低摻量鋼纖維對UHPC性能的影響

杜永超， 徐海賓， 雷余鵬， 劉松鑫

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

隨著全球氣候變暖加劇，各種天災(zāi)頻發(fā)，越來越多的人開始注重保護(hù)地球環(huán)境，降低碳排放[1]。我國提出在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、在2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就必然要解決中國碳排放中的重要貢獻(xiàn)者——“中國建筑建材碳排放”。中國建筑節(jié)能協(xié)會《中國建筑能耗研究報告(2020)》[2]提到2018年建筑全壽命周期碳排放總量為49.3億t，占比為51.2 %。其中：建材生產(chǎn)階段碳排放27.2億t，占比28.3 %；建筑施工階段碳排放1億t，占比1%。在實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的路上，建筑材料是建筑行業(yè)的重中之重。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，簡稱UHPC)經(jīng)過近30年的發(fā)展，取得了很多成果[3-6]。本文對超高性能混凝土制備技術(shù)和力學(xué)性能進(jìn)行研究，探究低摻量鋼纖維對UHPC性能的影響，提高混凝土的力學(xué)性能和工作性能，降低混凝土的碳排放量。

1 試驗概況

1.1 原材料

P.O 52.5水泥，比表面積為384 m2/kg；硅灰，純度為97 %，比表面積為2 321 m2/kg；粉煤灰，比表面積為420 m2/kg；玻璃粉，純度為85 %，平均粒徑為2 μm，密度為2.04 g/cm3；砂子，粒徑范圍為380～550 μm；ST-01A標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸高性能減水劑，固含量為20%，密度為1.08 g/mL，外觀呈淡黃色；WH-A型聚羧酸減水劑，固含量為40%，外觀呈黃色；鋼纖維分為圓直型鋼纖維和端鉤型鋼纖維;玄武巖纖維呈扁平的長條狀。膠凝材料化學(xué)組成如表1所示，各種纖維的具體參數(shù)如表2所示。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 單位：%

表2 纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

(1)制備工藝

將稱量好的膠凝材料和細(xì)河砂倒入攪拌鍋內(nèi)，慢速攪拌3 min至混合均勻，繼續(xù)慢攪2 min(并在前30 s內(nèi)緩慢均勻地加入全部的水和減水劑混合液),然后快攪3 min，慢攪1 min后停機(jī)。若摻入纖維，應(yīng)在快攪3 min階段，緩慢加入纖維，待全部加入后，再快攪3 min，慢攪1 min后停機(jī)。加纖維的過程最好控制在5 min內(nèi)。之后將攪拌好的材料倒入40 mm × 40 mm × 1 600 mm的標(biāo)準(zhǔn)試模中，振動密實。

(2)流動度測試

在倒入試模前，根據(jù)GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試其流動度。測試其流動度時，并未啟動跳桌，底板采用的是鋼化玻璃板，靜置60 s后，測量其最大流動直徑和最小流動直徑，求其平均值。

(3)養(yǎng)護(hù)

制備完成后在室內(nèi)覆蓋塑料薄膜養(yǎng)護(hù)，24 h后脫模放入水浴箱中，在90 ℃下養(yǎng)護(hù)2 d(含2 h的升溫和2 h的降溫)，養(yǎng)護(hù)完畢后冷卻至常溫，待試驗。

(4)強(qiáng)度測試

對試件進(jìn)行強(qiáng)度測試時，按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法(ISO法)》測試其抗壓強(qiáng)度Rc、抗折強(qiáng)度Rf。前者加載速率為2 400 N/s，Rc取到0.1 MPa，后者加載速率為50 N/s，Rf取到0.1 MPa。

2 鋼纖維種類和摻量對UHPC性能的影響

2.1 對UHPC流動度的影響

經(jīng)前期優(yōu)化配合比，確定水泥∶粉煤灰∶硅灰∶玻璃粉的基準(zhǔn)配合比為1∶0.15∶0.30∶0.1，砂膠比為1.1，水膠比為0.18。在此基礎(chǔ)上，研究圓直型鋼纖維和端鉤型鋼纖維在低摻量下對UHPC的流動度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 低摻量鋼纖維對UHPC流動度的影響

由圖1可知：端鉤型鋼纖維在摻量為0～0.5%時，隨著摻量的增加，UHPC的流動度不斷增加，當(dāng)摻量為0.5%時，流動度達(dá)到最大(245 mm)，提高了4.7%；端鉤型鋼纖維摻量超過0.5%時，隨著摻量的增加，UHPC的流動度逐漸降低，在摻量為1%時，UHPC的流動度最低(227 mm)，降低了約3%；圓直型鋼纖維在摻量為0～0.25%時，隨著摻量的增加，UHPC的流動度不斷增加，在摻量為0.25%時達(dá)到最大(241.5 mm)，提升了約3.6%；圓直型鋼纖維的摻量超過0.25%時，UHPC的流動度開始下降，在摻量為1%時，UHPC的流動度最低(217.5 mm)，降低了約6.7%。

無論是端鉤型鋼纖維還是圓直型鋼纖維，在低摻量(摻量為1%以下)時，隨著摻量的增加，對UHPC流動度的影響曲線均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。不同之處在于，端鉤型鋼纖維達(dá)到峰值的摻量為0.5%，圓直型鋼纖維的峰值摻量為0.25%，并且在達(dá)到峰值點時，端鉤型鋼纖維對UHPC流動度的影響要高于圓直型鋼纖維對UHPC流動度影響；在下降段，圓直型鋼纖維的下降速度更快。這跟纖維的形狀和長徑比有關(guān)，一般來說，UHPC的尺寸效應(yīng)要大于普通混凝土[7]。端鉤型鋼纖維的長度較大，長徑比較小，在相同體積摻量下，端鉤型鋼纖維的數(shù)量較少，在制備UHPC的過程中，鋼纖維形成纖維網(wǎng)絡(luò)時更有規(guī)則，有利于UHPC流動度的提升。想要在低摻量下提升UHPC的流動度，相比圓直型鋼纖維而言，可以適當(dāng)多添加端鉤型鋼纖維。

2.2 對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

2種類型鋼纖維低摻量下對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響，如圖2所示。在摻量低于1%時，隨著端鉤型鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度不斷增加，在摻量為1%時UHPC的抗壓強(qiáng)度為157.3 MPa，提升了約23.9%，當(dāng)摻量在0～0.5%時，端鉤型鋼纖維的增幅要高于摻量在0.5%～1%的增幅，即摻量在0.5%時對UHPC的抗壓強(qiáng)度提升相對較好。隨著圓直型鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度也在不斷增加，當(dāng)摻量高于0.75%時，有較大提升，在摻量為1%時UHPC的抗壓強(qiáng)度最大，為168.2 MPa，提升了約31.4%。因為摻入鋼纖維后，UHPC內(nèi)部會形成鋼纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，很大程度上提高材料極限承受荷載，并且隨著摻量的增加這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將會變得更為致密[8]，對UHPC抗壓強(qiáng)度的提升也會更高。此外，高溫養(yǎng)護(hù)可以加速水化反應(yīng)，減少有害孔體積，改善微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高UHPC的抗壓強(qiáng)度[9]。

圖2 低摻量下鋼纖維對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 對UHPC抗折強(qiáng)度的影響

2種類型鋼纖維在低摻量下對UHPC抗折強(qiáng)度的影響，如圖3所示。在低摻量下，2種鋼纖維對UHPC抗折強(qiáng)度的影響，均呈現(xiàn)先略微降低再逐漸升高的趨勢，都在摻量為1%時，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大(端鉤型鋼纖維為35.2 MPa，提升了約30.4%；圓直型鋼纖維為33.7 MPa，提升了約27.2%)。值得注意的是，端鉤型鋼纖維對UHPC的抗折強(qiáng)度曲線均在圓直型鋼纖維對UHPC的抗折強(qiáng)度曲線上方，說明前者對UHPC的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)要高于后者。因為在相同體積摻量下，端鉤型鋼纖維由于兩端均有彎鉤，能夠很好地形成更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10]，在抗折試驗時，試件往往發(fā)生的是纖維拔出破壞，這種相互勾連的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比圓直型鋼纖維的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更不利于拔出。

圖3 低摻量下鋼纖維對UHPC抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 語

(1)低摻量鋼纖維能夠有效提高UHPC的流動度，并且端鉤型鋼纖維要優(yōu)于圓直型鋼纖維，在摻量為0.5%時效果最好，能達(dá)到245 mm，提高了4.7%。

(2)低摻量鋼纖維能夠有效提升UHPC的抗壓強(qiáng)度，綜合考慮，推薦端鉤型鋼纖維摻量為0.5%，圓直型鋼纖維為0.75%，此時UHPC性能的提升相對較優(yōu)，前者的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到150.1 MPa，后者為142.5 MPa。

(3)低摻量鋼纖維能夠有效提升UHPC的抗折強(qiáng)度，端鉤型鋼纖維對UHPC抗折強(qiáng)度的提升整體均高于圓直型鋼纖維。