鋼-聚乙烯混雜纖維對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響研究

林亞強(qiáng)，姚 勇

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

1 引言

混凝土作為一種水泥基復(fù)合材料，因其原料來源廣、成本低廉、制備簡單且具有防火、耐久、適應(yīng)性強(qiáng)[1]等優(yōu)點(diǎn)，每年的產(chǎn)量達(dá)到60 億t[2]，是世界上使用最廣泛的建筑材料。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，建筑朝著“更高”“更廣”的方向發(fā)展，對(duì)混凝土的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)混凝土已不能普遍滿足所有需求。超高性能混凝土的成功研發(fā)，為混凝土的發(fā)展提供了新的思路。超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete，UHPC)在1994年由法國學(xué)者Larrard和Sedran提出[3～5]。它是一種由水泥、活性礦物摻合料、細(xì)骨料、高效減水劑組成的水泥基復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)度、超高耐久性。通過摻入高效減水劑保證UHPC在超低水膠比狀態(tài)下的流動(dòng)性，UHPC的抗壓強(qiáng)度能達(dá)150 MPa以上，但它存在較普通混凝土更大的脆性問題，導(dǎo)致其突然性的破壞和高脆性行為[6]。研究者借鑒纖維增強(qiáng)混凝土的思想，通過摻加纖維的方式來改善UHPC的破壞脆性問題[7]。實(shí)際工程項(xiàng)目中，摻鋼纖維的UHPC應(yīng)用最多。鋼纖維的體積摻量低于1.0%時(shí)，它對(duì)UHPC的力學(xué)性能提高不明顯[8]。端鉤型鋼纖維相比圓直鋼纖維更能提高UHPC的力學(xué)性能[9]。當(dāng)前，隨著纖維混凝土的不斷研究，對(duì)混雜纖維的深入探究是纖維混凝土發(fā)展的新方向。混雜纖維混凝土大致可分為兩種情形：一種是不同種類的纖維混雜；二是不同尺寸或不同外形的同種纖維進(jìn)行混雜。不同纖維的混雜可以在不同的受荷階段以及結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮出混雜纖維的性能效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，從而對(duì)混凝土基體材料進(jìn)行逐級(jí)強(qiáng)化[10～14]。一般來說，彈性模量高的纖維增強(qiáng)效果較好，但價(jià)格也比較高，彈性模量低的纖維增強(qiáng)效果雖差但增韌阻裂效果好，價(jià)格也相對(duì)便宜，通過合理的混雜搭配，使低彈性模量和高彈性模量的纖維取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同和超疊加效應(yīng)，使其在混凝土不同的受力階段和結(jié)構(gòu)層次上充分發(fā)揮各纖維的作用，以此達(dá)到逐級(jí)阻裂和增韌增強(qiáng)的目的[15,16]。本文以UHPC為基體，探究鋼-PE混雜纖維對(duì)UHPC的流動(dòng)性和力學(xué)性能影響，并找到最佳摻量比。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

水泥采用“雙馬”牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(P.042.5)，生產(chǎn)于四川雙馬水泥股份有限公司，其化學(xué)組成和物理性能如表1和表2所示。

表1 P.042.5水泥化學(xué)組成 %

表2 P.042.5水泥物理性能

硅灰為河南義翔新材料有限公司生產(chǎn)，灰色粉末，二氧化硅含量在85%以上；粉煤灰為恒源新材料有限公司生產(chǎn)，灰色粉末，優(yōu)質(zhì)一級(jí)灰；微礦粉為恒源新材料有限公司生產(chǎn)，白色粉末；石英粉為鄭州邦潔凈水有限公司生產(chǎn)，325目，密度為2.65 g/cm3；石英粉采用綿陽市涪城區(qū)龍門石英砂廠生產(chǎn)的40～70目石英砂；聚乙烯纖維采用湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維；鋼纖維采用長度35 mm，直徑0.75mm的端鉤型纖維，密度為7.85 g/cm3。

表3 基本配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2.2 試塊制備

(1)根據(jù)試驗(yàn)配合比，準(zhǔn)確稱量各材料質(zhì)量，先加入水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、石英粉、微礦粉進(jìn)行攪拌2 min。

(2)均勻加入纖維，纖維加入過程中，攪拌機(jī)不停機(jī)，始終處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，待全部加入后再攪拌4 min。

(3)加入約1/2的水?dāng)嚢? min，而后再加入全部減水劑攪拌2 min，至拌合物呈面團(tuán)狀。

(4)加入剩余的水?dāng)嚢?0 min，直至膠凝材料充分分散并混合均勻。

(5)停機(jī)，將拌合物裝進(jìn)模具中，先裝模具高度的一半，振動(dòng)60s，再裝滿另外一半振動(dòng)60 s，然后抹平。

2.3 試塊養(yǎng)護(hù)

(1)靜停。試塊成型后，移入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度90%以上)48 h。

(2)升溫養(yǎng)護(hù)。靜停后的試塊，放入蒸汽快速養(yǎng)護(hù)箱，以15 ℃/h的速率升溫至90 ℃，保持恒溫72 h，以同樣速率降回室溫，升溫養(yǎng)護(hù)過程中的環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在95%以上，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆模。

(3)自然養(yǎng)護(hù)。試塊取出后，放置在自然環(huán)境中直至7 d期齡后開展力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.4 測試方法

2.4.1 流動(dòng)性測試

本試驗(yàn)采用水泥膠砂流動(dòng)度測定儀，試模(由截錐圓模和模套組成)，長度為200 mm的搗棒，量程為400 mm的鋼尺三把，抹刀。流動(dòng)度測定參照GB/T2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》

2.4.2 抗壓強(qiáng)度測試

本試驗(yàn)采用2000 kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，素UHPC和摻鋼-PE混雜纖維的UHPC的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)步驟按照《普通混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)規(guī)定進(jìn)行。100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，以1.3 MPa/s的速率進(jìn)行加載；試件破壞后，讀取破壞荷載。

3 結(jié)果及分析

3.1 混雜纖維對(duì)UHPC流動(dòng)性的影響

較普通混凝土相比，UHPC摻加的原材料品種較多，同時(shí)影響流動(dòng)性的因素也比較多，包括水泥種類、纖維摻量、礦物摻合料的摻量、外加劑的摻量、拌制方法、水膠比等，這些因素都會(huì)對(duì)UHPC的工作性能產(chǎn)生不同程度的影響[17,18]。

從圖1可以看出，未摻入纖維時(shí)，素UHPC的流動(dòng)度為237.5 mm，單摻鋼纖維時(shí)的流動(dòng)度為215 mm，單摻6 mm、12 mmPE纖維時(shí)的流動(dòng)度分別為125 mm、105 mm。在總體積摻量不變的情況下，隨著鋼纖維和PE纖維的加入，混凝土流動(dòng)性均大幅下降，單摻鋼纖維時(shí)流動(dòng)性下降了9.47%，單摻6 mmPE纖維時(shí)下降了47.36%，單摻12 mmPE纖維時(shí)下降了55.79%，可見，PE纖維的摻入，對(duì)流動(dòng)性的影響更大，且12 mmPE纖維2%摻量時(shí)的影響程度最大，分析其原因，主要是12 mmPE纖維在混凝土中的分散性較差，有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象較為明顯，故導(dǎo)致UHPC流動(dòng)性驟降。

圖1 鋼-PE混雜纖維UHPC流動(dòng)度

3.2 PE纖維對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

100 mm×100 mm×100 mm素UHPC立方體試塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到103.8 MPa。未摻纖維的素UHPC應(yīng)力全部由基體承擔(dān)，一旦基體達(dá)到極限強(qiáng)度，瞬間發(fā)生爆炸性破壞。而摻入鋼纖維、PE纖維后的UHPC在裂縫出現(xiàn)后并沒有立即發(fā)生破壞，而是伴隨著荷載的逐漸加大仍然能承受部分荷載并發(fā)生緩慢的變形，表現(xiàn)出延性破壞的特征。鋼-PE混雜纖維對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖2 鋼-PE混雜纖維UHPC抗壓強(qiáng)度

單摻2%鋼纖維時(shí)，抗壓強(qiáng)度為125.1 MPa，較素UHPC提升了20.52%；單摻6 mm、12 mm纖維時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為91.5 MPa、94.5 MPa，卻較素UHPC下降了11.85%、8.96%；這主要是由于PE纖維與基體之間的界面效應(yīng)會(huì)增多UHPC內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，削弱UHPC基體的整體性，PE纖維的抗壓強(qiáng)度又遠(yuǎn)不如基體強(qiáng)度，所以摻2%的PE纖維會(huì)明顯降低UHPC的抗壓強(qiáng)度。而鋼-聚乙烯混雜纖維能顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，在總體積摻量2%不變的情況下，隨著PE纖維體積摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)1.5%的鋼纖維和0.5%的PE纖維混雜時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到了132.6 MPa，較素UHPC提高了27.7%，此時(shí)混雜效果最好。