不锈钢纤维对超高性能混凝土的性能影响研究

黄政宇，李旦



不锈钢纤维对超高性能混凝土的性能影响研究

黄政宇，李旦

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 2. 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082)

通过抗压强度、抗折强度、弹性模量和荷载挠度曲线试验，研究不锈钢纤维对UHPC力学性能的影响；通过氯盐浸泡干湿循环试验，研究不锈钢纤维和镀铜钢纤维对UHPC耐锈蚀性能的影响。实验结果表明：不锈钢纤维对UHPC的抗压强度、抗折强度和弯曲韧性有显著的改善作用；当不锈钢纤维掺量为2%时，UHPC的抗压强度最高；在满足工作性能的前提下，不锈钢纤维的掺量和长径比越大，UHPC的抗压强度、抗折强度越高，弯曲韧性越好；不锈钢纤维的掺入，可提高UHPC的弹性模量；在氯盐浸泡干湿循环条件下，掺不锈钢纤维的UHPC几乎不会发生锈蚀现象，而掺镀铜钢纤维的UHPC经过1次干湿循环后表面会出现锈渍，并随着干湿循环次数的增加，掺镀铜钢纤维的UHPC表面会发生严重的锈蚀现象。

UHPC；不锈钢纤维；力学性能；抗锈蚀性能

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一种具有高强度、高韧性、优异耐久性的混凝土[1−5]，其结构的主要特点是内部孔隙小，十分密实。但素UHPC仍是一种脆性材料，目前主要是通过掺入纤维来保证其超高的抗压强度并提高其延性和韧性。纤维在UHPC中呈三维乱向分布，形成了纤维的“骨架”效应，能有效的抑制混凝土内部微裂缝的发展和宏观裂缝的形成，因此能有效提高素UHPC的抗压强度、弯曲韧性等性能[6−9]。镀铜钢纤维易锈蚀，在使用过程中，分布在UHPC表层的镀铜钢纤维十分容易发生锈蚀从而使UHPC表面会出现锈渍。如果将掺镀铜钢纤维的UHPC运用于海洋工程，UHPC会因镀铜钢纤维锈蚀从而影响耐久性；如果将掺镀铜钢纤维的超高性能混凝土制成预制装饰面板，在长期使用的过程中，面板会因为镀铜钢纤维锈蚀而影响外观，进一步会影响其服役寿命[10−11]；如果用聚乙烯纤维替代镀铜钢纤维，虽然能解决镀铜钢纤维锈蚀的问题，但研究发现聚乙烯纤维对UHPC力学性能的提高有限[12]。不锈钢纤维与镀铜钢纤维相比除了具有耐高温的特性外，最显著的区别是不锈钢纤维耐锈蚀性能好。如果将不锈钢纤维掺入UHPC中能很好地改善其力学性能，并UHPC表层不易发生锈蚀。在一些特殊使用环境中如海洋工程，不锈钢纤维可以替代镀铜钢纤维，改善镀铜钢纤维易锈蚀的缺陷，使UHPC具有更好的耐久性，并且在使用的过程中不易出现锈渍。因此，本文在目前国内外学者研究的基础上，研究不锈钢纤维对UHPC力学性能的影响，以及通过氯盐溶液浸泡干湿循环试验研究其耐锈蚀性能。这将从原材料的角度上既保证UHPC的超高抗压度强度和优良韧性，又改善UHPC的耐锈蚀性能，从而提高其耐久性，对UHPC在海工结构中的应用以及将UHPC运用到外饰面薄板中具有十分重要的现实意义。

1 实验

1.1 原材料

水泥，P.O.42.5级水泥；粉煤灰，深灰色粉末；硅灰，浅色粉末，SiO2含量大于91%，颗粒平均粒径89 nm，比表面积1.85×104m2/kg；石英砂，20~40目；石英粉，白色粉末，325目，平均粒径50.5 um，密度2.646 g/cm3；聚羧酸高效减水剂，减水率大于40%；304不锈钢生产的不锈钢纤维，端勾型，直径0.2 mm，长度13，16和20 mm；高碳钢生产的镀铜钢纤维，形状、长度、直径同不锈钢纤维，纤维的成分如表1所示，纤维的形状如图1~2所示。

表1 纤维的化学成分

图1 不锈钢纤维的形状

图2 不锈钢纤维的形状

1.2 实验方法

本文的配合比如表2所示，其中S0表示素UHPC。B代表掺不锈钢纤维，F代表掺镀铜钢纤维，65，80和100表示长径比；1，2和3分别表示纤维掺量为1.5%，2%和2.5%。

试件成型48 h后拆模，按热水(温度90 ℃)养护48 h后进行如下试验。

1) 抗压强度测定

试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，测试方法采用CECS 13—2009《纤维混凝土试验方法标准》[13]。

2) 弹性模量测定

试件为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件，测试方法采用标准同上。

3) 抗弯强度测定

试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，测试方法采用标准同上。

4) 氯盐浸泡干湿循环试验

试件尺寸为150 mm×150 mm×20 mm，试件的配比为表2中的B80-2和F80-2，试件用氯离子浓度为3%的NaCl溶液浸泡4 d后，放置常温干燥环境下4 d，8 d为1个循环周期。

表2 试验配合比设计

2 结果与讨论

试验测定掺不锈钢纤维和镀铜钢纤维UHPC试件的抗压、抗弯强度以及弹性模量，测试结果见 表3。

2.1 不锈钢纤维对UHPC的抗压强度的影响

2.1.1 纤维长径比对UHPC抗压强度的影响

图3表示不同长径比的不锈钢钢纤维对UHPC抗压强度的影响柱状图。从图中可得到当不锈钢纤维掺量为1.5%时，长径比为65，80和100的抗压强度分别为146，150和153 MPa，分别提高了16.8%，20%和22.4%，并随着长径比的增加抗压强度有微小幅度的提高；当不锈钢纤维掺量为2%时，具有类似的变化规律；当不锈钢纤维掺量为2.5%时，长径比为65，80和100的抗压强度分别为167，171和168MPa，分别提高了33.6%，36.8%和34.4%，长径比为100的抗压强度比长径比80的低。这表明，当不锈钢纤维的掺量较小时，随着长径比的增加，UHPC的抗压强度有微小幅度的提高，这主要是因为不锈钢纤维在UHPC中可以阻止裂缝的发展；当不锈钢纤维掺量超过一定量时，随着长径比的增加，UHPC的抗压强度反而会降低，这主要是因为，随着长径比的增加UHPC的流动性下降，会出现纤维结团现象，使不锈钢纤维在基体中的分布不均匀，降低纤维增强效率，从而降低不锈钢纤维对UHPC抗压强度的增强效果。

表3 UHPC抗弯、抗压强度、弹性模量测试结果

图3 不锈钢纤维长径比对UHPC抗压强度的影响

2.1.2 纤维掺量对UHPC抗压强度的影响

在热养护条件下，不锈钢纤维掺量对UHPC的抗压强度影响如图4所示。从图中可知，当纤维长径比为65和100时，UHPC的抗压强度随不锈钢纤维掺量的增加而不断增大，素UHPC的抗压强度为125 MPa；当纤维掺量为1.5%时，UHPC的抗压强度提高25%左右；当纤维掺量为2%时，UHPC的抗压强度提高41%左右，当纤维掺量为2.5%时，UHPC的抗压强度提高44%左右。这表明，不锈钢纤维可以显著提高UHPC的抗压强度。主要是由于UHPC在受压过程中，内部孔隙处和界面过渡区会产生应力集中，随着荷载的增大会产生微裂缝并且裂缝会慢慢扩张形成主裂缝，从而使试件被压坏；当UHPC加入不锈钢纤维时，由于不锈钢纤维的弹性模量和抗拉强度远高于素UHPC，当UHPC产生裂缝时，裂缝处的不锈钢纤维能阻止或削弱裂缝的不断扩张从而提高UHPC的抗压强度。

2.2 不锈钢纤维对UHPC抗弯强度的影响

图5为不同不锈钢纤维掺量对UHPC抗弯强度的影响，从图中可得，不锈钢纤维的掺入对UHPC的抗弯强度有显著的提高。当不锈钢纤维掺量一定时，随着长径比的增大，UHPC抗弯强度有所提高，并且其增长幅度随长径比的增大而增加，不锈钢纤维掺量为1.5%时，长径比65，80和100的抗弯强度分别为20.6，21.1和23.6 MPa，增幅为0.5 MPa和2.5 MPa；当不锈钢纤维掺量为2%时，长径比65，80和100的抗弯强度分别为25.1，27.8和31.9 MPa，增幅为2.7 MPa和4.1 MPa；当不锈钢纤维掺量为2.5%，具有类似的规律。这是因为不锈钢纤维在UHPC中的桥接作用。试件在荷载的作用下，首先会在中间区域出现裂缝，当裂缝出现并向试件高度方向延伸时，不锈钢纤维会阻碍裂缝的延伸，此时，弯拉应力主要由不锈钢纤维承受，当不锈钢纤维被拔出或拉断时，裂缝会继续延伸直至破坏。破坏时，试件并未被完全折断，断面内可以清晰看到被拔出的不锈钢纤维。当纤维掺量一定时，随着长径比增加，不锈钢纤维与UHPC之间的黏结性能越好，在荷载作用下，不锈钢纤维越不易被拔出，从而提高了UHPC的抗弯强度。

图4 不锈钢纤维掺量对UHPC抗压强度的影响

当长径比一定时，随着不锈钢纤维掺量的增加，抗弯强度有十分明显的提高。当不锈钢纤维长径比为80，掺量为1.5%，2%和2.5%的抗弯强度分别为21.1，27.8和33.6 MPa，较素UHPC的抗弯强度分别提高了80%，140%和190%。当不锈钢纤维长径比为100，掺量为2.5%时，实测UHPC抗弯强度为41.2 MPa，提高了250%；易知，随着不锈钢纤维掺量的增加，对UHPC抗弯强度有显著的提高。这主要是由于当纤维掺量增大时UHPC内分布的不锈钢纤维会更密集。在荷载的作用下出现裂缝时，裂缝处不锈钢纤维分布更多，阻碍裂缝继续沿试件高度方向延伸的能力越高，因此，UHPC的抗弯强度得到显著的提高。

图5 不锈钢纤维对UHPC抗弯强度的影响

2.3 不锈钢纤维对UHPC弹性模量的影响

图6表示不锈钢纤维对UHPC弹性模量的影响。从图中可知，相同掺量不同长径比的不锈钢纤维UHPC弹性模量只有微弱的变化；随纤维掺量的增加，UHPC的弹性模量也会增加。从图中易得，素UHPC的弹性模量为45.3 MPa；当不锈钢纤维掺量分别为1.5%，2%和2.5%时，弹性模量增长幅度均为3.3 MPa左右；掺不锈钢纤维的UHPC可以看成由UHPC基体、骨料、孔隙和不锈钢纤维组成的四相复合材料，其弹性模量主要和四相所占的比例有关系；因此，不同长径比相同不锈钢纤维掺量的UHPC弹性模量几乎一致，而随着不锈钢纤维掺量的增大，弹性模量也会增大；由于不锈钢纤维的占比较小，所以增长的幅度较小。

图6 不锈钢纤维对UHPC弹性模量的影响

2.4 不锈钢纤维对UHPC弯曲韧性的影响

2.4.1 纤维长径比对UHPC弯曲韧性的影响

图7为不锈钢纤维掺量为1.5%，长径比分别为65，80和100时，UHPC荷载挠度曲线。根据CECS 13-2009对弯曲韧性进行评定，其结果表4所示。从表4可得，掺不同长径比不锈钢纤维UHPC的初裂强度很相近，主要是因为，初裂强度主要由素UHPC的弯拉强度决定，同一配比的素UHPC弯拉强度几乎相等。在试验过程中，初裂出现时，有微弱的吱吱声，裂缝十分微小，从表4中可知，峰值强度随长径比的增大而增加，不锈钢纤维掺量为1.5%，长径比为65，80和100的UHPC比素UHPC的峰值强度分别提高了54.14%，68.41%和97%，这主要是因为不锈钢纤维越长，不锈钢纤维与UHPC的黏结长度越长，抗弯拉能力因此越高。从韧性指数来看，长径比为80的UHPC和素UHPC相比，其5，10和20分别提高了4.88，8.43和14.24倍，当纤维长径比为65和100时也具有类似的规律。显然，不锈钢纤维对UHPC的弯曲韧性有一个显著的提高。当不锈钢纤维掺量为1.5%时，长径比为65，80和100的20分别为11.54，14.24和19.56，可得对于同一掺量的不锈钢纤维，随着长径比增加，其弯曲韧性也将得到提高。不锈钢纤维长径比越大，UHPC的韧性越好，其原因也是因为纤维长度越长，裂缝处的不锈钢纤维需要更大的外荷载作用才能被拔出，因此长径比增大，韧性会提高。

图7 纤维长径比对UHPC荷载-挠度曲线的影响

表4 掺量1.5%的不锈钢纤维UHPC试件韧性指数

2.4.2 纤维掺量对UHPC弯曲韧性的影响

图8为长径比为80，不锈钢纤维掺量分别为1.5%，2%和2.5%时，UHPC荷载挠度曲线；表5为长径比为80的不锈钢纤维UHPC试件韧性指数。从中可得，不锈钢纤维掺量越大，UHPC的韧性越好。从表5中可知，峰值强度随不锈钢纤维掺量的增加而增加，不锈钢纤维长径比为80，掺量为1.5%，2%和2.5%的UHPC比素UHPC的峰值强度分别提高了65.65%，97.15%和123.12%，这主要是因为不锈钢纤维掺量越大，在满足工作性能的前提下，UHPC试件内不锈钢纤维分布的越多，试件的抗拉能力也越高。从韧性指数来看，掺长径比为80，掺量为2%的不锈钢纤维UHPC和素UHPC相比，其5，10和20分别提高了4.98，10.12和19.14倍，可见不锈钢纤维对UHPC的弯曲韧性有显著的提高。当不锈钢纤维长径比为80，掺量为1.5%，2%和2.5%的20分别为16.56，19.14和20.08，可得对于同一长径比的不锈钢纤维，随着掺量增加，其弯曲韧性也将得到提高。

图8 不锈钢纤维掺量对UHPC荷载-挠度曲线的影响

2.5 不锈钢纤维对UHPC锈蚀的影响

UHPC为了提高其韧性，往往通过加入纤维来达到需求。在UHPC中掺入镀铜钢纤维能大幅度提高其抗压和抗弯强度，但分布在UHPC表面的镀铜钢纤维表面会发生锈蚀，从而产生肉眼可见的锈渍。UHPC致密的基体可对内部纤维能形成有效的保护防止锈蚀，纤维的锈蚀仅存在UHPC的表 层[14−16]。

表4 掺长径比为80的不锈钢纤维UHPC试件韧性指数

在UHPC中加入不锈钢纤维，从上述实验中可得知，其具有良好的力学性能。对分别掺入不锈钢纤维和镀铜钢纤维的UHPC进行氯离子的干湿循环试验，不断统计UHPC表面肉眼可见的锈渍，对同一根纤维上的锈渍只计数1个，结果见表5所示，其中BF表示掺2%的不锈钢纤维UHPC试件，TF表示掺2%的镀铜钢纤维UHPC试件。

表5 干湿循环实验下UHPC锈渍统计

第1次干湿循环试验后，掺镀铜钢纤维的UHPC表面就出现了锈渍。从表6可得，经过1次干湿循环后，表面出现了125点锈斑；经过2次干湿循环后，表面出现了250点锈斑；在第3次到11次干湿循环，试件表面的锈斑增长幅度减慢，在第9次干湿循环到第11次干湿循环试验锈斑数没有增长。这主要是因为，在试验初期，UHPC表层分布的镀铜钢纤维在氯离子的作用下，表面的钝化膜遭到破坏，Fe与H2O、O2发生反应产生锈渍。在后续的试验中，可以看到已有的锈渍会沿纤维分布方向延伸并出现新的锈渍。当分布在表面的镀铜钢纤维锈蚀完后，锈渍数几乎停止增长，这是因为UHPC十分密实，氯离子扩散系数低，一般只能渗透到UHPC表层。经过11次的干湿循环实验后，掺镀铜不锈钢纤维UHPC表面的锈斑分布如图9所示。掺不锈钢纤维的UHPC在干湿循环实验下没有出现锈斑如图10所示，主要是由于不锈钢纤维中的铬(Cr)会与腐蚀介质中的氧反应形成一层很薄的氧化膜，防止进一步的氧化，并且当氧化膜遭到破坏时，暴露出的钢表面会重新形成这种“钝化膜”，继续起保护作用。

图9 镀铜钢纤维UHPC经过11次干湿循环实验后表锈渍分布

图10 不锈钢纤维UHPC经过11次干湿循环实验后表锈渍分布

通过干湿循环试验可知，掺不锈钢纤维的UHPC与掺镀铜钢纤维的UHPC相比，具有良好的耐锈蚀性能，其表面几乎不会发生锈蚀现象。

3 结论

1) 在UHPC中掺入不锈钢纤维能显著改善其韧性，纤维掺量为2%的UHPC较素UHPC的韧性指数5，10和20均大幅度提高。

2) 在同纤维掺量、同纤维长径比，不锈钢纤维和镀铜钢纤维均能显著提高UHPC的抗压、抗弯强度可认为不锈钢纤维和镀铜钢纤维对UHPC抗压和抗弯性能具有相同的改善作用。

3) 综合考虑UHPC的抗压强度、弯拉韧性等指标，对直径为0.2 mm、长度为13~20 mm范围内的不锈钢纤维，最佳体积掺量为2%，最佳长度为16 mm。

4) 掺不锈钢纤维的UHPC与掺镀铜钢纤维的UHPC相比，具有优良的抗锈蚀性能。

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Study on the effect of stainless steel fiber on the performance of ultra-high performance concrete

HUANG Zhengyu, LI Dan

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province, Changsha 410082, China)

The article studied the influence of stainless steel fiber on the mechanical properties of UHPC through compressive strength, flexural strength, elastic modulus and load deflection curve test. The influence of stainless steel fiber and copper plated steel fiber on corrosion resistance of UHPC was studied through drying-wetting cycles test in chlorine salt. The experimental results show that the stainless steel fiber has a significant effect on improving the compressive strength, flexural strength and flexural toughness of UHPC. When the stainless steel fiber content is 2%, the compressive strength of UHPC is the highest. Under the premise of meeting the working performance, the larger the stainless steel fiber content and the aspect ratio, the higher the compressive strength and flexural strength of UHPC, the better the flexural toughness. The stainless steel fiber, can improve the elastic modulus of UHPC. In chloride immersion dry wet cycling experiment, adding stainless steel fiber UHPC hardly corrode. In contrast, copper plated steel fiber UHPC after one cycle of dry and wet surface will appear rust stains, and with the increase of cycle times, UHPC of steel fiber will have the phenomenon of serious corrosion.

UHPC; stainless steel fiber; mechanical properties; corrosion resistance

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.013

TU528

A

1672 − 7029(2019)02 − 0376 − 08

2018−01−30

国家自然科学基金资助项目(U1305243)

黄政宇(1959−)，男，湖南湘潭人，教授，从事高性能混凝土的研究；E−mail：zyhuang@hnu.edu.cn

(编辑 涂鹏)