(jié)果表明：鋼纖維超高強(qiáng)混凝土是應(yīng)變率敏感材料，且當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)敏感閥值后，鋼纖維超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度、韌度與彈性模量都隨纖維體積率的增加而顯著提高。劉建忠等人[13]采用與焦楚杰相同的裝置（分離式霍普金森壓桿）系統(tǒng)性研究了不同鋼纖維體積摻量（0%、1.0%、1.5%和2.0%）的大摻量粉煤灰超高性能混凝土在多次沖擊壓縮作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，研究發(fā)現(xiàn)不僅摻入鋼纖維會(huì)顯著提高超高混凝土抗多次沖擊的能力，而且隨著鋼纖維摻量增加，其抵抗多次沖擊的能力也逐漸提高。仵鵬濤等人[14]發(fā)現(xiàn)增加鋼纖維摻量，可顯著提高超高性能混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及韌度等指標(biāo)。

由此可見(jiàn)，鋼纖維可提高超高性能混凝土的壓縮性能，且摻入量越大，抗壓縮能力、抗沖擊能力越強(qiáng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)與分析梳理鋼纖維摻量對(duì)拉伸與斷裂性能、抗壓抗折性能及動(dòng)態(tài)壓縮性能等方面的研究成果，可得出以下結(jié)論：

（1）鋼纖維摻量的增加有助于提高超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度、抗壓縮能力、抗沖擊等性能；

（2）超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度受鋼纖維摻量影響大，在一定范圍內(nèi)二者呈現(xiàn)正相關(guān)性；當(dāng)超過(guò)某一臨界值或閾值時(shí)，表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。

當(dāng)然，鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土性能的影響遠(yuǎn)不止前述幾類(lèi)，如增加鋼纖維摻量可有效改善超高性能混凝土的干燥收縮，而且其摻量超過(guò)一定的臨界值時(shí)，干燥收縮的改善效果顯著提高[15]；又如由于超高性能混凝土流體屬于Bingham流體，隨著鋼纖維摻量的增加，纖維橋接作用越顯著，相應(yīng)的顯著增大其屈服應(yīng)力和塑性黏度。但鋼纖維分散性會(huì)隨著摻量增加而變差，當(dāng)達(dá)到一定的臨界值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚或成團(tuán)現(xiàn)象，進(jìn)而降低了纖維的有效利用率[16]。