浅析钢纤维掺量对超高性能混凝土性能的影响

岳国柱

（上海浦兴路桥建设工程有限公司，上海市 201210）

0 引 言

钢纤维具有良好的强度和韧性，其被研究和掺入到超高性能混凝土中，用于改善混凝土的各项性能。因此，掺入多少钢纤维成为了超高性能混凝土领域关注的一个重点，少掺，超高性能混凝土性能改善效果不显著；多掺，不仅会产生相反的效果，而且可能出现某一项或几项性能指标得到改善，而其它性能严重衰减的反作用。

因此，本文重点梳理近些年来国内关于钢纤维掺量对超高性能混凝土各方面性能影响的研究成果，分析并总结出一些结论，协助行业从业人员洞悉研究方向、拓宽思路和借鉴应用。

1 掺量对拉伸与断裂性能影响的研究分析

（1）拉伸性能

吴攀等人[1]通过测试拉伸超高性能混凝土构件过程中电阻率的变化情况，发现随着钢纤维掺量的增加，超高性能混凝土的电阻率呈现出降低趋势，如钢纤维掺量分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%时，对应超高混凝土试样的电阻率分别为131.96 kΩ·cm、89.86 kΩ·cm、64.28 kΩ·cm、56.68 kΩ·cm、50.01 kΩ·cm，即导电性能提高。钢纤维掺量的增加提高了拉伸强度和导电性能。胡翱翔等人[2]通过设计与成型“8”字型超高混凝土试件，采用加大端头两端提拉的方法，测试了不同钢纤维掺量（0%~5%）超高性能混凝土材料的单轴拉力学性能，测试结果表明：随着钢纤维掺量增加，超高性能混凝土的抗拉强度、峰值应变计受拉韧性均逐步提高，且不影响其工作性能。

由相关研究成果可知，钢纤维掺量的增加有助于提高超高性能混凝土的抗拉强度或拉伸强度。

（2）断裂性能

杨益伦等人[3]用楔入劈拉试验方法的研究结果表明，向超高性能混凝土中掺入钢纤维会大幅提高其起裂韧度、失稳韧度和断裂能，仅掺入1%的钢纤维，就可以将超高性能混凝土的起裂韧度、失稳韧度和断裂能分别提高到3.60倍、10.96倍和49.16倍；而且2%、3%、4%和5%掺量的测试结果表明：超高性能混凝土的起裂韧度、失稳韧度与断裂能会随着钢纤维掺量增加而增大，只是当掺量增加到一定幅度后各项性能提高的幅度呈现出逐渐趋缓的趋势。梁兴文等人[4]开展配筋超高性能混凝土受弯性能试验研究，发现当钢纤维掺量从3%提高到5%时，UHPC梁纯弯区段裂缝数量显著减少，开裂荷载提高了6.0%～11%，增加钢纤维掺量可改善超高性能混凝土的抗裂性能。

无论采用楔入劈拉试验，还是受弯性能测试试验，相关研究结果均表明掺入钢纤维可以大幅提高超高性能混凝土的抗裂性能，同样呈现出掺量增加，抗裂性能提高的规律。

2 掺量对抗压抗折性能影响研究分析

李永等人[5]研究发现，当3%是钢纤维掺量的临界值，不足3%时，超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度会随着掺量增加而增大；当超过该值时，则会减小。孔德宇等人[6]设计与制备超高性能混凝土的过程中，发现钢纤维影响超高性能混凝土抗压、抗折强度的临界掺量值是2.0%，即便再增加0.5%，即2.5%掺量，也会分别降低抗压强度和抗折强度3.1%和5.3%。常新明等人[7]在研究自密实超高性能混凝土的过程中，发现微细钢纤维掺量不超过1%时，其可以显著提高超高性能混凝土的28 d抗压强度，并有效改善混凝土的韧性，但超过该值时，其工作性能会显著衰减，1%钢纤维掺量的超高性能混凝土满足不了自密实指标要求。徐魏魏等人[8]开展单轴受压试验，研究0%、1%和2%体积掺量钢纤维对超高性能混凝土性能影响，同样发现在该掺量范围内，超高性能混凝土抗压强度随钢纤维掺量增加而显著增大，2.0%体积掺量试件的抗压强度约为1.5%的1.5倍。仲从春等人[9]选取材质相同、体积掺量不同（0.5%～2.5%）的钢纤维开展超高性能混凝土抗压和抗折强度测试仪，试验结果表明试件的抗压强度随着掺量的增加而增加，2.5%掺量超高性能混凝土试件的抗压强度最高，≥130MPa；较基体混凝土，抗折强度也提高了82.55%。)。翟红侠等人[10]研究了钢纤维掺量对强度超过150 MPa且用作装配式墙体材料超高性能混凝土的强度性能影响，发现当钢纤维掺量由0.5%增加到2%时，其强度提升了37.5%）。杜任远等人[11]交叉研究了不同尺寸超高性能混凝土试件在不同钢纤维掺量条件下的抗压强度，发现钢纤维掺量对试件强度影响的规律与试件尺寸无关，且掺量为2%时，各尺寸试件的抗压强度值达到最大，进一步增加掺量，如3%和4%，则强度值会有所衰减。

综合分析研究结果，可知在一定掺量范围内，钢纤维可以提高超高性能混凝土的抗压和抗折强度，但掺量超过一定的值时，这两项性能指标均会衰减。

3 掺量对动态压缩性能影响研究分析

焦楚杰等人[12]采用分离式霍普金森压杆装置探索了较大体积掺量（0%、3%、4%）钢纤维对超高混凝土压缩性能的影响情况，研究结果表明：钢纤维超高强混凝土是应变率敏感材料，且当应变率超过敏感阀值后，钢纤维超高强混凝土的强度、韧度与弹性模量都随纤维体积率的增加而显著提高。刘建忠等人[13]采用与焦楚杰相同的装置（分离式霍普金森压杆）系统性研究了不同钢纤维体积掺量（0%、1.0%、1.5%和2.0%）的大掺量粉煤灰超高性能混凝土在多次冲击压缩作用下的动态力学行为，研究发现不仅掺入钢纤维会显著提高超高混凝土抗多次冲击的能力，而且随着钢纤维掺量增加，其抵抗多次冲击的能力也逐渐提高。仵鹏涛等人[14]发现增加钢纤维掺量，可显著提高超高性能混凝土的动态抗压强度、峰值应变以及韧度等指标。

由此可见，钢纤维可提高超高性能混凝土的压缩性能，且掺入量越大，抗压缩能力、抗冲击能力越强。

4 结 论

通过与分析梳理钢纤维掺量对拉伸与断裂性能、抗压抗折性能及动态压缩性能等方面的研究成果，可得出以下结论：

（1）钢纤维掺量的增加有助于提高超高性能混凝土的抗拉强度或拉伸强度、抗压缩能力、抗冲击等性能；

（2）超高性能混凝土抗压强度和抗折强度受钢纤维掺量影响大，在一定范围内二者呈现正相关性；当超过某一临界值或阈值时，表现为负相关。

当然，钢纤维掺量对超高性能混凝土性能的影响远不止前述几类，如增加钢纤维掺量可有效改善超高性能混凝土的干燥收缩，而且其掺量超过一定的临界值时，干燥收缩的改善效果显著提高[15]；又如由于超高性能混凝土流体属于Bingham流体，随着钢纤维掺量的增加，纤维桥接作用越显著，相应的显著增大其屈服应力和塑性黏度。但钢纤维分散性会随着掺量增加而变差，当达到一定的临界值时，会出现团聚或成团现象，进而降低了纤维的有效利用率[16]。