聚丙烯纖維和粗骨料對超高性能混凝土抗拉強度的影響研究

陳 倩

(武漢大學(xué)， 湖北 武漢 430072)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料，最初由法國學(xué)者Richard等[1-2]在均布超細致密法(DSP)、無宏觀缺陷(MDF)水泥基材料和鋼纖維混凝土等研究基礎(chǔ)上研發(fā)而來，具有強度高、耐久性好、韌性大、體積穩(wěn)定性及微裂紋自愈合等眾多的優(yōu)良特性，使得UHPC結(jié)構(gòu)使用壽命長、后期維護成本低、長期綜合效益高。這些優(yōu)異的綜合性能滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向高聳、大跨、重載方向發(fā)展及承受惡劣環(huán)境的需要和可持續(xù)發(fā)展的要求。迄今，超高性能混凝土大致分為兩類：一類是活性粉末混凝土(RPC)，不含粗骨料；另一類是含粗骨料的超高性能混凝土(CA-UHPC)。由于RPC對原材料要求嚴格，制備工藝特殊，生產(chǎn)成本高，其推廣應(yīng)用受到一定的限制。相比之下，同樣具有超高強度和超高耐久性的CA-UHPC因其原料易取、制備簡單、成本較低等優(yōu)勢而更具競爭力，工程應(yīng)用前景更加廣闊。同時，為提高UHPC的抗拉強度、抗剪強度，增強UHPC的韌性、抗沖擊性能，國內(nèi)外專家學(xué)者分別對鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、高分子合成纖維等兩種或三種纖維混合增強UHPC的力學(xué)行為及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了大量的宏觀尺度試驗研究和理論分析，其中，以鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土為主導(dǎo)，取得了比較豐富的成果。研究表明[3-5]，將聚丙烯纖維和鋼纖維混雜加入混凝土后，兩種纖維協(xié)同工作，纖維絲間相互空間作用得到加強，能夠形成工作性能良好的空間整體，進而使UHPC力學(xué)性能得到一定程度的改善和提高。綜上，開展聚丙烯纖維參數(shù)和粗骨料摻量對超高性能混凝土力學(xué)性能影響的研究對于推進UHPC的工程實踐應(yīng)用具有重要意義。

目前國內(nèi)外關(guān)于鋼纖維參數(shù)對UHPC力學(xué)性能影響的研究已較成熟，而關(guān)于聚丙烯纖維參數(shù)和粗骨料摻量對UHPC力學(xué)性能影響的研究較少。文獻[6-11]在普通混凝土中加入聚丙烯纖維，通過試驗研究表明，由于聚丙烯纖維彈性模量較低，在混凝土中不能起到承力骨架作用，因而單摻聚丙烯纖維對混凝土強度無明顯提升作用，但聚丙烯纖維可橋接微裂紋，抑制裂紋擴展，從而增強混凝土延性。文獻[3-4]將聚丙烯纖維和鋼纖維混雜加入RPC中，研究表明，在適當摻量的條件下，鋼纖維與聚丙烯纖維混雜RPC的力學(xué)性能要優(yōu)于單摻任何一種纖維的RPC，更優(yōu)于不摻纖維的RPC。文獻[12]采用最大粒徑為10 mm的青石碎石作為粗骨料，配制出了抗壓強度為148 MPa的UHPC。文獻[13]通過CA-UHPC抗壓強度試驗，指出粗骨料的最佳粒徑范圍為5 mm～15 mm，膠凝材料摻量宜為900 kg/m3。文獻[14]研究得到，CA-UHPC抗壓強度隨粗骨料摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，彈性模量隨粗骨料摻量增加線性增長。文獻[15]研究表明，對于未摻入鋼纖維的CA-UHPC，材料的彎曲初裂強度先減小后增大。以上研究大多基于試驗進行，對指導(dǎo)UHPC力學(xué)性能研究方向具有重要意義，但也有著試驗數(shù)據(jù)較少、數(shù)據(jù)點較離散的問題。

本文設(shè)計了18組共54個超高性能混凝土試塊，通過劈裂抗拉強度試驗，系統(tǒng)地分析聚丙烯纖維體積摻量和長徑比、粗骨料摻量3個參數(shù)對UHPC劈裂抗拉強度的影響，可為工程設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

為分析粗骨料質(zhì)量摻量和聚丙烯纖維體積摻量、長徑比對UHPC劈裂抗拉強度的影響，本文選取粗骨料質(zhì)量摻量為0%、15%、30%，聚丙烯纖維體積摻量為0%、0.05%、0.10%、0.15%，長徑比為167、280、396。根據(jù)規(guī)范《活性粉末混凝土》[16](GB/T 31387—2015)和《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[17](JGJ 55—2011)，確定了UHPC基準配合比，見表1。共設(shè)計了18種配合比，每個配合比設(shè)計3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。各配合比主要參數(shù)見表2。所有試塊同批澆筑，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。

1.2 試驗材料

采用武漢新途工程纖維制造有限公司生產(chǎn)的鋼纖維和聚丙烯纖維，其物理力學(xué)性能見表3。粗骨料采用粒徑為5 mm～20 mm的花崗巖碎石。基體混凝土材料組成為：P.O52.5級的普通硅酸鹽水泥、河砂(中砂，表觀密度2.65 kg/m3，最大粒徑為5 mm)、硅粉、粉煤灰(Ⅰ級)、高效減水劑(聚羧酸系高性能減水劑，減水率>37%)。

表1 基準配合比

表2 試塊主要參數(shù)

表3 纖維參數(shù)及物理力學(xué)性能

1.3 加載裝置與加載制度

依據(jù)規(guī)范[16]和《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》[18](GB/T 50081—2002)，劈裂抗拉強度試驗在量程為300 kN的SHT5605-P微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，加載速率為0.09 MPa/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯纖維體積摻量的影響

圖1所示為聚丙烯纖維長徑比為167的UHPC中，聚丙烯纖維體積摻量(Vpf)對UHPC劈裂抗拉強度(ft,s)的影響。由圖1可知，摻入體積摻量為0.10%的聚丙烯纖維可以提高UHPC的劈裂抗拉強度，提高幅度為3.4%～12.2%，而另兩個摻量聚丙烯纖維作用為降低，降低幅度分別為3.2%～12.6%和0.3%～10.5%。所以按照Vpf對ft,s提高幅度排序為：0.10%>0.00%>0.15%>0.05%。文獻[6]對RPC的研究也得出了摻入Vpf為0.10%的聚丙烯纖維可以提高ft,s的結(jié)論。這是因為聚丙烯纖維的積極作用主要表現(xiàn)為其可以增強混凝土塑性變形能力，增強混凝土介質(zhì)連續(xù)性，緩和試件承載產(chǎn)生的應(yīng)力集中，抑制混凝土早期裂縫形成及發(fā)展。然而，另一方面，聚丙烯纖維彈性模量較低，具有一定弱界面效應(yīng)[19]，同時，聚丙烯纖維具有一定的引氣效果，這也使得水泥基材料與骨料之間黏結(jié)強度有所降低。此外，聚丙烯纖維的摻加對UHPC增稠作用也是不可忽略的一面，導(dǎo)致UHPC試塊難以振動密實，對UHPC力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

圖1 聚丙烯纖維體積摻量對UHPC劈裂抗拉強度的影響

2.2 聚丙烯纖維長徑比的影響

圖2所示為Vpf為0.10%的UHPC中，聚丙烯纖維長徑比(lpf/dpf)對劈裂抗拉強度的影響。由圖2可知，對于粗骨料摻量為0和15%的UHPC，摻入lpf/dpf為167和396的聚丙烯纖維可以提高ft,s，提高幅度為分別為9.9%～12.2%和7.8%～10.6%；摻入lpf/dpf為280的聚丙烯纖維會降低ft,s，降低幅度為19.6%～24.4%。按照lpf/dpf對ft,s提高幅度排序為：167>0>396>280。而當粗骨料摻量為30%時，UHPC的劈裂抗拉強度表現(xiàn)出不一樣的規(guī)律，分析其原因為，較大的粗骨料摻量改變了UHPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得聚丙烯纖維的作用明顯降低，導(dǎo)致不同長徑比的聚丙烯纖維加入UHPC得到的強度卻大致相同。

因而可以得出對UHPC劈裂抗拉強度最優(yōu)的聚丙烯纖維配比為PA10。

圖2 聚丙烯纖維長徑比對UHPC劈裂抗拉強度的影響

2.3 粗骨料摻量的影響

由圖1、圖2可知，粗骨料摻量為15%時，UHPC的劈裂抗拉強度略有提高，影響不大。但當粗骨料摻量提高到30%時，UHPC的劈裂抗拉強度降低明顯。這是因為，粗骨料摻量較小時，UHPC基體膠凝材料相對較多，纖維的分布更加均勻，纖維有效利用率較高，UHPC基體與鋼纖維的粘結(jié)力依然發(fā)揮了很大的作用，同時粗骨料間的咬合作用對裂縫的發(fā)展有一定的阻礙[20]，可以在一定程度上彌補粗骨料加入引起纖維利用率下降的負面效應(yīng)[14]，所以當粗骨料摻量為15%時，UHPC劈裂抗拉強度影響不大。當粗骨料摻量達到30%時，UHPC工作性能急劇下降，纖維分布不均，鋼纖維結(jié)團嚴重，且膠凝材料的減少導(dǎo)致纖維與基體間的粘結(jié)作用減小，從而使UHPC劈裂抗拉強度明顯降低。

3 結(jié) 論

(1) 當聚丙烯纖維體積摻量從0.00%提高至0.15%時，UHPC的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先減后增再減的規(guī)律,在0.10%時達到最大值，最大值高出不摻聚丙烯纖維的UHPC 3.4%～12.2%。當聚丙烯纖維長徑比從167提高至396時，UHPC的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先減后增的規(guī)律,在167時達到最大值，最大值高出不摻聚丙烯纖維的UHPC 9.9%～12.2%。試驗參數(shù)范圍內(nèi)，聚丙烯纖維最佳配比為體積摻量0.10%，長徑比167。

(2) 當粗骨料摻量從0%提高至30%，UHPC劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。摻入質(zhì)量分數(shù)為15%的粗骨料不會降低UHPC劈裂抗拉強度。但當粗骨料摻量提高到30%時，UHPC劈裂抗拉強度降低明顯。