集束PBO纤维增强UHPC性能的研究

孙义牛，郭建好，管仁彪，宫 海

(智聚装配式绿色建筑创新中心南通有限公司，江苏 南通 226010)

超高性能混凝土(UHPC)是指以水泥、硅灰等活性掺合料、细骨料、高性能聚羧酸减水剂和高强度增强纤维等原料生产的水泥基材料。它具有高流动性，蒸汽养护后，压缩强度能达到200 MPa以上。UHPC用于建筑结构构件时，增强纤维使用高强度钢纤维；用于外挂装饰板时，增强纤维使用聚乙烯醇(PVA)纤维。GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》规定：钢纤维需满足直径0.18～0.22 mm，长度12～16 mm，抗拉强度≥2 000 MPa。钢纤维赋予UHPC超高强度和超高韧性，但是钢纤维也存在问题。第一,钢纤维容易生锈，构件表面出现密密麻麻的锈点，表面被污染，不美观;第二,钢纤维容易刺伤人，安全性不佳;第三,在腐蚀性自然环境中，钢纤维在UHPC构件内部，不会被腐蚀,但是当构件出现小裂缝时，内部的钢纤维极易被腐蚀，造成力学性能下降。PVA纤维耐腐蚀,也能对UHPC起到增强增韧的效果，但是其性能远不及钢纤维，不能单独用于结构构件，且掺量过大时，会影响UHPC流动度。

聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维被称为“超级纤维”，具有耐酸耐碱耐腐蚀、超高强度、超高模量、超高耐热性、超阻燃性。全世界目前只有日本东洋纺生产，商标为“zylon”。各种常用增强纤维的拉伸性能如图1所示，从图中可以看出，PBO纤维拉伸强度大于5 000 MPa，弹性模量大于50 GPa，拥有最完美的力学性能。梁希凤等[1]研究了单项PBO纤维片材增强混凝土的弯曲性能，发现PBO纤维体积含量达到1.35%时，弯曲强度为素混凝土的3.6倍，而且破坏形式由脆性破坏转变为韧性断裂。屈慕超等[2]研究了PBO纤维与CF(碳纤维)协同增强混凝土的弯曲性能，发现PBO纤维和CF制作的片材协同增强混凝土，具有比单一纤维更好的弯曲强度和破坏吸收能。但是他们都是将PBO纤维制作成长度160 mm，宽度40 mm的单向单一片材，且对象都是素混凝土，没有研究其工作性能和收缩性能。目前国内还无人将PBO纤维应用于UHPC。

本文研究了PBO纤维增强UHPC的工作性能、力学性能和收缩性能，并与钢纤维增强UHPC和PVA纤维增强UHPC进行了性能比较，分析了其作用机理，希望能将PBO纤维增强UHPC用于建筑结构构件。

1 试验

1.1 使用材料

试验使用材料如表1所示。目前市售的东洋纺PBO纤维是复丝，它由几百根直径0.012 mm的单丝并合而成。如果直接掺入到UHPC中，流动性将非常差。为了同时保证材料的强度和流动性，将PBO纤维单丝用专用树脂进行集束加工，这样搅拌时可以避免纤维束被破开。本试验3种增强纤维的物性数据、PBO单丝的物性数据、预混料的配合比分别如表2、表3和表4所示。

图1 各种纤维的拉伸强度与弹性模量Fig.1 Tensile strength and young’s modulus of various fibers

1.2 搅拌及养护方法

将预混料、减水剂和水投入到强制式搅拌机中，搅拌10 min，倒入纤维，搅拌5 min，保证纤维分散均匀。浇筑试块成型后，在室温20 ℃下，覆膜养护24 h，脱模，90 ℃蒸汽养护48 h(升温和降温速度均为15 ℃/h)。

表1试验使用材料
Table1Laboratory materials

种类概要PII52.5水泥南京江南-小野田水泥厂30～50目细砂江西鄱阳湖湖砂50～100目细砂硅灰上海天恺940黑硅灰消泡剂南京四新G-20减水剂苏州兴邦PC-1060液体聚羧酸减水剂钢纤维上海真强纤维有限公司PVA纤维日本可乐丽(kuraray)PBO纤维日本东洋纺水南京江宁区自来水,水温20℃

表2三种增强纤维的物性
Table2Physical properties of three kinds of reinforcing fibers

纤维种类 厂家 密度/(g·cm-3)直径/mm长度/mm拉伸强度/GPa弹性模量/GPa钢纤维上海真强 7.85 0.2 15 2.0 200PVA纤维日本可乐丽 1.3 0.2 12 0.91 29集束PBO纤维日东纺 1.51 0.23 15 3.5 141

注：PVA纤维为日本可乐丽Ductal专用，型号为RF350×12 mm

表3PBO单丝的物性
Table3Physical property of PBO single fiber

物性参数数值 密度/(g·cm-3)1.54 直径/mm0.012 拉伸强度/GPa5.8 弹性模量/GPa180 断裂伸长率/%3.5 分解温度/℃650 水含量/%2.0 LOI68

表4预混料的配合比
Table4Mix proportion of premix g

1.3 测试项目和试验方法

测试项目、试块尺寸及参考标准如表5所示。初裂弯拉强度为三点抗弯测试中，曲线由线性转变为非线性时的转折点所对应的强度。

表5测试项目、试块尺寸及参考标准
Table5Test items, sample size and test standard

测试项目试块尺寸 参考标准 流动度GB/T50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》 抗压强度40mm×40mm×160mm 抗弯强度(三点)40mm×40mm×160mmGB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》 初裂弯拉强度40mm×40mm×160mm 收缩性100mm×100mm×515mmGB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》

2 试验结果与分析

2.1 流动度

UHPC的施工性能由流动度来表征。UHPC要满足浇筑要求，初始流动度必须大于250 mm。减水剂添加量与UHPC流动度的关系如图2所示。由图2可知，减水剂掺量大于21 kg/m3时，UHPC(1%集束PBO纤维)初始流动度大于250 mm，满足规格值。减水剂掺量大于27 kg/m3时，UHPC(2%集束PBO纤维)初始流动度也无法满足施工要求。此外，减水剂掺量越大，UHPC(2%钢纤维)流动度增大明显。减水剂掺量大于23 kg/m3时，UHPC(1.75%PVA纤维)初始流动度大于250 mm，满足施工要求。综上所述，体积掺入量一定时，流动度：UHPC(钢纤维)>UHPC(集束PBO纤维)>UHPC(PVA纤维)，且集束PBO纤维掺量小于2%时，流动度能满足施工要求。

UHPC的流动度与纤维的掺量和吸水率有关[3]。钢纤维属于金属，具有很高的表面能和憎水性，吸水率近似为零。集束PBO纤维和Ductal专用的PVA纤维虽然也是憎水性纤维，但是本质上是有机纤维，搅拌过程中，表面会吸附少量的拌合水，降低了流动度，纤维掺量变化对流动度影响相较于钢纤维更大。

图2 减水剂添加量-初始流动度关系图Fig.2 Effect of water-reducing agent content on the initial fluidity

2.2 抗压强度

各纤维增强UHPC的力学性能如表6所示。由表6可知，UHPC(1%集束PBO纤维)的抗压强度大于180 MPa，满足UHPC最高规格值。集束PBO纤维掺量越大，抗压强度越小。UHPC(2%集束PBO纤维)的抗压强度比UHPC(2%钢纤维)低约20%，比UHPC(1.75% PVA纤维)高约40%。

钢纤维属于金属纤维，是各向同性材料，在拉伸方向和压缩方向上都具有超高的强度[3]。集束PBO纤维和PVA纤维同属有机纤维，是各项异性材料，在拉伸方向上具有很高的强度，但在其他方向上强度则相对很低。从表2可知，集束PBO纤维的拉伸强度和弹性模量远大于PVA纤维，因此在压缩方向上，集束PBO纤维抵抗变形的能力比PVA纤维更高。综上所述，压缩强度：UHPC(2%钢纤维)≥UHPC(1%集束PBO纤维)≈UHPC(2%集束PBO纤维)≥UHPC(1.75%PVA纤维)。

2.3 抗弯强度

由表6可知，集束PBO纤维掺量越大，抗弯强度增大明显，初裂弯拉强度不变，且远高于PVA纤维增强UHPC。UHPC(2%集束PBO纤维)与UHPC(2%钢纤维)有同等的抗弯性能。

三点抗弯试验中，纤维在弯曲方向上受到拉伸作用，且起主导作用。由表2可知，集束PBO纤维拉伸强度最大，其次是钢纤维，PVA纤维最低。集束PBO纤维和PVA纤维同属各向异性材料，只有拉伸方向的纤维起作用，因此抗弯强度：UHPC(2%集束PBO纤维)≥UHPC(1%集束PBO纤维)≥(1.75%PVA纤维)。钢纤维属于各向同性材料，各个方向的纤维均发挥抵抗作用。相同体积掺量下，发挥抑制变形作用的钢纤维数量比集束PBO纤维更多，弥补了钢纤维拉伸强度的不足。因此UHPC(2%钢纤维)的抗弯强度与UHPC(2%集束PBO纤维)大致相等。

三点抗弯试验中，初裂弯拉强度与纤维的种类和掺量无关，只与基体材料混凝土的抗压强度有关，初裂抗弯强度应与抗压强度规律一致[4]。根据上述2.2抗压强度的结论，初裂抗弯强度：UHPC(2%钢纤维)≥UHPC(1%集束PBO纤维)≈UHPC(2%集束PBO纤维)≥UHPC(1.75%PVA纤维)。

表6各纤维增强UHPC的力学性能
Table6Mechanical properties of various fiber reinforced UHPC MPa

纤维掺量抗压强度抗弯强度初裂弯拉强度2%钢纤维22237.627.11.75%PVA纤维1251881%集束PBO纤维18524.221.92%集束PBO纤维17738.321.9

2.4 收缩性能

各纤维增强UHPC的收缩性能如表7所示。由表7可知，UHPC(1.75% PVA)的收缩率最大，UHPC(集束PBO纤维)与UHPC(2%钢纤维)有同等的收缩率，且集束PBO纤维的掺量不影响收缩率。这是因为UHPC的收缩率与纤维的弹性模量有关。纤维的弹性模量越大，UHPC的收缩率越小。由表2可知，集束PBO纤维与钢纤维的弹性模量是同等级，故两者具有相同等级抑制收缩变形的性能，且两者远大于PVA纤维。

表7各纤维增强UHPC的收缩性能
Table7Shrinkage properties of various fiber reinforced UHPC

纤维掺量一次养护(20℃,24h)/10-6二次养护(90℃,48h)/10-6总收缩率/10-62%钢纤维2236268491.75%PVA纤维5513969471%集束PBO纤维2776008772%集束PBO纤维351513864

3 结论

集束PBO纤维克服了钢纤维易生锈、安全性不高等缺点，同时力学性能大于钢纤维和PVA纤维。本文用集束PBO纤维增强UHPC，考察了其工作性能、力学性能和收缩性能，并与UHPC(钢纤维)、UHPC(PVA纤维)进行了比较。结论如下：

(1) 集束PBO掺量越高，UHPC的流动性越低，掺量小于2%时，流动度大于250 mm，工作性能可以满足施工要求。

(2) 相比于PVA纤维增强UHPC，集束PBO纤维增强UHPC具有更高的抗压强度、抗弯强度和更低的收缩率，克服了PVA纤维增强UHPC力学性能不高等缺陷。

(3) 2%集束PBO纤维-UHPC与2%钢纤维-UHPC具有同等的抗弯性能与收缩率，抗压强度则比2%钢纤维-UHPC低20%，具有一定的实用价值。