鋼纖維摻量對超高性能混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

沈偉

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京210019）

0 引言

超高性能混凝土 （Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC），通常指水膠比小于0.25 并具有超高力學(xué)性能、超高韌性、超長耐久性、明顯應(yīng)變硬化行為的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1-3]。 依據(jù)最大密實(shí)度理論，通過優(yōu)化原材料顆粒級配，使得材料內(nèi)部缺陷降至最低。 由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌、高抗?jié)B、高耐腐蝕、高抗爆和高抗電磁干擾等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于橋梁、國防、核電以及海洋平臺等工程領(lǐng)域[4-5]。

通過調(diào)整纖維種類及摻量以及規(guī)范的制備流程，探索系列化超高性能混凝土的制備技術(shù)；研究纖維摻量對超高性能混凝土的新拌漿體性能、力學(xué)性能以及耐久性能的影響規(guī)律，探究不同強(qiáng)度等級UHPC 的力學(xué)行為與性能評價方法的差異性，以期對UHPC 工程推廣應(yīng)用提供參考指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

預(yù)混料為江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供，包括水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料等組成的水泥基復(fù)合材料。 鋼纖維為平直型鋼纖維，物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。 減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，其性能指標(biāo)如表2 所示。

表1 鋼纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 聚羧酸減水劑性能指標(biāo)

1.2 制備

（1）試驗(yàn)配合比

超高性能混凝土試驗(yàn)配合比如表3 所示，其中纖維摻量按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算，鋼纖維摻量分別為基準(zhǔn)組0%、1.5%、2.0% 、2.5%和5.0%， 保持預(yù)混料、減水劑及水膠比不變。

表3 超高性能混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

（2）成型工藝

按設(shè)計(jì)攪拌容量稱取相應(yīng)的干混料、 減水劑、水、纖維，用擰干的濕布擦拭攪拌機(jī)內(nèi)表面及葉片，開啟攪拌機(jī)；向攪拌機(jī)加入預(yù)混料，攪拌1 min 左右，緩慢加入減水劑和水，攪拌至混凝土基體呈很好的流動狀態(tài)，均勻、緩慢加入鋼纖維繼續(xù)慢速攪拌1～3 min，出料。 將拌和好的超高性能混凝土平穩(wěn)地倒入試模中，分兩層盛滿試模，每層裝1/2，每層裝完后，插搗10 次，左右各震動5 次，并用橡膠錘輕敲側(cè)模排除氣泡，最后刮平，再覆上塑料薄膜養(yǎng)護(hù)。成型后的試塊表面覆蓋薄膜，避免水分散失，帶模于（20±2） ℃、濕度≥70%的恒溫恒濕環(huán)境中靜停24 h，之后脫模，全部試塊投入蒸汽快速養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，以15 ℃/h 的速率升溫至90 ℃，恒溫48 h，然后以15 ℃/h 的速率降至室溫，進(jìn)行后續(xù)各項(xiàng)測試。

（3）測試方法

混凝土擴(kuò)展度和含氣量容重測試均參照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量測試依據(jù)GB/T 50081—2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)采用RCM 快速試驗(yàn)法，相關(guān)試驗(yàn)操作與測試符合GB/T 50082—2009 《普通混凝土長期性能與耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

單軸抗拉強(qiáng)度采用Instron-8803 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)測試，測試試件尺寸及試驗(yàn)場景如圖1 所示。 加載方式采用外傳LVDT 位移傳感器控制，加載速率為0.5 mm/min，試驗(yàn)結(jié)束條件為荷載下降至峰值力值的95%。

圖1 單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土新拌性能

圖2 為纖維摻量對超高性能混凝土新拌漿體擴(kuò)展度、含氣量以及容重等性能的影響規(guī)律。 從圖2(a)可以看出：少量的鋼纖維加入有利于混凝土漿體流動性提升，但隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土新拌漿體的擴(kuò)展度逐漸劣化，鋼纖維摻量5%時擴(kuò)展度最小。 相較1.5%摻量的UHPC，鋼纖維摻量體積分?jǐn)?shù)分別為2.0%、2.5%和5.0%時，UHPC 的擴(kuò)展度分別降低了27.6%、29.3%和44.8%。 適量鋼纖維的加入增加了漿體內(nèi)摩擦力，有助于團(tuán)聚的膠凝材料分散，進(jìn)而提升漿體擴(kuò)展度。 高摻量纖維下新拌混凝土擴(kuò)展度大幅減低主要源自鋼纖維的相互團(tuán)聚、不易分散，在UHPC 的實(shí)際配制過程中，應(yīng)該合理選擇鋼纖維的摻量，以保證纖維的充分分散而提高其使用效率。從圖2(b)可以看出：鋼纖維的加入對UHPC 含氣量影響較小， 其含氣量大小主要受膠凝材料控制，與鋼纖維的關(guān)系不大；UHPC 漿體容重與鋼纖維摻量呈正相關(guān)， 鋼纖維摻量越高容重越大，5%體積摻量下漿液容重達(dá)到2 550 kg/m3以上。

圖2 超高性能混凝土新拌漿體性能測試

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖3 為纖維摻量對UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果走勢圖， 圖4 為UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖。 從圖3 可以看出，在合理的纖維摻量范圍內(nèi)， 纖維對UHPC 抗壓強(qiáng)度提升效果較為明顯， 混凝土抗壓強(qiáng)度Y1與鋼纖維體積摻量X 呈正比，采用線性函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如下：

圖3 所示實(shí)線為擬合曲線，由圖3 可知試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢與擬合曲線走勢比較接近， 擬合較好，說明通過調(diào)控纖維體積摻量即可實(shí)現(xiàn)系列化超高性能混凝土的制備，摻入的鋼纖維在混凝土漿體中異向分布，能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成， 顯著改善混凝土的力學(xué)性能。但高摻量的纖維在漿體中易團(tuán)聚而無法發(fā)揮增強(qiáng)增韌作用。保證纖維的充分分散是提高混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵。 由圖4 可知，UHPC 抗壓強(qiáng)度因試塊尺寸的差異而存在顯著的尺寸效應(yīng)，其軸心抗壓強(qiáng)度Y2隨立方體抗壓強(qiáng)度Y1單調(diào)增長，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)曲線擬合，擬合結(jié)果如下：

圖3 纖維摻量對立方體抗壓強(qiáng)度影響

圖4 立方體強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.2.2 抗彎強(qiáng)度及彈性模量

圖5 為UHPC 抗彎強(qiáng)度隨纖維摻量變化曲線，由圖5 可知，混凝土抗彎強(qiáng)度Y3隨纖維摻量X線性增長，擬合結(jié)果為：

纖維對UHPC 抗彎強(qiáng)度的顯著增強(qiáng)效果來源于纖維與基體的橋接作用，在混凝土加載作用下，當(dāng)超過基體的極限承載能力時， 混凝土構(gòu)件開始出現(xiàn)裂紋， 此時纖維與漿體之間有較強(qiáng)的粘結(jié)作用而阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高其極限抗彎強(qiáng)度。但混凝土抗彎強(qiáng)度的提高主要是受利于垂直于荷載方向纖維的連接作用， 而與平行于荷載方向的纖維關(guān)系不大。因此，在混凝土澆筑過程中應(yīng)該從模具中間向兩端橫向澆筑，保證纖維的橫向分布。圖6 為纖維摻量對UHPC 靜彈性模量的影響，由圖6 可知，纖維摻量對UHPC 彈性模量提升效果并不明顯， 彈性模量的變化在2～3 GPa 范圍內(nèi)波動， 說明無法通過提高纖維摻量來提升混凝土的彈性模量值。

圖5 纖維摻量對UHPC 抗彎強(qiáng)度影響

圖6 纖維摻量對UHPC 彈性模量影響

2.2.3 抗拉強(qiáng)度

混凝土抗拉強(qiáng)度主要通過劈裂抗拉強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度來評價。 圖7（a）、7（b）為纖維摻量對UHPC 抗拉強(qiáng)度影響規(guī)律， 其中劈拉強(qiáng)度Y4與纖維體積摻量X 的擬合結(jié)果為：

由圖7 可知， 混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較小，纖維摻量與劈拉強(qiáng)度有較好的匹配關(guān)系；而單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大， 在相同的纖維摻量下， 不同試塊之間單軸抗拉強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)差異較大， 力學(xué)性能與纖維摻量的擬合方程式相關(guān)系數(shù)較低。 因此，在評價UHPC 抗拉強(qiáng)度時，采用劈拉強(qiáng)度評價方法較為可靠方便， 而采用單軸抗拉強(qiáng)度評價受試塊澆筑及受力加載操作影響較大。 不規(guī)范漿體澆筑常常導(dǎo)致纖維取向發(fā)生改變，從而降低纖維的有效利用率。 此外，單軸抗拉強(qiáng)度采用的“狗骨頭”試件，在試塊受力加持過程中，試件端部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，試塊邊緣斷裂面位于變截面而非處直拉區(qū)域內(nèi)， 影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 纖維摻量對UHPC 抗拉強(qiáng)度影響

2.3 耐久性能

采用RCM 快速試驗(yàn)法測試超高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)評價其耐久性能。 表4 為剔除鋼纖維后UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，UHPC 基于DSP （Densified System with ultra-fine Particles）理論制備而成，各組分的緊密堆積實(shí)現(xiàn)了基體的高強(qiáng)化、致密化，并因此具有優(yōu)異的耐久性能，由表4可知，UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為2.6×10-14m2/s，與普通混凝土相比低2 個數(shù)量級。 圖8 為UHPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)后試塊內(nèi)部剖面圖，由圖8 可知， 噴射硝酸銀顯色試劑后UHPC 基體顯色深度較淺，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下只有表面薄薄的一層受到鹽溶液滲透；由于基體抗壓強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)密實(shí)，內(nèi)部缺陷少、孔隙率小，經(jīng)過長期的通電測試，其顯色深度仍未超過10 mm。

表4 UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試試塊剖面

3 結(jié)語

（1）控制纖維體積摻量在1.5%～5.0%時，可實(shí)現(xiàn)系列化UHPC 制備； 隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 新拌漿體擴(kuò)展度及容重顯著增加，5%摻量鋼纖維下，擴(kuò)展度降低44.8%、容重達(dá)到2 550 kg/m3，但鋼纖維摻量對漿體含氣量影響較小。

（2）UHPC 的各項(xiàng)力學(xué)性能均隨著鋼纖維摻量的增加而有不同程度的提高，其中抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與鋼纖維摻量呈正相關(guān)，靜彈性模量與鋼纖維摻量無明顯作用關(guān)系，即鋼纖維通過與基體之間超強(qiáng)的橋接作用達(dá)到基體增強(qiáng)增韌效果，但輕微影響混凝土剛度。

（3）系列化UHPC 抗壓強(qiáng)度均有明顯的尺寸效應(yīng)； 混凝土拉伸性能與試件的尺寸及加載方式有關(guān)，劈拉抗拉評價方法數(shù)據(jù)離散性小，而單軸抗拉評價方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性高， 結(jié)果準(zhǔn)確獲取難度大。 本實(shí)驗(yàn)制備的UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)低于普通混凝土2 個數(shù)量級，具有較好的耐久性能，可滿足超高強(qiáng)、高耐久的性能要求。