鋼纖維對超高性能混凝土性能的影響

王成啟，郭玉林，梁遠博

(中交上海三航科學研究院有限公司，上海200032)

眾所周知，混凝土是應用最為廣泛的建筑材料。隨著我國基礎設施建設進程加快，2019年混凝土用量近24億m3。但普通混凝土存在結構質(zhì)量大、抗拉強度低、易開裂、耐久性低等弱點，在工程結構向大型化和高耐久性方向發(fā)展中凸顯。超高性能混凝土(ultra high performance concrete，UHPC)是由水泥、礦物摻合料、細集料、高強短纖維和減水劑等加水拌和而成的一種具有超高強度、高韌性和高耐久性的水泥基復合材料[1]，可有效減小工程結構尺寸，提高混凝土結構耐久性。因此，世界各國開始逐漸重視UHPC的研究和應用，各國的學者也大規(guī)模開展配制技術與應用研究，并已編制相關的設計指南。

在UHPC中加入纖維可以起到控制裂縫寬度、改善韌性和提高延性的作用，從而具有超高抗拉強度和高韌性。相比其他材質(zhì)的纖維，鋼纖維具有彈性模量大和抗拉強度高等特點，對混凝土性能的改善效果較為明顯[2]。鋼纖維幾何外形及摻量對UHPC的力學性能產(chǎn)生顯著影響，UHPC在荷載作用下的破壞模式基本為纖維拔出，與平直纖維相比，在UHPC中摻加異型纖維能獲得更好的極限拉伸強度[3]，端鉤型鋼纖維的外形構造可提供較大的抗拔脫力，增加了UHPC的力學性能[4-5]。然而，現(xiàn)有文獻資料關于端鉤型鋼纖維長徑比對UHPC的性能影響還缺乏系統(tǒng)研究。為充分發(fā)揮鋼纖維在UHPC中的作用和配制出性能優(yōu)異的UHPC，本文開展端鉤型鋼纖維長徑比對UHPC工作性和力學性能影響的研究，為UHPC配合比設計提供依據(jù)。研制的UHPC可應用于碼頭工程樁基裂縫或破損加固修復，替代傳統(tǒng)鋼套筒中灌漿材料，可省去鋼筋網(wǎng)片，從而簡化施工和加快灌注施工。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1UHPC基體原材料

海螺水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；上海寶田新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級高爐礦渣粉；?？蠂H貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)的940硅灰；浙江江山博士龍建材有限公司生產(chǎn)的硫鋁酸鈣類Ⅱ型膨脹劑；洞庭湖河砂，級配范圍為0.15～2.36 mm；蘇州市興邦建材有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，減水率大于30%；符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的混凝土拌和用水。

1.1.2鋼纖維

采用端鉤型鋼纖維，其抗拉強度為3.1 GPa，長徑比選用57、60、73和100，幾何尺寸參數(shù)見表1。

表1 鋼纖維主要參數(shù)

1.2 配合比

為保證UHPC的強度和耐久性，采用水泥、礦渣粉和硅灰組成膠凝材料，并摻入膨脹劑保證其體積穩(wěn)定性，水膠比為0.18，UHPC基體配合比見表2，并采用長徑比為57、60、73和100的鋼纖維，纖維的體積摻量為2.0%，研究鋼纖維的幾何尺寸對UHPC性能的影響。

表2 UHPC基體配合比

1.3 試驗方法

1.3.1工作性能

工作性能試驗按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》相關規(guī)定進行。

1.3.2抗壓強度和抗折強度

抗壓強度和抗折強度試驗按GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》相關規(guī)定進行。

1.3.3彎曲韌性

(1)

1.3.4抗沖擊性能

抗沖擊試驗采用落錘法，采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的DTM1000落錘沖擊試驗機，制作400 mm×100 mm×50 mm(長×寬×厚)的UHPC板，跨度為300 mm，落錘在跨中沖擊UHPC板，落錘質(zhì)量為3 kg，落錘高度為120 mm，記錄沖擊UHPC板的初裂次數(shù)和斷裂次數(shù)；在板的底部粘貼應變片，以應變突變時的沖擊次數(shù)作為初裂次數(shù)，以UHPC板出現(xiàn)貫穿裂縫的次數(shù)為斷裂次數(shù)。

2 試驗結果與分析

2.1 工作性能

鋼纖維長徑比與UHPC拌和物性能關系如圖1所示?？梢钥闯觯S著長徑比的增大，UHPC坍落度和擴展度均不斷減小，含氣量不斷增大。在同等體積纖維摻量下，隨著纖維長徑比增大，UHPC拌和物中纖維的長度增大，數(shù)量較少，由此導致纖維與拌和物間發(fā)生的黏結和摩擦作用增大，纖維對UHPC擴展阻力影響較大，從而使得UHPC拌和物的坍落度和擴展度減小[7]，同時UHPC漿體氣泡不易排出，含氣量有所增大。

圖1 長徑比對UHPC拌和物性能影響

UHPC新拌漿體流動的過程中，漿體會對鋼纖維施加力和力矩，鋼纖維根據(jù)流動速度不同而發(fā)生旋轉并垂直于漿體流動的方向，最終導致UHPC拌和物的流動困難，發(fā)生邊壁效應[8]，如圖2所示。因此隨著鋼纖維長徑比的增加，鋼纖維長度相對較大，UHPC對鋼纖維的旋轉阻力增加，導致UHPC漿體擴展相對困難，導致鋼纖維長徑比較大的UHPC擴展度下降，工作性能下降。

圖2 UHPC拌和物邊壁效應

2.2 力學性能

2.2.1抗壓強度與抗折強度

鋼纖維長徑比與UHPC強度關系如圖3所示。可以看出，隨著長徑比的增大，UHPC抗壓強度和抗折強度均不斷增大。當纖維長徑比從50增加到60時，UHPC的28 d抗折、抗壓強度分別增長了17.9%、3.0%；當纖維長徑比從60增加到73時，UHPC的28 d抗折、抗壓強度分別增長了6.3%、2.8%；當纖維長徑比從73增加到100時，UHPC的28 d抗折、抗壓強度分別增長了4.9%、2.2%。由此可見隨著長徑比的增大，纖維對UHPC強度增長率逐漸下降。

圖3 長徑比對UHPC強度影響

2.2.2彎曲韌性

超高強混凝土伴隨著高脆性，應改善其脆性和變形性能。超高性能混凝土中摻入鋼纖維可有效地降低其脆性和改善其彎曲韌性，而彎曲韌性可表征超高性能混凝土的韌性和耗能能力。進行不同長徑比鋼纖維UHPC彎曲韌性試驗，彎曲韌性系數(shù)的測試結果見表3?？梢钥闯?，隨著鋼纖維長徑比的增加，UHPC的彎曲韌性系數(shù)不斷增加，表明UHPC的韌性增加。鋼纖維長徑比對UHPC彎曲韌性系數(shù)的影響見圖4?？梢钥闯觯斃w維長徑比從57增加到60時，UHPC的彎曲韌性系數(shù)增長了6.5%；當纖維長徑比從60增加到73時，UHPC的彎曲韌性系數(shù)增長了3.9%；當纖維長徑比從73增加到100時，UHPC的彎曲韌性系數(shù)增長了2.7%。因此，鋼纖維長徑比對UHPC彎曲韌性系數(shù)影響較大，且隨長徑比的增加，彎曲韌性系數(shù)增長率呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖4 鋼纖維長徑比對UHPC彎曲韌性系數(shù)的影響

表3 不同長徑比鋼纖維UHPC彎曲韌性測試結果

2.2.3抗沖擊性能

進行不同長徑比鋼纖維的UHPC抗沖擊試驗，結果見表4?？梢钥闯?，不同長徑比的鋼纖維UHPC均具有良好的抗沖擊性能，隨著鋼纖維長徑比的增加，UHPC的抗沖擊的初裂次數(shù)、初裂能耗、斷裂次數(shù)和斷裂能耗均不斷增加，表明UHPC的抗沖擊性能不斷增強；當纖維長徑比從57增加到60時，UHPC的初裂能耗和斷裂能耗分別增長了60.0%和11.1%；當纖維長徑比從60增加到73時，UHPC的初裂能耗和斷裂能耗分別增長了25.0%和8.0%；當纖維長徑比從73增加到100時，UHPC的初裂能耗和斷裂能耗分別增長了10.0%和1.8%。因此，鋼纖維的長徑比對UHPC抗沖擊性能也產(chǎn)生明顯影響，且隨長徑比的增加，抗沖擊初裂能耗和斷裂能耗增長率呈現(xiàn)降低的趨勢。

表4 不同長徑比鋼纖維UHPC抗沖擊測試結果

2.2.4討論分析

纖維增強水泥基復合材料在外力作用下，纖維與基體將產(chǎn)生相對滑移，通過基體與纖維之間剪切應力將荷載傳給纖維。纖維的拉力與剪切力達到平衡時有：

(2)

(3)

(4)

式中：ff為纖維的應力；lf為纖維的長度；df為纖維的直徑；τ為纖維與基體間界面黏結強度。

由式(4)可以看出，纖維長徑比和纖維與UHPC基體界面的黏結強度是充分發(fā)揮纖維增強和增韌的關鍵因素。適當增大纖維長徑比可有效提高UHPC的強度、韌性和抗沖擊性能，但纖維長度不能過長，因為長度較長的纖維易于相互搭接團聚而產(chǎn)生結團，難以在UHPC中均勻分散，在攪拌過程中也易結團，且鋼纖維長度對鋼筋間距較小的構件澆筑產(chǎn)生一定的影響。因此，為了保證UHPC的工作性和施工性能，并使纖維在UHPC中發(fā)揮作用和保證強度，鋼纖維應具有合適的長徑比，一般控制在60～100。

除鋼纖維長徑比外，纖維與基體界面黏結強度是有效發(fā)揮纖維作用的關鍵因素。測試了UHPC基體及鋼纖維與UHPC基體界面的微觀形貌，其掃描電子顯微鏡結果如圖5所示?？梢钥闯?，UHPC基體集料與水化產(chǎn)物間形成緊密結構，鋼纖維與UHPC基體界面致密，有效提升了鋼纖維與UHPC基體間黏結強度，可使鋼纖維緊密地鑲嵌在UHPC漿體中，加強漿體和集料的連接，進而提高了UHPC的抗折、抗壓強度、彎曲韌性和抗沖擊性能等宏觀性能。

圖5 UHPC微觀形貌

3 工程應用

UHPC可應用于碼頭工程樁基裂縫或破損加固修復。某碼頭工程樁基為后張法預應力混凝土大管樁，由于碼頭受外力作用，大管樁出現(xiàn)裂縫和破損，采用鋼套筒壓力灌漿法進行修復，鋼套筒與大管樁環(huán)形空間的間隙為50 mm。采用UHPC進行灌注，采用長徑比為60的鋼纖維，按照表2的配合比拌制UHPC進行灌注施工，測得坍落度為270 mm、擴展度為700 mm、3 h豎向膨脹率為0.15%、24與3 h膨脹率之差為0.08%，滿足灌注施工要求；測得UHPC的7、28 d的抗壓強度為121.8、145.9 MPa，測得7、28 d的抗折強度為22.5、26.5 MPa，具有較高的抗壓強度和抗折強度，UHPC的28 d抗壓強度顯著高于60 MPa的常規(guī)要求，且大于管樁本體的抗壓強度。采用UHPC灌漿加固，可省去常規(guī)加固在鋼護筒環(huán)形空腔中放置的鋼筋網(wǎng)片，簡化施工和加快灌注施工，加固效果良好。

4 結論

1)鋼纖維長徑比對UHPC工作性能產(chǎn)生一定影響，隨著鋼纖維長徑比增加，UHPC坍落度和擴展度降低，流動性下降，且鋼纖維易于相互搭接團聚而產(chǎn)生結團現(xiàn)象，鋼纖維長徑比不宜大于100。

2)鋼纖維長徑比對UHPC的抗壓、抗折強度、彎曲韌性和抗沖擊等力學性能產(chǎn)生顯著影響，且隨著鋼纖維長徑比增加，UHPC抗壓、抗折強度、彎曲韌性和抗沖擊性能均不斷增大，但增大幅度均呈現(xiàn)不斷降低趨勢。

3)對鋼纖維在UHPC中的作用機理進行分析，UHPC基體具有良好的密實性和強度，鋼纖維與UHPC基體具有良好的黏結強度，鋼纖維的長徑比是纖維增強作用的關鍵因素，鋼纖維的長徑比宜控制在60～100，可有效保證UHPC的施工性能和力學性能。

4)UHPC在某碼頭工程樁基修復加固中獲得應用，UHPC工作性滿足灌注施工要求，并具有較高的抗壓和抗折強度，加固效果良好。