鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能影響研究

王雄鋒，陳 波，張 豐，何 旸，徐霽云

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029)

隨著超高層建筑、大跨度橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，土木工程材料對(duì)輕量化、高強(qiáng)化、綠色化和耐久性的要求越來(lái)越高，超高強(qiáng)度和高耐久性的超高性能混凝土得到了廣泛的應(yīng)用[1]。超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)的概念由Richard等[2]在1994年首次提出，早期也稱為活性粉末混凝土(RPC)。1979年，Bache采用細(xì)料致密法(Densified with Small Particles, DSP)，通過(guò)加入硅灰與高性能減水劑，來(lái)減小孔隙率，制備出抗壓強(qiáng)度為150 MPa～200 MPa的混凝土，制品以DENSIT 作為商標(biāo)出現(xiàn)在市場(chǎng)中[3-4]。此后，在建筑領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1996年，Oliver等[5]研究證明摻加鋼纖維后RPC的抗彎強(qiáng)度和能量吸收能力得到了顯著提升。陳從春等[6]發(fā)現(xiàn)，將2.5%體積摻量的鋼纖維摻入U(xiǎn)HPC中，相比較UHPC基體，立方體抗壓強(qiáng)度提高25%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高1.7倍，抗彎強(qiáng)度提高83%，當(dāng)摻入3%的鋼纖維時(shí)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到150 MPa甚至更高。鞠彥忠等[7]研究單摻鋼纖維對(duì)RPC試件的抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度的影響，隨著鋼纖維的增加，當(dāng)體積摻量在1.0%到2.0%范圍內(nèi)時(shí)，鋼纖維對(duì)RPC的強(qiáng)度影響不大；當(dāng)體積摻量超過(guò)2.0%后，RPC試件的強(qiáng)度提高顯著；當(dāng)鋼纖維體積摻量大于3.5%后，僅抗彎強(qiáng)度繼續(xù)提升。Yoo等[8]分析了體積摻量分別為1%、2%、3%、4%和長(zhǎng)徑比為65的鋼纖維對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，抗壓強(qiáng)度的最佳摻量為3%，抗彎強(qiáng)度的最佳摻量為4%。黃雪林等[9]研究了纖維種類和摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，認(rèn)為纖維的增加對(duì)混凝土的強(qiáng)度增加作用是有限的。程鵬等[10]研究了不同鋼纖維摻量和粗骨料摻量對(duì)UHPC彎曲性能的影響。梁興文等[11]、郭志強(qiáng)[12]研究了異型鋼纖維摻量對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響，都得出當(dāng)鋼纖維摻量為5%時(shí)抗彎強(qiáng)度最大。但是鋼纖維體積摻量對(duì)超高性能混凝土增強(qiáng)增韌評(píng)價(jià)結(jié)論不一致，所以有必要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。因此試驗(yàn)選用水膠比為0.19，研究鋼纖維分別以1.0%、1.5%、2.0%的體積摻量加入基準(zhǔn)組(S0)中對(duì)超高性能混凝土(UHPC)流動(dòng)性和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程先進(jìn)行UHPC流動(dòng)性測(cè)試；然后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用海螺牌P O42.5普通硅酸鹽水泥；宣城雙樂(lè)F類I級(jí)粉煤灰；細(xì)度模數(shù)為2.8的河砂；正源益清新材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SiO2含量92.54%，28 d活性指數(shù)為142.5%的硅灰；蘇州興邦化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率為28%；貝卡爾特的微細(xì)鍍銅圓直鋼纖維，性能見(jiàn)表1。

表1 鋼纖維參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

UHPC水膠比為0.19，砂膠比為1.4，鋼纖維為分別以1.0%、1.5%、2.0%的體積摻量加入基準(zhǔn)組(S0)中，配合比見(jiàn)表2。

表2 配合比

1.3 試件制備

試件的成型按照以下順序：(1) 依據(jù)配合比準(zhǔn)備好材料。將膠凝材料、砂和減水劑投入攪拌機(jī)中干拌1 min；(2) 將水緩慢倒入工作中的攪拌機(jī)并持續(xù)攪拌5 min～6 min；(3) 采用人工均勻投入方式將鋼纖維在兩分鐘內(nèi)撒入漿體中，攪拌5 min。(4) 攪拌完成，進(jìn)行UHPC坍落度和擴(kuò)展度測(cè)試；(5) 坍落度和擴(kuò)展度測(cè)試完畢后立即進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑完畢后振動(dòng)15 s～25 s至密實(shí)狀態(tài)。試件成型完畢后，在20℃±2℃靜置2 d后拆模，將其置于 20℃±2℃、相對(duì)濕度 95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d，取出試件并將其放入60℃熱水養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)7 d，最后冷卻至室溫即養(yǎng)護(hù)完畢。養(yǎng)護(hù)完畢的試件即可進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試與分析。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 工作性能

根據(jù)《超高性能混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13](T/CECS 864—2021)對(duì)摻鋼纖維的UHPC進(jìn)行擴(kuò)展度測(cè)試，如圖1所示。將新鮮的UHPC砂漿倒入模具直至填滿，將多余砂漿刮去后，將模具快速向上提。當(dāng)新鮮砂漿穩(wěn)定后，在沒(méi)有任何震動(dòng)的情況下測(cè)量相互垂直的2個(gè)直徑并記錄，擴(kuò)展度為數(shù)據(jù)平均值[14]。

圖1 擴(kuò)展度測(cè)試

1.4.2 力學(xué)性能

根據(jù)《超高性能混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13](T/CECS 864—2021)對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。制備6個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的試件為一組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試；制備3個(gè)100 mm×100 mm×400 mm的試件為一組進(jìn)行抗彎全曲線測(cè)試，如圖2所示。

圖2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC工作性能影響

鋼纖維對(duì)UHPC坍落度和擴(kuò)展度的影響如圖3所示。從圖中可以看出，不摻鋼纖維的UHPC(基準(zhǔn)組)坍落度和擴(kuò)展度分別為265 mm、540 mm，流動(dòng)性最好，鋼纖維的摻入對(duì)坍落度和擴(kuò)展度有一定影響。當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.0%、1.5%和2.0%時(shí)，坍落度分別為260 mm、255 mm和240 mm，較基準(zhǔn)組分別下降了1.9%、3.8%和9.4%；擴(kuò)展度分別為510 mm、490 mm和425 mm，較基準(zhǔn)組分別下降了5.6%、9.3%和21.3%。這是由于鋼纖維與基體之間產(chǎn)生黏結(jié)和摩擦，阻礙了UHPC的流動(dòng)性[15]。此外，鋼纖維與基體之間形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步阻礙了UHPC的流動(dòng)。由數(shù)據(jù)可知，隨著鋼纖維摻量增加，UHPC流動(dòng)性呈下降趨勢(shì)。

圖3 鋼纖維摻量對(duì)UHPC坍落度和擴(kuò)展度的影響

2.2 鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC力學(xué)性能影響

2.2.1 鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度影響

不同鋼纖維體積摻量UHPC的立方體抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖4。不摻鋼纖維的UHPC立方體抗壓強(qiáng)度為103.9 MPa，強(qiáng)度最低，當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.0%、1.5%和2.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為116.7 MPa、120.2 MPa和123.7 MPa，分別提升了12.3%、15.5%和19.1%。鋼纖維的摻入對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度有較大的提升，但隨著鋼纖維體積摻量從1.0%～2.0%，抗壓強(qiáng)度變化不大。

圖4 鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

未摻入鋼纖維時(shí)，試件內(nèi)部存在較多孔隙和其他缺陷，受壓過(guò)程中為壓剪破壞，如圖5所示。未摻入鋼纖維的UHPC試件在受壓過(guò)程中，試件端面與壓板之間由于試件橫向膨脹受到約束而在接觸面上產(chǎn)生摩阻力，所以試件破壞時(shí)留下一個(gè)未被破壞的棱錐體且發(fā)生爆裂情況。當(dāng)有纖維加入試件中時(shí)，其亂向分布構(gòu)成三維骨架與UHPC共同承受外力，一方面鋼纖維能夠約束變形，產(chǎn)生“環(huán)箍效應(yīng)”，另一方面抗拉強(qiáng)度高的鋼纖維能夠抑制微裂紋的發(fā)展[15-16]。在此過(guò)程中，鋼纖維與基體不斷發(fā)生黏結(jié)滑移，鋼纖維與基體間良好的黏結(jié)力使其消耗了大量能量，因此試件抗壓能力提高。

圖5 UHPC受壓破壞形態(tài)

2.2.2 鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性影響

UHPC破壞后的形態(tài)如圖6所示。UHPC試件受彎破壞時(shí)大多是單裂縫破壞并未出現(xiàn)明顯的多裂縫形態(tài)，這與曹明莉等[17]、張文華等[18]研究發(fā)現(xiàn)一致。由于使用的是表面光滑的短細(xì)圓鋼纖維，與混凝土基體沒(méi)有足夠的黏結(jié)，因此沒(méi)有形成多裂縫開裂形態(tài)。但是仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，主裂縫周邊的次生裂縫增加，在一定程度上提高了UHPC的抗彎能力。

圖6 不同纖維摻量的UHPC純彎段裂縫形態(tài)

不同鋼纖維摻量UHPC荷載-撓度曲線如圖7所示，參照規(guī)范[19]和規(guī)范[13]對(duì)圖7試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 不同鋼纖維體積摻量UHPC荷載-撓度曲線的特征參數(shù)

圖7 不同鋼纖維體積摻量UHPC荷載-撓度曲線

含鋼纖維的UHPC受彎過(guò)程中在初裂后依然可以承受更高的荷載，這表明鋼纖維對(duì) UHPC有較好的增強(qiáng)增韌效果。鋼纖維對(duì)UHPC峰值強(qiáng)度和撓度的影響如圖8所示。由圖8可知fp和δp受纖維摻量影響較大，當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，fp和δp分別為16.7 MPa和0.693 mm。當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.5%和2.0%時(shí)，fp為23.1 MPa和23.8 MPa，分別提高了38.3%和42.5%，δp為 0.766 mm和0.889 mm，分別上升了10.5%和28.3%。因此纖維摻量能顯著提高UHPC開裂后的性能，試件初裂后，外荷載主要作用在鋼纖維與基體黏結(jié)部分，隨著纖維摻量的增加，一方面纖維平均間距減小，更多纖維參與承受荷載并抑制微裂縫開展，另一方面黏結(jié)滑移特性進(jìn)一步加強(qiáng)從而消耗更多能量，使得UHPC抗彎強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的撓度得到了提高。

圖8 鋼纖維摻量對(duì)UHPC抗彎強(qiáng)度和其對(duì)應(yīng)撓度的影響

圖9 δ0.5、δ2.0處鋼纖維摻量對(duì)荷載的影響

圖10 鋼纖維摻量對(duì)韌性的影響

圖11 鋼纖維摻量對(duì)等效彎曲強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

(1) 隨著鋼纖維體積摻量的增加，UHPC的流動(dòng)性呈下降趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性逐漸增大。

(2) 摻鋼纖維的UHPC較基體的抗壓強(qiáng)度有顯著的提升。鋼纖維體積摻量從1.0%增加到2.0%，UHPC抗壓強(qiáng)度提高了12.3%～19.1%。

(3) 隨著鋼纖維體積摻量的增加，抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性的增長(zhǎng)幅度減緩。從荷載-撓度曲線可知，鋼纖維體積摻量大于1.5%時(shí)對(duì)韌性變化影響不大。