鋼纖維與有機合成纖維超高性能混凝土 的性能對比

王圣怡 占羿箭 朱 然

1.上海建工集團股份有限公司 上海 200080；

2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 201114

1 有機合成纖維超高性能混凝土簡介

隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)不斷向高層結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，建設(shè)單位和設(shè)計單位對混凝土材料的性能提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的高性能混凝土抗拉性能較差，不再適應(yīng)裝配式建筑連接節(jié)點、大跨橋梁接縫等對混凝土性能有較高要求的場合。

超高性能混凝土具有超高抗壓強度、超高韌性的特點，因此自誕生以來，便受到建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注，期待其能取代高性能混凝土，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點。經(jīng)過科研人員的不懈努力，超高性能混凝土已逐步應(yīng)用于多種工程場合，如高鐵線電纜槽蓋板、大跨度橋梁等[1]。世界各國不斷出版對應(yīng)標準[2]，以推動超高性能混凝土的工程應(yīng)用。

但目前超高性能混凝土在工程上的普及程度遠不及傳統(tǒng)的高性能混凝土，主要原因在于：

1）常用的鍍銅微絲鋼纖維的價格普遍比較高（10 000～12 000 元/t），且單位用量通常在200～300 kg/m3，高昂成本阻礙了其在工程上的廣泛使用。

2）超高性能混凝土膠凝材料摻量高、失水快，因此出攪拌機后通常在15～30 min內(nèi)便會完全失去流動性，提高了施工難度。

為解決超高性能混凝土成本高昂的問題，方法之一是在超高性能混凝土中摻入各類輕質(zhì)的有機合成纖維。有機合成纖維密度低，同等摻入體積率條件下質(zhì)量僅為鋼纖維的1/7左右。摻入有機合成纖維是解決超高性能混凝土高成本問題的有效途徑。

現(xiàn)有建筑工藝中雖已應(yīng)用到碳纖維、凱夫拉纖維等多種高強度有機合成纖維，但通常是將纖維布整片應(yīng)用于結(jié)構(gòu)或地基的加固、修復(fù)場合，直接將高強度有機合成纖維摻入混凝土中的工藝并不成熟[3]。

與鋼纖維不同，成品的聚合物纖維直徑都在微米級，加工時通常會在短切斷口處出現(xiàn)明顯的纖維并聯(lián)現(xiàn)象。另外，聚合物纖維的受力變形能力強、密度低（通常為800～1 200 kg/m3），這些因素導(dǎo)致聚合物纖維在攪拌時容易在剪切力較小區(qū)域聚集，出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。實際制備過程中很難制得纖維完全均布的混凝土。

因此，不同有機纖維對超高性能混凝土的作用效果還有待進一步探明。

本文從纖維材質(zhì)、長度等角度出發(fā)，研究了普通制備條件下不同強度級別有機合成纖維和鋼纖維對超高性能混凝土流動性能和力學(xué)性能的影響，同時進行了不同種類纖維超高性能混凝土的彎曲韌性和初裂強度試驗。這些研究，將為有機合成纖維順利應(yīng)用于超高性能混凝土提供必要的研究基礎(chǔ)。

2 試驗用原材料

試驗所用水泥為山東雙鳳水泥廠生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5水泥；所用硅灰為上海天愷建材科技公司生產(chǎn)的增密硅灰；所用高效減水劑為上海建工材料工程有限公司生產(chǎn)的SQⅡC803聚羧酸系高效減水劑（緩凝型），含固量為22.57%，混凝土減水率≥25%；高強PVA纖維和聚丙烯纖維由常州天怡工程纖維有限公司提供，超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE纖維）由東莞索維特特殊線帶有限公司提供，其基本性能見表1；微絲鋼纖維由上海真強纖維有限公司提供，其基本性能見表2。

表1 聚合物纖維性能一覽

表2 鍍銅微絲鋼纖維性能一覽

3 試驗內(nèi)容

3.1 試驗配合比

試驗研究了不同長度、不同材質(zhì)（超高分子聚丙烯〔PE〕、聚乙烯醇〔PVA〕、超高分子聚乙烯〔PP〕、微絲鋼〔ST〕）纖維對超高性能混凝土抗壓強度和抗折強度的影響，試驗配合比如表3所示。試驗采用的直線形微絲鋼纖維長度分別為6、13 mm，采用的端鉤形微絲鋼纖維長度為13 mm。

受水分傳輸和水化反應(yīng)進程影響，100 mm×100 mm× 400 mm抗折試件表面硬化較慢，故進行了3 d齡期的混凝土彎曲韌性與初裂強度試驗，對鋼纖維混凝土和超高分子量聚乙烯纖維混凝土的性能進行了對比，試驗配合比見表4。

表3 不同種類、不同材質(zhì)纖維試驗配合比

表4 彎曲韌性試驗配合比

3.2 超高性能混凝土制備

1）根據(jù)試驗配合比，稱取各原材料，將水泥、硅灰、標準砂倒入砂漿攪拌器中，干拌3～5 min，直至拌勻。

2）攪拌過程中緩慢加入拌和水與減水劑，攪拌3～5 min，直至拌和物出現(xiàn)流動狀態(tài)為止。

3）繼續(xù)開動攪拌機，過程中分批次投入纖維，將拌和物攪拌至均勻。

4）將拌和物澆筑成形，并采用水泥膠砂振動臺振動密實，移入養(yǎng)護箱（20±2） ℃養(yǎng)護。

3.3 超高性能混凝土測試方法

1）膠砂流動度：參照標準GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行。

2）抗折強度和抗壓強度：參照標準GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。試樣先進行抗折強度試驗，折斷后每截再進行抗壓強度試驗。

3）混凝土彎曲韌性與初裂強度試驗：參照行業(yè)標準JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行。使用的測試設(shè)備為上海三思公司生產(chǎn)的微機控制電液伺服萬能試驗機，試驗裝置如圖1所示。

圖1 混凝土彎曲韌性與初裂強度試驗裝置

4 結(jié)果與討論

4.1 有機合成纖維材質(zhì)與形態(tài)對超高性能混凝土性能的影響

超高性能混凝土流動性能與力學(xué)性能隨纖維種類、長度變化的規(guī)律如表5所示。

表5 摻入不同纖維的超高性能混凝土流動性、抗折強度與抗壓強度

不同種類纖維對超高性能混凝土流動性的影響如圖2 所示。

圖2 纖維種類對超高性能混凝土的影響規(guī)律

從圖2可以看出，摻入有機合成纖維的超高性能混凝土流動性普遍較差，均低于同等體積摻入量的鋼纖維組。聚合物纖維微絲直徑都在微米級，長徑比遠高于鋼纖維，且密度很低，這使得聚合物纖維在攪拌時受剪切力較小，通常只會發(fā)生變形，而不會發(fā)生主攪拌方向的位移。這些因素導(dǎo)致聚合物纖維在攪拌過程中很難均勻分散，極容易產(chǎn)生黏聚、纏繞等現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致其流動性較差的主要 原因。

不同種類纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響如圖3、圖4所示。其中，鋼纖維從左至右分別為6、13 mm直線形，13 mm端鉤形。

圖3 摻入不同纖維的 混凝土抗折強度

圖4 摻入不同纖維的 混凝土抗壓強度

作為超高性能混凝土中的重要補強材料，纖維摻入超高性能混凝土后所能發(fā)揮的增韌作用，與水泥基體性能、纖維分布、纖維種類、纖維與水泥基體的黏結(jié)作用強弱等均存在密不可分的關(guān)系。由圖3可看出，對不同種類有機合成纖維來說，高強度的超高分子量聚乙烯纖維對混凝土的增韌作用最為明顯，低、中強度的聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維作用效果均低于聚乙烯纖維組，說明高強度纖維可以很好地阻止混凝土中微裂縫的生成，提高混凝土的抗彎折性能。

就同一種纖維來說，從試驗結(jié)果可以看出，纖維長度的增加都可以提高混凝土的彎折性能。纖維的長度越長，纖維束之間的間距越短，對混凝土的增韌效果更明顯，試驗結(jié)果符合ROMUAL提出的纖維間距理論[4]。

從圖3還可以看出，鋼纖維組中端鉤形態(tài)組的抗折強度明顯高于其他形態(tài)，說明鋼纖維的形態(tài)是影響鋼纖維超高性能混凝土抗彎性能的重要因素，這與有機合成纖維組存在明顯區(qū)別。

從圖4可以看出，同等體積摻量條件下，有機合成纖維組的抗壓強度均高于鋼纖維組，說明有機合成纖維在混凝土中引入缺陷較小，這與纖維的界面黏結(jié)性能密切相關(guān)。鋼纖維表面光滑，直徑大、受應(yīng)力小，與水泥基材黏結(jié)性能不佳，受壓時容易滑動、脫出，造成微空洞等缺陷，因此抗壓強度更低。

4.2 高強纖維超高性能混凝土抗彎性能研究

摻入鋼纖維、超高分子量聚乙烯的抗彎試件荷載-撓度曲線如圖5、圖6所示。

依據(jù)標準JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，計算得出兩組試件的初裂荷載、峰值荷載、5.5δ彎曲韌性指數(shù)等如表6所示。

圖6 聚乙烯纖維組混凝土 荷載-撓度曲線

圖5 鋼纖維組混凝土 荷載-撓度曲線

表6 鋼纖維與聚合物纖維混凝土彎曲性能與抗裂性能對比

從圖5、圖6可以看出，鋼纖維組的峰值荷載和初裂荷載均略高于聚乙烯纖維組。不同于素混凝土，摻入鋼纖維與摻入聚乙烯纖維的超高性能混凝土在到達峰值荷載后均表現(xiàn)出穩(wěn)定的裂后行為，說明纖維在其中都起到了阻裂、增韌作用。

兩者的裂后曲線趨勢基本趨同，并未出現(xiàn)標準中描述的二次峰值現(xiàn)象，這應(yīng)該與纖維的摻量有關(guān)。與普通水泥膠砂試件相比，較大尺寸的抗折試件與水泥膠砂試件相比峰值強度下降非常明顯，說明尺寸效應(yīng)對摻纖維超高性能混凝土的力學(xué)性能影響較大。

兩組試件斷裂面形態(tài)如圖7、圖8所示，拍攝面均為試件下部受拉區(qū)。從斷裂面形態(tài)可以看出，鋼纖維組中，纖維分布出現(xiàn)了較明顯的不均勻狀態(tài)，這與鋼纖維在砂漿中的重力沉降有關(guān)，而密度較輕的聚乙烯纖維組中則不存在這種現(xiàn)象[5-6]。

從荷載-撓度曲線中也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維組與聚乙烯纖維組在受壓后期也出現(xiàn)了不同的斷裂狀態(tài)，鋼纖維出現(xiàn)了突然斷裂的現(xiàn)象，分析原因應(yīng)該與鋼纖維在混凝土中分布不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力集中有關(guān)。而聚乙烯纖維組在加載后期出現(xiàn)了明顯的連續(xù)小峰值，說明聚乙烯纖維組中存在承受拉力較大纖維先斷裂、后繼未斷裂纖維繼續(xù)承受拉力的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

1）有機合成纖維直徑小，長徑比大，較難隨水泥漿液同步流動。摻入有機合成纖維的超高性能混凝土流動性較差，若需要應(yīng)用到大流動性混凝土澆筑場合，還需從漿液-纖維協(xié)同作用角度進一步提高混凝土流動性。

圖7 鋼纖維組斷裂形態(tài)

圖8 聚乙烯纖維組斷裂形態(tài)

2）高強度的超高分子量聚乙烯纖維可有效提高超高性能混凝土抗折強度。與鋼纖維不同，高強度纖維的加入并未對混凝土的抗壓強度產(chǎn)生不利影響，進一步驗證了高強度有機纖維同樣可應(yīng)用于超高性能混凝土。

3）高強度有機合成纖維在超高性能混凝土中可起到阻裂、增韌作用。由于直徑較小，荷載由混凝土傳導(dǎo)至纖維表面時應(yīng)力較大，有機合成纖維通常不會從混凝土中抽脫，釋放能量的主要方式為斷裂，因此不會出現(xiàn)鋼纖維混凝土在荷載后期突然斷裂的現(xiàn)象。其應(yīng)用性能應(yīng)高于鋼纖維型超高性能混凝土。