聚丙烯纤维和粗骨料对超高性能混凝土抗拉强度的影响研究

陈 倩

(武汉大学， 湖北 武汉 430072)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一种新型水泥基复合材料，最初由法国学者Richard等[1-2]在均布超细致密法(DSP)、无宏观缺陷(MDF)水泥基材料和钢纤维混凝土等研究基础上研发而来，具有强度高、耐久性好、韧性大、体积稳定性及微裂纹自愈合等众多的优良特性，使得UHPC结构使用寿命长、后期维护成本低、长期综合效益高。这些优异的综合性能满足现代工程结构向高耸、大跨、重载方向发展及承受恶劣环境的需要和可持续发展的要求。迄今，超高性能混凝土大致分为两类：一类是活性粉末混凝土(RPC)，不含粗骨料；另一类是含粗骨料的超高性能混凝土(CA-UHPC)。由于RPC对原材料要求严格，制备工艺特殊，生产成本高，其推广应用受到一定的限制。相比之下，同样具有超高强度和超高耐久性的CA-UHPC因其原料易取、制备简单、成本较低等优势而更具竞争力，工程应用前景更加广阔。同时，为提高UHPC的抗拉强度、抗剪强度，增强UHPC的韧性、抗冲击性能，国内外专家学者分别对钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、高分子合成纤维等两种或三种纤维混合增强UHPC的力学行为及结构响应进行了大量的宏观尺度试验研究和理论分析，其中，以钢-聚丙烯混杂纤维混凝土为主导，取得了比较丰富的成果。研究表明[3-5]，将聚丙烯纤维和钢纤维混杂加入混凝土后，两种纤维协同工作，纤维丝间相互空间作用得到加强，能够形成工作性能良好的空间整体，进而使UHPC力学性能得到一定程度的改善和提高。综上，开展聚丙烯纤维参数和粗骨料掺量对超高性能混凝土力学性能影响的研究对于推进UHPC的工程实践应用具有重要意义。

目前国内外关于钢纤维参数对UHPC力学性能影响的研究已较成熟，而关于聚丙烯纤维参数和粗骨料掺量对UHPC力学性能影响的研究较少。文献[6-11]在普通混凝土中加入聚丙烯纤维，通过试验研究表明，由于聚丙烯纤维弹性模量较低，在混凝土中不能起到承力骨架作用，因而单掺聚丙烯纤维对混凝土强度无明显提升作用，但聚丙烯纤维可桥接微裂纹，抑制裂纹扩展，从而增强混凝土延性。文献[3-4]将聚丙烯纤维和钢纤维混杂加入RPC中，研究表明，在适当掺量的条件下，钢纤维与聚丙烯纤维混杂RPC的力学性能要优于单掺任何一种纤维的RPC，更优于不掺纤维的RPC。文献[12]采用最大粒径为10 mm的青石碎石作为粗骨料，配制出了抗压强度为148 MPa的UHPC。文献[13]通过CA-UHPC抗压强度试验，指出粗骨料的最佳粒径范围为5 mm～15 mm，胶凝材料掺量宜为900 kg/m3。文献[14]研究得到，CA-UHPC抗压强度随粗骨料掺量的增加呈现先增加后减小的趋势，弹性模量随粗骨料掺量增加线性增长。文献[15]研究表明，对于未掺入钢纤维的CA-UHPC，材料的弯曲初裂强度先减小后增大。以上研究大多基于试验进行，对指导UHPC力学性能研究方向具有重要意义，但也有着试验数据较少、数据点较离散的问题。

本文设计了18组共54个超高性能混凝土试块，通过劈裂抗拉强度试验，系统地分析聚丙烯纤维体积掺量和长径比、粗骨料掺量3个参数对UHPC劈裂抗拉强度的影响，可为工程设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

为分析粗骨料质量掺量和聚丙烯纤维体积掺量、长径比对UHPC劈裂抗拉强度的影响，本文选取粗骨料质量掺量为0%、15%、30%，聚丙烯纤维体积掺量为0%、0.05%、0.10%、0.15%，长径比为167、280、396。根据规范《活性粉末混凝土》[16](GB/T 31387—2015)和《普通混凝土配合比设计规程》[17](JGJ 55—2011)，确定了UHPC基准配合比，见表1。共设计了18种配合比，每个配合比设计3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。各配合比主要参数见表2。所有试块同批浇筑，在标准养护条件下养护28 d。

1.2 试验材料

采用武汉新途工程纤维制造有限公司生产的钢纤维和聚丙烯纤维，其物理力学性能见表3。粗骨料采用粒径为5 mm～20 mm的花岗岩碎石。基体混凝土材料组成为：P.O52.5级的普通硅酸盐水泥、河砂(中砂，表观密度2.65 kg/m3，最大粒径为5 mm)、硅粉、粉煤灰(Ⅰ级)、高效减水剂(聚羧酸系高性能减水剂，减水率>37%)。

表1 基准配合比

表2 试块主要参数

表3 纤维参数及物理力学性能

1.3 加载装置与加载制度

依据规范[16]和《普通混凝土力学性能试验方法标准》[18](GB/T 50081—2002)，劈裂抗拉强度试验在量程为300 kN的SHT5605-P微机控制电液伺服万能试验机上进行，加载速率为0.09 MPa/s。

2 试验结果与分析

2.1 聚丙烯纤维体积掺量的影响

图1所示为聚丙烯纤维长径比为167的UHPC中，聚丙烯纤维体积掺量(Vpf)对UHPC劈裂抗拉强度(ft,s)的影响。由图1可知，掺入体积掺量为0.10%的聚丙烯纤维可以提高UHPC的劈裂抗拉强度，提高幅度为3.4%～12.2%，而另两个掺量聚丙烯纤维作用为降低，降低幅度分别为3.2%～12.6%和0.3%～10.5%。所以按照Vpf对ft,s提高幅度排序为：0.10%>0.00%>0.15%>0.05%。文献[6]对RPC的研究也得出了掺入Vpf为0.10%的聚丙烯纤维可以提高ft,s的结论。这是因为聚丙烯纤维的积极作用主要表现为其可以增强混凝土塑性变形能力，增强混凝土介质连续性，缓和试件承载产生的应力集中，抑制混凝土早期裂缝形成及发展。然而，另一方面，聚丙烯纤维弹性模量较低，具有一定弱界面效应[19]，同时，聚丙烯纤维具有一定的引气效果，这也使得水泥基材料与骨料之间黏结强度有所降低。此外，聚丙烯纤维的掺加对UHPC增稠作用也是不可忽略的一面，导致UHPC试块难以振动密实，对UHPC力学性能产生不利影响。

图1 聚丙烯纤维体积掺量对UHPC劈裂抗拉强度的影响

2.2 聚丙烯纤维长径比的影响

图2所示为Vpf为0.10%的UHPC中，聚丙烯纤维长径比(lpf/dpf)对劈裂抗拉强度的影响。由图2可知，对于粗骨料掺量为0和15%的UHPC，掺入lpf/dpf为167和396的聚丙烯纤维可以提高ft,s，提高幅度为分别为9.9%～12.2%和7.8%～10.6%；掺入lpf/dpf为280的聚丙烯纤维会降低ft,s，降低幅度为19.6%～24.4%。按照lpf/dpf对ft,s提高幅度排序为：167>0>396>280。而当粗骨料掺量为30%时，UHPC的劈裂抗拉强度表现出不一样的规律，分析其原因为，较大的粗骨料掺量改变了UHPC的内部结构，使得聚丙烯纤维的作用明显降低，导致不同长径比的聚丙烯纤维加入UHPC得到的强度却大致相同。

因而可以得出对UHPC劈裂抗拉强度最优的聚丙烯纤维配比为PA10。

图2 聚丙烯纤维长径比对UHPC劈裂抗拉强度的影响

2.3 粗骨料掺量的影响

由图1、图2可知，粗骨料掺量为15%时，UHPC的劈裂抗拉强度略有提高，影响不大。但当粗骨料掺量提高到30%时，UHPC的劈裂抗拉强度降低明显。这是因为，粗骨料掺量较小时，UHPC基体胶凝材料相对较多，纤维的分布更加均匀，纤维有效利用率较高，UHPC基体与钢纤维的粘结力依然发挥了很大的作用，同时粗骨料间的咬合作用对裂缝的发展有一定的阻碍[20]，可以在一定程度上弥补粗骨料加入引起纤维利用率下降的负面效应[14]，所以当粗骨料掺量为15%时，UHPC劈裂抗拉强度影响不大。当粗骨料掺量达到30%时，UHPC工作性能急剧下降，纤维分布不均，钢纤维结团严重，且胶凝材料的减少导致纤维与基体间的粘结作用减小，从而使UHPC劈裂抗拉强度明显降低。

3 结 论

(1) 当聚丙烯纤维体积掺量从0.00%提高至0.15%时，UHPC的劈裂抗拉强度呈现先减后增再减的规律,在0.10%时达到最大值，最大值高出不掺聚丙烯纤维的UHPC 3.4%～12.2%。当聚丙烯纤维长径比从167提高至396时，UHPC的劈裂抗拉强度呈现先减后增的规律,在167时达到最大值，最大值高出不掺聚丙烯纤维的UHPC 9.9%～12.2%。试验参数范围内，聚丙烯纤维最佳配比为体积掺量0.10%，长径比167。

(2) 当粗骨料掺量从0%提高至30%，UHPC劈裂抗拉强度呈现先增后减的规律。掺入质量分数为15%的粗骨料不会降低UHPC劈裂抗拉强度。但当粗骨料掺量提高到30%时，UHPC劈裂抗拉强度降低明显。