超高性能注浆纤维水泥基材料力学性能研究

黄政宇，周璇

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一种具备高韧性、高强度、低孔隙率的水泥基材料，它通过提高混凝土各组分的细度和活性，避免使用粗骨料，最大地减少混凝土内部的孔隙[1-7]。然而素 UHPC仍是一种脆性的材料，若在UHPC中掺入纤维，则可以显著地提高混凝土的延性和韧性[8]。钢纤维的加入能够有效地抑制混凝土内部微裂缝的发展和宏观裂缝的形成，从而极大地提高混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳等性能[9]。普通的钢纤维混凝土纤维体积率最多仅能达到 2%左右，若纤维率继续增加，则在拌制过程中钢纤维将难以拌合均匀，甚至发生结团现象。为解决纤维率难以进一步提高的问题，注浆纤维混凝土(Slurry Infiltrated Fiber Concrete, SIFCON)制作工艺应运而生。其工艺可以简略描述为：先在模具内铺设好钢纤维，然后将浆体浇入。一般采用分层振动浇筑的方法以确保混凝土的密实性。而采用这种方法可以使纤维率达到5%～20%，个别情况甚至可达27%[10]。SIFCON中纤维对基体的增强作用不仅是因为纤维与基体之间较强的黏结，更是因为高纤维率下纤维互相之间的纤维联锁[11]作用所产生的机械咬合力。正是由于这种纤维联锁作用，使得SIFCON相比普通钢纤维混凝土具有更为优秀的性能。以往关于SIFCON的研究主要采用的是普通混凝土基体，其中不乏许多包含粗骨料的基体。然而因为SIFCON本身高纤维率的特殊性，导致纤维之间紧密接触，间隙微小，若骨料粒径过大则无法充分填满纤维之间的微小间隙。且即便是只包含细骨料的普通混凝土，因基体本身强度所限，并不能最大发挥SIFCON高纤维率的优势。故本实验采用剔除骨料的超高性能水泥基材料(Ultra High Performance Cementitious Composites，UHPCC)作为基体，因其粉末细度大，且通过加入超塑化剂能拥有较高的流动度，有利于渗入填充密布钢纤维之间的缝隙，另外其凝结硬化后强度较高，所以是一种非常理想的基体材料，这样就形成了超高性能注浆纤维水泥基材料(Slurry Infiltrated Fiber Cementitious Composites, SIFCC)。同时本研究还选用了废旧轮胎回收钢纤维(后续简称回收纤维)作为纤维材料之一，原因主要是该回收钢纤维绝大多数处于弯曲状态，有利于加强纤维联锁作用；且它作为一种工业废料，若能加以利用，能够起到节约资源的作用。最后，试验再通过降低水胶比、掺入矿物掺合料等对基体进行改善，并经90℃热水养护，增强纤维和基体的黏结，从而显著地提高混凝土的极限抗折强度和抗压强度[12]。

1 实验

1.1 原材料

水泥，P.O.42.5级水泥；硅灰，浅灰色粉末,呈球型，平均粒径88 nm；超细粉煤灰，灰色粉末；超活性矿渣粉，白色粉末；减水剂，聚羧酸高效减水剂，含固量50%，减水率大于40%。试验原材料化学成分和性能见表1和表2。

表1 粉质原材料化学组成Table 1 Chemical composition of silty materials %

表2 钢纤维主要性能Table 2 Main performance of steel fibers

1.2 配合比

本实验研究了不同纤维率和不同纤维类型下SIFCC的抗弯、抗压强度的变化规律。基体配合比如表3所示，试验分组见表4。

1.3 试验方法

1.3.1 试件制备及养护

1) 依据试验的配合比，准确称取各材料质量，将水泥、硅灰、超细粉煤灰和超活性矿渣粉混合倒入搅拌机内，干拌6 min。

2) 缓慢加入拌合水(溶有减水剂)，搅拌12 min。

3) 在模具内乱向而均匀地铺设钢纤维，并将搅拌好的浆体缓缓浇入。

4) 浇筑完毕后，置于振动台上振动，直至没有气泡逸出为止，制成100 mm×100 mm×400 mm试件。移入养护室(20土2) ℃养护48 h后拆模，进行热水(温度 90 ℃)养护 48 h。

表3 基体配合比设计Table 3 Designed mixing proportion of matrix

表4 试验分组Table 4 Experimental groups

1.3.2 测试方法

1) 抗弯强度测定

测定方法参照CECS 13-89《钢纤维混凝土试验方法》[13]，试件大小为100 mm×100 mm×400 mm，加载速度为0.05～0.08 MPa/s，图1为试验示意图。

图1 抗弯试验示意图Fig. 1 Sketch map of bending test

2) 抗压强度测定

测定方法采用CECS 13-89《钢纤维混凝土试验方法》，试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，加载速率取0.5～0.8 MPa/s。

2 结果与讨论

试验测定了不同纤维类型和不同纤维率下SIFCC试件的抗弯、抗压性能，测试结果见表5。

2.1 不同纤维率下SIFCC的抗弯强度变化

2.1.1 掺回收纤维 SIFCC试件在不同纤维率下的抗弯强度变化

试验测定了纤维率分别为 0，6%，8%和 10%的SIFCC试件抗弯强度,变化规律见图2。

纤维对于试件抗弯性能的增强主要体现在对基体中裂缝的“桥架作用”，在弯曲荷载作用下，钢纤维能够提供给UHPCC基体足够的桥联应力，开裂后能有效地抑制裂缝进一步扩展，承担基体因为开裂而释放的部分应力，并依靠基体与纤维间的黏结将力传递给两侧未开裂的基体，最终试件因纤维的拔出或拔断而破坏[12]。由图2可知，当回收纤维掺量在6%，8%和10%时，相应SIFCC试件的抗弯强度较素UHPCC试件分别提高83.4%，101.1%和 127%，且强度随着掺量的增加而持续提高。但由于回收纤维长度不一致，部分纤维长度过短，以致于锚固长度不足，“桥架作用”不明显，故在试验过程中掺废旧纤维的 SIFCC试件相比掺端勾纤维的SIFCC试件表现出相对的脆性，破坏过程中存在微小的折断声，断裂时刻应变迅速增大。

表5 SIFCC抗弯、抗压强度测试结果Table 5 Results of SIFCC bending strength and compressive strength

图2 回收纤维SIFCC试件抗弯强度变化Fig. 2 Changes of bending strength of recycled fiber SIFCC specimens

2.1.2 掺13 mm端勾纤维SIFCC试件在不同纤维率下的抗弯强度变化

鉴于回收纤维长度不一致所带来的锚固长度不足的情况，本研究采用了长度为13 mm的端钩型钢纤维作为对比，其对应SIFCC试件抗弯强度随纤维率的变化如图3所示。

由图3可知，当13 mm端勾纤维掺量在6%，8%和 10%时，相应 SIFCC试件的抗弯强度较素UHPCC试件分别提高了 100.7%，128.3%和149.6%，且强度随着掺量的增加而持续提高。值得注意的是，在同一纤维率下，掺端勾纤维的SIFCC试件抗弯强度明显高于掺回收纤维的 SIFCC试件的抗弯强度。这是因为端勾纤维长度一致且锚固长度较长，“桥架作用”相对明显。同时也说明锚固长度所带来的抗弯性能的增强效果要超过纤维弯曲所产生的纤维联锁作用。且在整个试验过程中，掺端勾纤维的 SIFCC试件直至破坏几乎没有发出脆性的声响，破坏过后仍能继续承受较大荷载，应变随应力变化缓慢。

图3 13 mm端勾纤维SIFCC试件抗弯强度变化Fig. 3 Changes of bending strength of 13 mm hooked-fiber SIFCC specimens

2.1.2 掺25 mm端勾纤维SIFCC试件在不同纤维率下的抗弯强度变化

为进一步研究纤维长度对于 SIFCC试件抗弯强度的影响，和前述的13 mm钢纤维形成对比，本试验又选用了25 mm长度钢纤维制成SIFCC试件，并测定了其抗弯强度如图4所示。

图4 25 mm端勾纤维SIFCC试件抗弯强度变化Fig. 4 Changes of bending strength of 25 mm hooked-fiber SIFCC specimens

由上图可知，当25 mm端勾纤维掺量在6%、8%、10%时，相应 SIFCC试件的抗弯强度较素UHPCC试件分别提高了 133.3%，169.7%和199.4%，随着纤维率的增大而提高。相比掺有 13 mm端勾纤维的SIFCC试件，掺25 mm端勾纤维的SIFCC试件的抗弯强度有所增长，并且增长程度随着纤维率的增大而增大，强度增长在 15%～20%左右，可见增加纤维的长度可以提高试件的抗弯强度。另外其试件破坏形式也与掺13 mm端勾纤维的SIFCC试件破坏形式相似，直至破坏，试件并未完全断裂。

2.2 不同纤维率下SIFCC的抗压强度变化

2.2.1 掺回收纤维 SIFCC试件在不同纤维率下的抗压强度变化

试验测定了纤维率分别为 0，6%，8%和 10%的SIFCC试件抗压强度，变化规律见图5。

图5 回收纤维SIFCC试件抗压强度变化Fig. 5 Changes of compressive strength of recycled fibers SIFCC specimens

由图5可知，当回收纤维掺量在6%，8%和10%时，相应SIFCC试件的抗压强度较素UHPCC试件分别提高了52.2%，58.5%和64.1%，虽然强度随着掺量的增加而持续提高，但增长幅度较小。出现这样的情况，一方面是由于回收纤维锚固长度不足所带来的影响，另一方面高纤维率的SIFCC试件在抗压方面性能的优越性不如抗弯显著。

2.2.2 掺13 mm端勾纤维SIFCC试件在不同纤维率下的抗压强度变化

针对前述抗弯试验所出现的掺端勾纤维试件性能优于掺回收纤维试件的情况，本试验还测定了纤维率分别为0，6%，8%和10%的掺13 mm端勾纤维SIFCC试件的抗压强度，以形成对比，其变化规律如图6所示。

图6 13 mm端勾纤维SIFCC试件抗压强度变化Fig. 6 Changes of compressive strength of 13 mm hooked-fiber SIFCC specimens

从图6可知，掺13 mm端勾纤维的SIFCC试件抗压强度随纤维率变化并不显著，当纤维掺量在6%，8%和10%时，相应SIFCC试件的抗压强度较素UHPCC试件分别提高了67.2%，72.8%和82.1%，是一个较为平稳而缓慢的增长趋势。这说明高纤维率下，混凝土的抗压强度增长较小。但应该重视的是，试验过程中直至试件受压破坏，整个试件的外表变形并不明显，且无脆性声响；破坏过后仍能继续承受较大荷载，延性较好。

2.2.3 掺25 mm端勾纤维SIFCC试件在不同纤维率下的抗压强度变化

为研究纤维长度对SIFCC抗压强度的影响，本试验测定了在0，6%，8%和10%纤维率下掺25 mm端勾纤维的SIFCC试件的抗压强度，如图7所示。

图7 25 mm端勾纤维SIFCC试件抗压强度变化Fig. 7 Changes of compressive strength of 25 mm hooked-fiber SIFCC specimens

从图7可知，掺25 mm端勾纤维的SIFCC试件在纤维率为6%，8%和10%时相比素UHPCC试件的抗压强度分别提高了73%，78%和87.7%，相比掺13 mm端勾纤维的SIFCC试件，掺25 mm的SIFCC试件在抗压强度上的提高较小，只有6 MPa左右，可见纤维长度对于SIFCC的抗压强度作用并不明显。

2.3 不同纤维率和不同纤维长度下SIFCC的弯曲韧性变化

根据SIFCC的抗压、抗弯性能测试结果，采用端钩型纤维作为代表进行SIFCC的弯曲韧性试验。在纤维率分别为 0，6%，8%和 10%，纤维长度分别为13 mm和25 mm的情况下，研究尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的SIFCC试件的弯曲韧性。试验表明，在以上的变化范围内，SIFCC试件的初裂强度与素UHPCC试件初裂强度差别较小，且初裂后裂缝宽度很小，肉眼无法清晰识别，需借助放大镜，继续加载，裂缝保持稳定，发展缓慢。在达到极限荷载之前，主裂缝逐渐形成，且裂缝总数较少，破坏较为集中。极限荷载过后，力值并未发生突降，荷载—挠度曲线缓慢下降，试件仍保持较大承载力，最后主裂缝不断发展，直至破坏。整个过程中不同纤维率和不同纤维长度的试件破坏特征较为相似，试件未发出脆性声响，破坏后试件仍保持较高的完整性，未发生断裂。根据试验过程中万能试验机荷载读数及双侧千分表位移读数，4种纤维掺量的SIFCC弯拉荷载—挠度曲线如图8所示。

依据 CECS 13-2009《纤维混凝土试验方法标准》[14]对SIFCC的弯曲韧性进行评定。首先将钢尺与曲线的线性段重叠放置确定初裂点A，其纵坐标为初裂荷载 fcr，横坐标为初裂挠度(B点)，再分别按初裂挠度的3.0，5.5和10.5倍在横坐标上依次确定D，F和H 3点，向上引垂线分别与曲线相交于C，E和G 3点。分别求出OAB，OACD，OAEF和 OAGH 的面积，以此记作 Ωδ，Ω3δ，Ω5.5δ和 Ω10.5δ，然后按照式(1)～(3)计算弯曲韧性指数，计算结果如表6所示。

图8 荷载-挠度曲线Fig. 8 Load-deflection curves

表6 韧性指数Table 6 Toughness index

荷载—挠度曲线与X轴围成的面积为SIFCC试件在破坏过程中所消耗的能。韧性指数是指试件达到指定挠度耗能同构件开裂耗能的比值，反应了试件开裂后的耗能能力。韧性指数越大，表示试件开裂后的耗能能力越大，韧性越好。

由表6可知，SIFCC试件相比素UHPCC试件，其初裂强度和初裂挠度变化微小，但峰值强度和峰值挠度变化显著。掺13 mm端勾纤维的SIFCC试件在6%，8%和10%纤维率下相比素UHPCC试件峰值强度分别提高了 130.37%，166.49%和198.78%，峰值挠度分别提高了 450%，572.41%和638.28%。掺25 mm端勾纤维的SIFCC试件在6%，8%和10%纤维率下相比素UHPCC试件峰值强度分别提高了170.86%，203.84%和230.72%，峰值挠度分别提高了451.72%，693.1%和879.31%。而对于韧性指数，掺13 mm、10%纤维率的SIFCC试件相比素UHPCC试件，其I5，I10和I20分别提高了7.89倍，19.68倍和46.31倍，掺25 mm、10%纤维率的SIFCC试件相比素 UHPCC试件，其 I5，I10和 I20分别提高了8.38倍，20.75倍和48.21倍，可见纤维率的提高以及纤维长度的增加均能使构件的弯曲韧性得到增强。

依据图9可以看出，无论是掺13 mm还是掺25 mm端勾纤维的SIFCC试件，8%纤维率的SIFCC试件相比6%的SIFCC试件破坏耗能的增加幅度高于10%的SIFCC试件相比8%的SIFCC试件破坏耗能所增加的幅度。这是因为10%纤维率情况下纤维数量较多，部分纤维相互紧靠成束状，故纤维间距非常小，然而纤维间距对于纤维与基体间的黏结强度有重大影响，当钢纤维成束状时，钢纤维与基体间的极限黏结强度会随着纤维根数的增加而迅速地降低。试验表明直径分别为0.2～1.0 mm的钢纤维与基体间的黏结强度跟束状拔出时纤维的根数问近似成指数衰减的关系，这种急剧衰减的原因可以用纤维有效黏结面积的降低来解释[15]。正是这个原因，抑制了SIFCC试件弯曲韧性的更大增长。

图9 荷载-挠度曲线汇总Fig. 9 Summary of load-deflection curves

此外，在试验过程中发现，本文研究范围内的SIFCC试件在弯拉破坏过程中始终没有出现构件断裂的现象，展现出了其出色的延性。

3 结论

1) 无论是回收纤维还是端勾纤维，其对应SIFCC构件抗弯、抗压强度随着纤维率的增大而增大，且抗弯强度的提升效果显著高于抗压强度。

2) 同一纤维率下，掺端钩纤维的 SIFCC试件抗压、抗弯强度高于掺回收纤维的SIFCC试件。

3) 同纤维率下，掺25 mm端勾纤维的SIFCC试件相比掺13 mm端勾纤维的SIFCC试件无论是在抗弯还是抗压方面的性能都有提高。因此在后续的SIFCON研究当中应尽量采用长纤维。

4) 高纤维率能显著增强UHPCC试件的弯曲韧性，其中掺13 mm，10%纤维率的SIFCC试件相比素UHPCC试件其I5，I10和I20分别提高了7.89倍、19.68倍和46.31倍，掺25 mm，10%纤维率的SIFCC试件相比素 UHPCC试件 I5，I10和 I20分别提高了8.38倍，20.75倍和48.21倍，并且在其他纤维率下，弯曲韧性指数也是随着纤维率的提高而增大。

5) 在6%，8%和10%纤维率的情况下，SIFCC试件弯曲韧性的增长幅度随着纤维率的提高而降低，表明在此纤维率范围内，8%纤维掺量的纤维利用效率是最高的。

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