三元膠凝體系中鋼纖維增強(qiáng)UHPC性能研究

李群峰 惲進(jìn)進(jìn)，2

（1.安徽海螺水泥股份有限公司，安徽 蕪湖 241011；2.安徽精公檢測檢驗(yàn)中心有限公司，安徽 蕪湖 241070）

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑物的高層化、大跨化、地下化、結(jié)構(gòu)輕量化以及使用環(huán)境的日益嚴(yán)酷化，新的結(jié)構(gòu)體系和新的結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用成為迫切的需要。與結(jié)構(gòu)形式的改變相比，新材料的應(yīng)用有巨大的潛力，而且結(jié)構(gòu)愈重要也愈需要高性能的材料來滿足結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，發(fā)揮新穎結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)。超高性能混凝土具有超高的力學(xué)性能，極優(yōu)異的耐久性能以及抗爆性和抗沖擊性。與普通混凝土相比，其在各項(xiàng)性能上均有質(zhì)的突破，在大跨度橋梁、超高層建筑、海洋工程以及軍事防護(hù)工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)建成的南京長江五橋就使用了超高性能混凝土。UHPC的配制原理是：通過提高組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的缺陷減少到最少，以獲得超高強(qiáng)度和高耐久性。通常制備UHPC的原材料包括：水泥、硅灰、細(xì)石英砂、鋼纖維、高性能減水劑等。

1 主要原材料及試驗(yàn)方法

影響水泥基復(fù)合膠凝材料性能的因素很多，原材料是其中最常見的影響因素。除此之外，試件的成型條件、養(yǎng)護(hù)制度以及各項(xiàng)性能測試方法的不同，均會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，該文主要介紹UHPC所用的原材料及其基本性能、試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)及采取的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)主要原材料有硅酸鹽水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸減水劑和鋼纖維等。

1.1 主要原材料

該試驗(yàn)所用的硅酸鹽水泥為海螺牌PⅡ52.5水泥，物理性能見表1。硅灰外形為灰色粉末，密度為600kg/m。鋼纖維為高強(qiáng)鋼絲切斷型細(xì)圓形表面鍍鋼纖維，直徑0.18mm～0.22mm，長度12mm～16mm。減水劑為自制聚醚型聚羧酸系高性能減水劑。

表1 水泥物理性能結(jié)果

1.2 主要儀器設(shè)備

HJW-30型混凝土攪拌機(jī)，河北科析；JJ-5型ISO行星水泥膠砂攪拌機(jī)，無錫建儀；TYE-300T型水泥壓力試驗(yàn)機(jī)；TYE-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)，無錫建儀。

1.3 試驗(yàn)方法

將按照配合比稱量好的水泥、硅灰、石英砂倒入攪拌鍋中，混合干拌1min，然后在1min內(nèi)加入鋼纖維，并繼續(xù)攪拌1min～2min，最后加入減水劑和水，攪拌4min后獲得均質(zhì)性漿體。攪拌結(jié)束，立即進(jìn)行流動(dòng)度測試，同時(shí)澆筑成型，在振動(dòng)臺上振動(dòng)并用抹刀抹平，成型試模尺寸為40mm×40mm×160mm。

按照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄A.0.2進(jìn)行流動(dòng)度測試，根據(jù)GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》和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)行強(qiáng)度檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

該項(xiàng)目立足于常規(guī)工藝下的UHPC，性能中最受關(guān)注的為力學(xué)性能和流動(dòng)性能。本節(jié)通過試驗(yàn)全面系統(tǒng)地研究了水膠比、硅灰摻量、膠砂比、鋼纖維摻量和礦粉摻量等因素對UHPC力學(xué)性能和流動(dòng)性能的影響。

2.1 不同鋼纖維摻量對UHPC性能的影響。

固定砂膠比為1∶1，水膠比為0.19，鋼纖維體積摻量分別為0%、1%、2%、3%。不同鋼纖維摻量的UHPC的流動(dòng)性能見表2，從表中可以看出，不摻加鋼纖維時(shí)，UHPC的流動(dòng)性能最佳，為320mm。隨著鋼纖維摻量增加，流動(dòng)度逐漸下降。當(dāng)鋼纖維為2%時(shí)，UHPC的流動(dòng)度只有220mm，當(dāng)鋼纖維摻量為3%時(shí)，UHPC基本無流動(dòng)性，須通過振搗方可實(shí)現(xiàn)漿體的成型，肉眼可見團(tuán)狀聚集的鋼纖維，導(dǎo)致流動(dòng)性較差。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可在振搗后將其用于施工量少且強(qiáng)度要求較高部位的澆筑，如構(gòu)造柱、伸縮縫和裝配式建筑等。由于鋼纖維在水泥漿體中的分散性能較差，在攪拌的過程中會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，故隨著鋼纖維體積摻量的增加，混凝土的流動(dòng)性能也隨之降低。

表2 不同鋼纖維摻量UHPC流動(dòng)性能

不同摻量鋼纖維的UHPC力學(xué)性能結(jié)果見表3。從表3中可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，所制備的UHPC的3d抗壓、抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)，其比不摻加鋼纖維的UHPC的3d、28d抗折強(qiáng)度分別提高了34.0%、30.5%，3d、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了60.9%，61.1%。當(dāng)鋼纖維體積摻量為3%時(shí)，UHPC的3d、28d抗折強(qiáng)度分別提高了84.4%、100.6%，3d抗壓強(qiáng)度提高了71.0%。鋼纖維作為混凝土的增韌材料，與混凝土發(fā)生作用效果是由鋼纖維和混凝土中砂石、水泥基等材料的結(jié)合作用力的強(qiáng)弱所決定的。當(dāng)混凝土發(fā)生開裂時(shí)，原先由混凝土所承受的作用力發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)變?yōu)橛射摾w維及其鄰近的混凝土受力。若外界載荷逐步增加，鋼纖維受力增加，當(dāng)超過鋼纖維和混凝土黏結(jié)力或者是剛性纖維的極限強(qiáng)度后，鋼纖維與混凝土就會(huì)發(fā)生剝離而產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生破壞。

表3 不同鋼纖維體積摻量的UHPC力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 膠砂比對UHPC性能的影響

UHPC和普通混凝土一樣，是一種非均勻的多孔材料，UHPC中漿體和骨料的比例及兩者力學(xué)性能上的差異是造成UHPC結(jié)構(gòu)勻質(zhì)性差的主要原因之一，試驗(yàn)研究了4種不同膠砂比，分別為1∶0.9、1∶1、1∶1.1和1∶1.2，以測量UHPC的流動(dòng)性能。結(jié)果表明，砂膠比增大，UHPC的流動(dòng)度有所下降。隨著膠砂比逐漸下降，當(dāng)膠砂比為1∶1.2時(shí)，UHPC的流動(dòng)度下降至263mm，基本滿足施工要求，經(jīng)濟(jì)效益最佳。由于砂表面粗糙且棱角多，使混凝土流動(dòng)過程中的集料間的摩擦力較大。隨著石英砂摻量的增加，包裹集料的漿體相對減少，最終導(dǎo)致流動(dòng)性的降低。

不同膠砂比的UHPC力學(xué)性能結(jié)果表明，隨著砂膠比的增加，UHPC的3d抗壓有所下降。這是由于當(dāng)砂的含量增加時(shí)，骨料的總表面積和空隙率都有所增加，這就需要更多的漿體來包裹骨料，并同時(shí)填充孔隙。當(dāng)砂含量過大導(dǎo)致漿體無法填滿孔隙時(shí)，強(qiáng)度自然下降。

2.3 不同水膠比對UHPC力學(xué)性能的影響

隨著水膠比的降低，所制備的UHPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加、后降低的趨勢。當(dāng)水膠比為0.19時(shí)，UHPC的抗壓強(qiáng)度最高。蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，UHPC的抗壓強(qiáng)度增長很快，這是由于蒸汽加速了水泥的水化，使UHPC的強(qiáng)度得到了充分的發(fā)揮，3d抗壓強(qiáng)度比在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下增長了33.7%～52.7%。蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后再進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)，其抗壓強(qiáng)度與蒸養(yǎng)3d基本一致，增長很小。

設(shè)置水膠比為0.17～0.21，硅灰摻量10%，鋼纖維摻量1%，流動(dòng)度結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，當(dāng)水膠比為0.17時(shí)，UHPC的流動(dòng)度只有194mm，流動(dòng)性較差。隨著水膠比的增大，UHPC的流動(dòng)度逐漸增大。當(dāng)水膠比為0.21時(shí)，UHPC流動(dòng)度達(dá)到了284mm。

圖1 不同水膠比的UHPC流動(dòng)性能

不同水膠比的UHPC流變性能如圖2所示。隨著水膠比的增大，超高性能混凝土的塑性黏度和屈服應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，這主要是因?yàn)樗z比較低時(shí)，超高性能混凝土顆粒表面水膜層較小，顆粒間作用強(qiáng)，超高性能混凝土基體黏度較高，屈服應(yīng)力和塑性黏度較大。隨著水膠比增大，顆粒表面的水膜層也逐漸增大，顆粒間的滑動(dòng)也更加容易，超高性能混凝土漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度逐漸降低。

圖2 不同水膠比的UHPC流變性能

電通量是表征UHPC耐久性能的重要指標(biāo)，電通量檢測結(jié)果如圖3所示。UHPC砂膠比0.9，硅灰摻量5%。隨著水膠比的降低，所制備的超高性能混凝土電通量出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，即超高性能混凝土的抗氯離子滲透性能隨著水膠比的降低而逐漸增加。這主要是由于水膠比降低，UHPC的空隙降低，密實(shí)程度增加，宏觀表現(xiàn)為電通量數(shù)值變小。

圖3 不同水膠比的電通量檢測結(jié)果

2.4 不同硅灰摻量對UHPC性能的影響

設(shè)水膠比為0.18，鋼纖維摻量1%，硅灰摻量0%～20%。結(jié)果表明，不摻加硅灰時(shí)流動(dòng)度最大，且UHPC漿體有輕微泌水。隨著硅灰摻量的增加，UHPC漿體不泌水，但流動(dòng)性逐漸下降。這主要是由于硅灰遠(yuǎn)比水泥顆粒小，具有很大的比表面積，摻加適量的硅灰可以較好地提高UHPC的黏聚性和保水性，改善泌水現(xiàn)象，但需水量也增大，在水膠比一定的條件下，漿體變稠，流動(dòng)度降低。

不同硅灰摻量的UHPC力學(xué)性能見表4。摻加硅灰后，UHPC的早期強(qiáng)度稍有下降，但后期強(qiáng)度有所增長，且隨著硅灰摻量的增加，后期強(qiáng)度逐漸增加。這主要是由于硅灰遠(yuǎn)比水泥顆粒小，且具有很大的比表面積，其填充作用從微觀尺度上看是增加了UHPC密實(shí)度，將強(qiáng)度不高的氫氧化鈣與大量的活性二氧化硅反應(yīng)轉(zhuǎn)化為C-S-H凝膠，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，有力地促進(jìn)強(qiáng)度的增長。不同硅灰摻量的UHPC電通量結(jié)果表明，隨著硅灰摻量的增加，UHPC電通量逐漸下降，即UHPC抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。

表4 不同硅灰摻量的UHPC力學(xué)性能

2.5 超細(xì)礦粉對UHPC性能的影響

為了研究礦粉的摻入對UHPC體系的力學(xué)性能的影響規(guī)律，該文設(shè)置了不同鋼纖維摻量、PCA摻量、膠砂比、硅灰摻量、礦粉摻量5個(gè)影響因素，具體檢測結(jié)果見表5。

表5 驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果

以上試驗(yàn)的水膠比控制在0.10～0.20，試件尺寸為40mm×40mm×160mm和100mm×100mm×100mm。研究結(jié)果表明，在引入礦粉之后，膠砂比對UHPC力學(xué)性能影響較小，從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，建議膠砂比不大于1∶1。PCA摻量過高會(huì)使UHPC力學(xué)性能下降明顯，建議摻量不超過5%。鋼纖維可使UHPC力學(xué)性能大幅提高，同時(shí)使UHPC工作性能降低，從力學(xué)性能和工作性能角度綜合考慮，鋼纖維摻量在3%～4%較為合適。膠凝材料中水泥加硅灰占70%、超細(xì)礦粉占30%時(shí)力學(xué)性能最佳。

3 結(jié)論

該文針對UHPC的力學(xué)性能和耐久性能，系統(tǒng)地研究了水膠比、膠砂比、硅灰摻量、鋼纖維摻量和礦粉對UHPC性能的影響，得出的主要結(jié)論如下。

當(dāng)水膠比為0.17時(shí)，UHPC的流動(dòng)度只有194mm，流動(dòng)性較差，隨著水膠比的增大，UHPC的流動(dòng)度逐漸增大。隨著水膠比的增大，UHPC的塑性黏度和屈服應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。隨著水膠比的降低，所制備的UHPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及蒸汽養(yǎng)護(hù)加標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?？孤入x子滲透性能隨著水膠比的較低而逐漸增加。

不摻加硅灰時(shí)流動(dòng)度最大，且UHPC漿體有輕微泌水，隨著硅灰摻量的增加，UHPC漿體不泌水，但流動(dòng)性逐漸下降。摻加硅灰后，UHPC的早期強(qiáng)度稍有下降，但后期強(qiáng)度有所增長，且隨著硅灰摻量的增加，后期強(qiáng)度逐漸增加。UHPC電通量隨著硅灰摻量的增加而逐漸下降。

隨著砂膠比增大，UHPC的流動(dòng)度有所下降。當(dāng)膠砂比為1∶0.8時(shí)，有輕微泌水的現(xiàn)象。隨著砂膠比增加，UHPC的3d抗壓抗壓強(qiáng)度有所下降。

UHPC的流動(dòng)性能隨著鋼纖維摻量的增加而降低，當(dāng)鋼纖維為2%時(shí)，UHPC的流動(dòng)度只有220mm。隨著鋼纖維摻量的增加，所制備的UHPC的3d抗壓、抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)，其比不摻加鋼纖維的UHPC的3d、28d抗折強(qiáng)度分別提高了34.0%、30.5%，3d、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了60.9%，61.1%。當(dāng)鋼纖維體積摻量為3%時(shí)，UHPC的3d、28d抗折強(qiáng)度分別提高了84.4%、100.6%，3d抗壓強(qiáng)度提高了71.0%。