鋼纖維對(duì)超高性能混凝土性能的影響

趙宇，曹鑫，陳翠翠

（1.江蘇雙龍集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211100；2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

超高性能混凝土（ultra high performance concrete，簡(jiǎn)稱UHPC），于20 世紀(jì)90 年代開始被開發(fā)，其特點(diǎn)是具有非常致密的多孔結(jié)構(gòu)、出色的機(jī)械性能和高耐久性，它的水膠比低于0.2，不含粗骨料，含有大量水泥和添加劑，尤其是含有大量的硅灰。纖維不同的摻量對(duì)UHPC 的力學(xué)性能有不同的影響，通常是摻量越高UHPC 的抗拉、抗壓強(qiáng)度越高。但摻量過(guò)高會(huì)在攪拌時(shí)凝結(jié)成團(tuán)，造成材料的浪費(fèi)并影響試件的性能。鋼纖維的高成本是不能推廣UHPC 應(yīng)用的主要因素，所以目前迫切需要我們?nèi)ソ鉀Q的問(wèn)題在于如何減小成本并且能夠滿足工程性能要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

水泥采用硅酸鹽水泥（P·Ⅱ52.5R），其參數(shù)見表1。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，硅灰外觀為灰色粉末。

表1 水泥參數(shù)

1.1.2 砂

砂采用天然河砂，其粒徑不超過(guò)4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為2.29，表觀密度為2 600 kg/m2，級(jí)配良好。

1.1.3 鋼纖維

實(shí)驗(yàn)用的鋼纖維的表觀密度為7.8 g/cm3，其具體性能指標(biāo)見表2。

表2 鋼纖維性能指標(biāo)

1.1.4 減水劑

實(shí)驗(yàn)采用聚羧酸系高效減水劑，減水率達(dá)到30%，固含量為30%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 UHPC 的制備

鋼纖維的用量分別為混凝土體積分?jǐn)?shù)的0%、1.5%、2%、2.5%，以便于研究不同鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)的配合比見表3。UHPC 制備過(guò)程具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：①根據(jù)配合比計(jì)算各項(xiàng)材料的具體用量。②按照提前計(jì)算好的各項(xiàng)材料的用量，精確稱量各項(xiàng)材料。③在攪拌工作開始前，用水將所有攪拌鍋與攪拌器濕潤(rùn)，以防在整個(gè)攪拌工作過(guò)程中造成水分大量流失。將所有膠凝材料均倒入攪拌鍋中，用旋轉(zhuǎn)攪拌器緩慢將膠凝材料攪拌到均勻?yàn)橹?。攪拌過(guò)程中要不間斷用鏟子抄底，以防鍋底攪拌不均勻，還要將鍋壁的漿體刮入鍋中。接著將所有稱量處理好的減水劑材料和水均勻混合過(guò)后直接倒入攪拌鍋并繼續(xù)充分?jǐn)嚢琛Ｗ⒁庖檬孪确Q量好的水將裝有減水劑容器的杯壁清理干凈倒入攪拌鍋。鋼纖維、砂均分批、分量多次倒入攪拌鍋，充分?jǐn)嚢琛?/p>

表3 不同鋼纖維摻量UHPC 的配合比

1.2.2 UHPC 流動(dòng)性測(cè)量

根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)量流動(dòng)性，采用下錐口內(nèi)徑100 mm、上錐口內(nèi)徑70 mm、高60 mm 的截錐試模測(cè)試。

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試

流動(dòng)性測(cè)試結(jié)束后將拌合物裝模，在把漿體裝入模具之前要先給模具刷油，以便拆模。將裝完漿體的模具放在振動(dòng)機(jī)上振搗，根據(jù)漿體的坍落擴(kuò)展度決定振搗時(shí)間的長(zhǎng)短。振搗完成后用鏟子將其上表面抹平，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模。拆模完成后，將每個(gè)試塊按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行編號(hào)，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)參照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。

抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度所測(cè)定的每組數(shù)據(jù)處理方法：取對(duì)這一組混凝土試件的所測(cè)出的各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)的算術(shù)加權(quán)計(jì)算平均值，即可直接作為用來(lái)確定測(cè)試該組試驗(yàn)試塊的抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)。分析抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)：需要取這6 個(gè)的平均值，若有1 個(gè)數(shù)據(jù)超出平均±10%，則取剩下5 個(gè)數(shù)據(jù)平均數(shù)作為抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若仍有數(shù)據(jù)超出平均值的±10%，則該組的數(shù)據(jù)無(wú)效，需要重新測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼纖維摻量對(duì)流動(dòng)性的影響

當(dāng)摻入鋼纖維后，漿體的均勻性有所下降，尤其是鋼纖維摻量為2.5%的時(shí)候，漿體均勻性較差，局部還有團(tuán)聚。鋼纖維摻量對(duì)流動(dòng)性能影響見圖1。

圖1 鋼纖維摻量對(duì)流動(dòng)性的影響

從圖1 可以看出，對(duì)于初始流動(dòng)性來(lái)說(shuō)，鋼纖維摻量的增加會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性隨之降低，當(dāng)鋼纖維摻量為2.5%時(shí)，與不摻鋼纖維漿體相比流動(dòng)性下降了80 mm，下降幅度達(dá)24%。30 min 后的流動(dòng)度變化規(guī)律和初始流動(dòng)性相似，隨著鋼纖維的摻入量逐漸增加，流動(dòng)性也逐漸隨之降低，下降幅度最大達(dá)到24%。這是由于鋼纖維在水泥漿體中的分布縱橫交錯(cuò)，并且鋼纖維的自重較大，阻礙了漿體的流動(dòng)。對(duì)于30 min 的流動(dòng)性損失來(lái)說(shuō)，當(dāng)鋼纖維摻量分別為0%、1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，30 min 流動(dòng)性損失分別為1.5%，1.6%，0.7%，1.9%。鋼纖維會(huì)引起初始流動(dòng)性急劇下降，但是對(duì)30 min 流動(dòng)性損失沒(méi)有明顯影響。

2.2 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 給出的是不同鋼纖維摻量的細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖2 可以看出，對(duì)于同一個(gè)齡期而言，鋼纖維會(huì)提高細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度，細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維用量的增加而提高。與不摻鋼纖維樣品相比，當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%的時(shí)候，細(xì)骨料UHPC 的3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別提高了19%、40%、41%。說(shuō)明鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC 的中長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度具有顯著的提升作用。整體來(lái)看，當(dāng)鋼纖維摻量超過(guò)1.5%的時(shí)候，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率開始變緩。對(duì)于齡期為28 d 時(shí)，鋼纖維摻量為2.5%的時(shí)候，細(xì)骨料UHPC的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到50%。從抗壓強(qiáng)度結(jié)果來(lái)看，鋼纖維摻量并不是越多越好。數(shù)量太多時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致纖維出現(xiàn)團(tuán)聚，使得漿體中鋼纖維不能夠均勻分布。當(dāng)纖維分布不均勻時(shí)，混凝土中就會(huì)產(chǎn)生薄弱的區(qū)域，使超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅逐漸減小。從流動(dòng)性、工程造價(jià)和材料性能等方面綜合考慮，鋼纖維對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提升存在最佳摻量。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 鋼纖維摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖3 給出的是不同鋼纖維摻量的細(xì)骨料UHPC的抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖3 可以看出，對(duì)于同一個(gè)齡期而言，隨著鋼纖維摻量的增加，細(xì)骨料UHPC的抗折強(qiáng)度也在明顯增加。當(dāng)齡期為3 d 的時(shí)候，鋼纖維摻量為1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度分別提高了31%、52%、73%。當(dāng)齡期為7 d 的時(shí)候，鋼纖維摻量為1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度分別提高了36%、47%、73%。當(dāng)齡期為28 d 的時(shí)候，鋼纖維摻量為1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度分別提高了28%、44%、61%。3 d 和7 d 的抗折強(qiáng)度提高程度相比28 d 抗折強(qiáng)度更明顯，說(shuō)明鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC 的早期抗折強(qiáng)度具有顯著的提高效果，并且鋼纖維摻量越多，抗折強(qiáng)度提升的越明顯。鋼纖維摻量2.5%的樣品的抗折強(qiáng)度提升幅度是鋼纖維摻量1.5%的樣品的抗折強(qiáng)度提升幅度的兩倍多。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量幅度增大，超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)的幅度越大。

圖3 鋼纖維摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC 的流動(dòng)性具有一定的影響。鋼纖維會(huì)提高細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，并且當(dāng)鋼纖維摻量從0%增加到2.5%時(shí)，細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著鋼纖維用量的增加而增加。鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC的早期抗折強(qiáng)度具有特別顯著的提升效果，并且鋼纖維摻量越多，抗折強(qiáng)度提升的越明顯。從流動(dòng)性、工程造價(jià)和材料性能等方面綜合考慮，鋼纖維對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提升存在最佳摻量。