钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

陈从春，冯毅，陈晓冬

（上海应用技术学院 城市建设与安全工程学院，上海　201418）



钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

陈从春，冯毅，陈晓冬

（上海应用技术学院 城市建设与安全工程学院，上海201418）

摘要：通过立方体抗压试验、劈裂抗拉试验、梁抗折试验，分析了钢纤维体积掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%时对超高性能混凝土（UHPC）力学性能的影响。结果表明，UHPC的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度随着钢纤维体积掺量的增加都有不同程度的提高，劈裂抗拉强度在钢纤维体积掺量为1.0%～1.5%时增长最快，抗折强度在钢纤维体积掺量为1.0%～2.5%时增长最快。

关键词：超高性能混凝土；钢纤维；抗压强度；劈裂强度；抗折强度

0　引　言

超高性能混凝土（UltraHigh PerformanceConcrete，UHPC）是一种具有超高强度、高韧性和高耐久性的新型水泥基复合材料，由细砂、水泥、石英粉、硅粉、高效减水剂、钢纤维组成。最初由法国Bouygues公司于1993年在无宏观缺陷水泥、超细粒子密实填充水泥以及钢纤维的基础上研发而来［1-2］。相对于传统混凝土，UHPC在抗拉强度、抗压强度、耐腐蚀性、抗疲劳性、耐久性以及抗冻性等方面具有更优越的力学性能，其抗压强度可达到150～800MPa，断裂能可达到20～40 kJ/m2。因为钢纤维的掺入，UHPC的抗拉性能和韧性得到了极大的提高［2-6］。近年来，UHPC开始被世界各国所关注，并成为研究和应用的热点，法国和日本最先制定了UHPC设计施工指南［7］。因为UHPC优越的力学性能和耐久性，其在国外已被应用于桥梁、建筑、核电等领域。如1997年加拿大在Sherbrooke建立了世界上第一座UHPC人行天桥［8］；2001年法国在Bourg-les-Valence建造的道路桥［9］以及天使人行桥［10］。

大量研究表明，钢纤维对UHPC的抗拉强度、抗压强度等力学性能有显著的提高作用，为了准确分析钢纤维对UHPC力学性能的影响，本文对钢纤维体积掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的超高性能混凝土试件进行了抗压、抗拉、抗折强度的试验研究。

1　试　验

1.1原材料

水泥：海螺牌P·O42.5R水泥；砂：中国ISO标准砂；水：自来水；硅灰：比表面积20 000m2/kg，平均粒径0.1～0.2μm；减水剂：巴斯夫Glenium3400NV聚羧酸盐高效减水剂；钢纤维：OL10/.20型佳密克丝（DRAMIX）表面镀铜钢纤维，上海贝卡尔特有限公司生产，长度10mm，直径0.2mm，极限抗拉强度2000MPa。

1.2配合比设计

超高性能混凝土具体配合比见表1，UHPC0作为试验基准配合比，是基于RPC制备原理，参考文献［3，11］设计，且经过多次试验重复验证的，该配比混凝土28 d强度均大于130 MPa。本实验将钢纤维分别按0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的体积掺量掺入基体混凝土中。

表1　超高性能混凝土配比

1.3试件制备与试验方法

根据配合比将原材料称重后，将水泥、硅灰加入到15L单轴卧式混凝土搅拌机干拌2min；再停机将细砂加入搅拌1 min，随后依次将水和减水剂倒入搅拌机中，搅拌4min，以便充分发挥高效减水剂的作用；然后将钢纤维均匀撒入，继续搅拌3～5min，直至钢纤维被浆体很好包裹并分布均匀；随后浇筑模型，在实验室自然环境下放置24 h后脱模，然后送入温度为20℃左右、相对湿度大于90%的标准养护箱，养护至14 d龄期。

试件按钢纤维体积掺量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%分成6组，按照CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》进行试件力学性能试验，包括立方体抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验以及抗折强度试验。试验中，每组力学性能试验试件数量为3个，试验结果取3个试件测试值的算术平均值。

立方体抗压、劈裂抗拉试件尺寸为40mm×40mm×40mm；抗折试件尺寸为40mm×40mm×160mm，轴心抗压试件尺寸为40mm×40mm×120mm，试件龄期均为14 d，测试仪器为上海华龙WA-100B电液式万能试验机。

2　试验结果与分析

2.1钢纤维掺量对UHPC抗压强度的影响（见表2）

表2　钢纤维掺量对UHPC抗压强度的影响

从表2可以看出：UHPC的立方体抗压强度和轴心抗压强度均随着钢纤维体积掺量的增大逐渐提高。当钢纤维体积掺量从0增加到0.5%时，强度增长较为迅速，后面随着钢纤维体积掺量的增加，强度稳定增长。当钢纤维体积掺量从0.5%增大到2.5%时，立方体抗压强度比基体混凝土提高了7.64% ～25.49%，轴心抗压强度比基体混凝土提高8.12%～25.61%。

2.2钢纤维掺量对UHPC劈裂抗拉强度的影响

（见表3）从表3可以看出，超高性能混凝土的劈裂抗拉强度和拉压比随着钢纤维体积掺量的增大而逐渐提高。随着钢纤维体积掺量从0.5%增加到2.5%时，超高性能混凝土劈裂抗拉强度比基体混凝土提高了62.36%～173.30%，拉压比从1∶10.8提高到了1∶7.5。钢纤维体积掺量从1.0%增加到1.5%时，UHPC的劈裂抗拉强度提高幅度较大，而当钢纤维体积掺量从1.5%增加到2.5%时，劈裂抗拉强度提高幅度有所放缓，这可能与钢纤维分布不均有关。与基体混凝土的拉压比相比较，UHPC1～UHPC5的拉压比提高了50%～116%，这表明加入钢纤维以后，基体混凝土的脆性得到了较大的改善，韧性显著提高。

表3　钢纤维掺量对UHPC劈裂抗拉强度的影响

2.3钢纤维掺量对UHPC抗折强度的影响（见表4）

表4　钢纤维掺量对UHPC抗折强度的影响

从表4可以看出，UHPC的抗折强度随着钢纤维体积掺量的增加而提高，钢纤维体积掺量从0.5%增大到2.5%时，UHPC的抗折强度较基体混凝土提高了4.11%～82.55%。当钢纤维体积掺量从0～1.0%时，抗折强度增加不明显，抗折强度提高率只有7.87%；当钢纤维体积掺量从1.0%增加到2.5%时，抗折强度增长较为显著。

2.4破坏现象及机理分析

UHPC立方体试件在受压破坏过程中，在试件加载的侧面有较多的竖向裂缝，且贯穿于试件上下的加载面；钢纤维在裂缝面几乎都是脱粘拔出破坏，而不是被拉断。当试件最终破坏时仍保持整体形态，而不是普通混凝土试件受压破坏时的散碎形态。这主要是加入钢纤维之后，基体混凝土与钢纤维的粘结力阻碍了裂缝的发展。同时试件受压时，纵横交错的钢纤维对试件横向变形起到了较强的约束作用，使其受力状态类似于三向受压，大大提高了UHPC的抗压强度。

在UHPC立方体试件劈裂过程中，初期可以看到在试件加载面有几条细微的裂缝出现，随着荷载的增加，裂缝逐渐发展，直到最终贯穿整个试件，将试件劈裂成未完全分开的两部分，且断面内仍有部分钢纤维连着两侧混凝土。

在抗折试验中，UHPC梁试件第1条裂缝出现在三分点内受拉区边缘，然后逐渐向梁高方向发展。此外，在观察试件最终破坏时的断面，只有少量纤维被拉断，大部分被拔出，且同劈裂试验的试件一样，在试验最后的加载阶段，抗弯试验的试件最终没有被完全折断，断面依然有钢纤维连着裂缝两侧混凝土。这与普通混凝土试件被劈裂完全断开的破坏形态有很大的区别。其原因主要是在拉伸荷载作用下，UHPC构件受力之初，应变很小，钢纤维的拉应力也很小，此时主要是由基体混凝土在承担荷载；随着应变的增大，钢纤维承担的应力也越来越大，但由于钢纤维的抗拉强度（极限抗拉强度为2000MPa）及弹性模量比混凝土要大很多，阻止了混凝土的进一步开裂；在基体开裂后，裂缝间的应力重新分布，原来由基体混凝土承担的应力向钢纤维转移，尚未拔出的钢纤维将荷载传递给裂缝两侧的混凝土，使裂缝处的材料仍能继续承受荷载，同时也延缓了裂缝的扩展速度；如果越过裂缝的刚纤维越多，则裂缝稳定扩展的持续时间越长，那么达到的峰值拉应力就越高［12］。

3　结　论

（1）钢纤维的加入能够提高UHPC的抗压强度、劈裂强度和抗折强度。当钢纤维体积掺量从0.5%增大到2.5%时，立方体抗压强度较基体混凝土提高了7.64%～25.69%，轴心抗压强度较基体混凝土提高8.12%～25.61%。

（2）UHPC的抗折强度在钢纤维体积掺量较少时提高不明显，当钢纤维体积掺量为1.0%～2.5%时，抗折强度提高较为明显。

（3）钢纤维的加入能改善混凝土的脆性，提高混凝土的韧性，钢纤维对劈裂抗拉强度的提高效果最为显著。

参考文献：

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［3］ Soutsos M N，Millard S G，Karaiskos K.Mix design，mechanical properties，andimpact resistance of reactive powder concrete （RPC）［C］//FISCHERG，LIVC.International RILEM Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites in Structural Applications.Liverpool：RILEM Publications，2006：12-22.

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中图分类号：TU528.572

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0054-03

基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目（13520722400）

收稿日期：2016-01-21；

修订日期：2016-03-03

作者简介：陈从春，男1970年生，湖北公安人，副教授，博士，主要从事桥梁设计理论及混凝土材料研究。

Influence of volume rations of steel fiber on mechanical properties of ultra-high performance concrete

CHEN Congchun，FENG Yi，CHEN Xiaodong
（School of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Abstract：The experimental study on mechanical properties of Ultra-High Performance Concrete（UHPC）with steel fiber volume ratio of 0.5%，1.0%，1.5%，2.0%and 2.5%were carried out.The influences of steel fiber volume ratio on mechanical properties of UHPC were researched through cube compressive tests，cleavage extension tests and beam flexural tests.Experiment result shows that the compressive strength，cleavage extension strength and flexural strength were enhanced with increase of steel fiber volume ration. When doped fiber volume ratios are from 1.0%to 1.5%，the cleavage extension strength increases fastest.When doped fiber volume ratios are from 1.0%to 2.5%，the flexural strength increases fastest.

Keywords：ultra high performance concrete，steel fiber，compressive strength，cleavage extension strength，flexural strength