超高性能混凝土和聚丙烯纖維混凝土與素混凝土結(jié)合情況的實(shí)驗(yàn)研究

曹江睿

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州 510060）

0 引言

超高性能混凝土，簡(jiǎn)稱UHPC（Ultra-High Performance Concrete），是過去30 年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料。其包含兩個(gè)方面“超高”——超高的耐久性和超高的力學(xué)性能。近些年來關(guān)于超高性能混凝土的研究成果很多，張?zhí)降热耍?］通過介紹UHPC 的品質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)UHPC 應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了UHPC 在中國(guó)發(fā)展的必要性和前景；王曉飛等人［2］通過對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，得出了內(nèi)摩擦角和黏聚力隨鋼纖維體積含量和圍壓增大的變化規(guī)律；鄭麗等人［3］采用不同溫度水泥配置UHPC，研究了UHPC 力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性及熱學(xué)性能的變化。

聚丙烯纖維是一種專用于混凝土和砂漿的高性能纖維，能有效地控制混凝土和砂漿塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止及抑制混凝土原生裂縫的形成和發(fā)展，大大改善混凝土和砂漿的防裂抗?jié)B性能、抗沖磨性能，增加混凝土的韌性，從而提高混凝土的使用壽命。聚丙烯纖維混凝土，簡(jiǎn)稱FRCPP（Fiber Reinforced Concrete Polypropylene），也是土木行業(yè)的研究熱門。楊彬［4］通過試驗(yàn)研究了不同聚丙烯纖維長(zhǎng)度和聚丙烯纖維摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土的影響；羅才松［5］為了分析聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，配置了C40 普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土，通過對(duì)比法確定了聚丙烯纖維混凝土的最佳摻量。

世界上有無數(shù)的橋，更有數(shù)不清的梁。梁在各種環(huán)境中都可能會(huì)出現(xiàn)損壞，但更換梁體需要高昂的成本，因?yàn)橐稽c(diǎn)點(diǎn)損壞就更換整個(gè)梁并不現(xiàn)實(shí)。因此，本試驗(yàn)為修復(fù)梁端尋找一種可替代的材料，以恢復(fù)受損梁的抗剪能力，延長(zhǎng)受損預(yù)應(yīng)力梁的使用壽命。該研究結(jié)果將為梁端修復(fù)甚至結(jié)構(gòu)物的修補(bǔ)提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)裝備

切割機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、混凝土鋸床、加載設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)材料（見表1）

表1 0.1 m3素混凝土、0.1 m3超高性能混凝土、0.1 m3聚丙烯纖維混凝土所需材料Tab.1 Materials Required for 0.1 m3 of Plain Concrete，0.1 m3 of UHPC，0.1 m3 of FRC-PP

1.3 試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

首先使用切割機(jī)將泡沫塑料進(jìn)行切割，如圖1 所示，然后將泡沫塑料分成3組，并用刷子在泡沫表面分別涂上粗骨料緩凝劑、細(xì)骨料緩凝劑［6］和水，使后期澆筑的素混凝土（Plain Concrete）表面具有不同的粗糙程度。處理完泡沫塑料表面后，將泡沫放入準(zhǔn)備好的容器內(nèi)，并開始往容器內(nèi)澆筑素混凝土，如圖2所示。

圖1 泡沫模型Fig.1 Foam Model

圖2 裝好泡沫及混凝土的容器Fig.2 Container with Foam and Concrete

澆筑1 d 后，將混凝土和泡沫分開，可以發(fā)現(xiàn)混凝土表面清晰可辨。從左到右分別是高度粗糙化（Large-Roughened）、中度粗糙化（Mid-Roughened）和未粗糙化（Un-Roughened）的表面模型，如圖3所示。

圖3 粗糙化程度不同的表面Fig.3 Surfaces with Different Roughness

然后把它們放在潮濕的條件下，等待28 d。28 d后，將它們從潮濕的環(huán)境中取出，并干燥。待素混凝土干燥后，開始制作超高性能混凝土和聚丙烯纖維混凝土，攪拌好后，按照表2 進(jìn)行澆筑。澆筑完成1 d 后進(jìn)行脫模，繼續(xù)把它們放在潮濕的條件下，等待28 d。28 d 后，將它們從潮濕的環(huán)境中取出，干燥后開始使用儀器進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 斜剪試驗(yàn)及劈裂圓筒試驗(yàn)試件準(zhǔn)備Tab.2 Specimen Preparation for Slant Shear Test and Split Cylinder Test

1.4 試驗(yàn)介紹

1.4.1 斜剪試驗(yàn)

斜剪試驗(yàn)是以非直角分離澆筑的半圓柱形混凝土為試驗(yàn)樣本，在加載設(shè)備下對(duì)粘結(jié)試樣進(jìn)行加壓，直到粘結(jié)界面發(fā)生剪切破壞，如圖4?所示。夏冬桃等人［8］通過對(duì)混雜纖維混凝土與既有混凝土進(jìn)行斜剪試驗(yàn)，得出混雜纖維摻入后能有效改善粘結(jié)界面區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)性能。董海東等人［9］通過層間斜剪試驗(yàn)得出拉毛處理可以提高水泥混凝土路面的層間黏結(jié)性能。陳華明等人［10］通過斜剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了溫度和濕度對(duì)材料的粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度影響均較大。

圖4 素混凝土與UHPC的斜剪試驗(yàn)和劈裂圓筒試驗(yàn)Fig.4 Slant Shear Test and Split Cylinder Test of Plain Concrete and Ultra-High Performance Concrete

1.4.2 劈裂測(cè)試

劈裂測(cè)試是以沿圓柱體中心線縱向澆筑半圓柱形混凝土為試驗(yàn)樣本，在加載設(shè)備下向樣品邊緣施加壓縮力，直到粘結(jié)界面發(fā)生間接拉伸破壞，如圖4?所示。曹小金等人［11］通過對(duì)水泥混凝土路面的彎拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得到了水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的換算關(guān)系式。曾海斌等人［12］通過劈裂試驗(yàn)研究了兩種再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度及破壞特征。

1.5 注意事項(xiàng)

進(jìn)行混凝土試驗(yàn)時(shí)需要特別注意的一點(diǎn)是，混凝土的強(qiáng)度在澆筑后，并處于標(biāo)準(zhǔn)固化溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度95%以上的環(huán)境中的第28 d 達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。如果測(cè)試早于或晚于28 d，就不能準(zhǔn)確測(cè)出混凝土的強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3 和圖5 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出粘結(jié)強(qiáng)度最高的是具有高度粗糙化表面的混凝土粘結(jié)體，而未粗糙化的粘結(jié)強(qiáng)度最低。

圖5 斜剪試驗(yàn)Fig.5 Slant Shear Test

表3 斜剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Slant Shear Test Results

根據(jù)表4 和圖6 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就粘結(jié)面的粗糙程度而言，可以得出能夠承受最大荷載的是具有高度粗糙化表面的混凝土粘結(jié)體，而未粗糙化的承載能力最小。就不同混凝土材料而言，超高性能混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度最高，聚丙烯纖維混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度最低。試驗(yàn)時(shí)還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，當(dāng)未粗糙化和中度粗糙化的接縫出現(xiàn)裂縫時(shí)，兩種混凝土?xí)苯臃至验_來。然而，當(dāng)高度粗糙化的表面接縫出現(xiàn)裂縫時(shí)，必須用手將其拉開，混凝土才會(huì)分成兩半。這更加表明，高度粗糙化表面的粘結(jié)強(qiáng)度明顯高于中度粗糙化和未粗糙化的表面。

圖6 劈裂圓筒試驗(yàn)Fig.6 Split Cylinder Test

表4 劈裂圓筒試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Split Cylinder Test Results

試驗(yàn)結(jié)果中聚丙烯纖維混凝土的數(shù)據(jù)是合理的，符合試驗(yàn)預(yù)期。但素混凝土-高度粗糙化表面-超高性能混凝土的峰值荷載低于其預(yù)期值。該誤差可能是由于試驗(yàn)早期在泡沫塑料上涂刷緩凝劑時(shí)，沒有涂刷均勻，或是在加載前沒有將小木板水平放置。試驗(yàn)時(shí)若未將小木板放平，機(jī)器會(huì)直接將力壓在混凝土上，導(dǎo)致受力不均勻。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)者應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)材料有一個(gè)基本的了解，并找出材料的強(qiáng)度范圍。這樣，即使實(shí)驗(yàn)中有異常數(shù)據(jù)，也可以對(duì)其進(jìn)行判斷，不至于影響最終結(jié)論。

3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)斜剪試驗(yàn)和劈裂圓筒試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出超高性能混凝土與素混凝土粘結(jié)時(shí)具有最大的強(qiáng)度。超高性能混凝土在粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)適用性方面具有優(yōu)秀的表現(xiàn)。超高性能混凝土在梁端修復(fù)甚至結(jié)構(gòu)物的修補(bǔ)上將會(huì)是很好的一種選擇。