纤维因素对超高性能混凝土的影响研究综述

沈 城 周阳阳 于英俊 戴舒宁

扬州大学建筑科学与工程学院（25127）

1 研究背景

随着科学技术的不断进步，人们对于混凝土强度等级的要求不断增加，因此科学家们不断研究如何进一步提高混凝土的相关强度性能，促成了从高强混凝土再到超高强混凝土的发展。与普通混凝土材料相比，超高性能混凝土UHPC 在各方面性能上要远优于普通混凝土，特别是装配式建筑应用上具有很大的潜力。

2 UHPC 超高性能混凝土的性能

2.1 UHPC 超高性能混凝土的优点

UHPC 强度极高，抗压强度可达到160 MPa，是常规混凝土强度的3 倍以上；UHPC 韧性优异，最大断裂能可达4 000 J/m2，使超高性能混凝土在超载或地震作用下具有较好可靠性，结构耐久性好；UHPC 具有的高耐磨性和良好的耐腐蚀性，为在恶劣环境下的混凝土结构提供了良好的保护。UHPC有效地减少对于预应力钢筋的使用，为建筑结构提供了更大的可能性。

2.2 UHPC 超高性能混凝土的缺点

UHPC 的造价成本较高，与传统混凝土相比，生产的原材料通常为水泥、硅灰、石英砂、石英粉、钢纤维等，这导致了生产成本的增加；超高性能混凝土的生产通常采用蒸汽或蒸压硬化等生产工艺，限制了超高性能混凝土在实际工程中的应用；UHPC的低流动性，这在很大程度上限制了超高性能混凝土的浇筑；UHPC 具有体积不稳定性。

3 UHPC 超高性能混凝土的制备原理及方法

3.1 UHOC 的制备原理

UHPC 是一种高强度、高韧性、低孔隙率的高强度水泥基材料。混凝土是一种多孔、不均匀的材料，其孔结构是影响其强度的主要因素。因此，UHPC 制备的基本原理是降低孔隙率，优化孔隙结构，提高压实度。

优化细集料的分选，使细集料均匀分布在颗粒空间内，以提高集料的密实度，达到最密实的状态。

通过添加硅粉、粉煤灰等超细活性矿物混合物，对微波填充、化学反应、降低孔隙率、减小孔径、优化孔结构有良好的效果。

在硬化过程中，蒸汽或蒸压硬化可以加速水泥脱水过程和火山灰的加载效应，降低材料的化学收缩，改善材料的微观结构。

添加钢纤维，可大幅提高材料的韧性和延性。

3.2 UHPC 的制备与养护

UHPC 制备过程中，使用外部和内部能量，如真空混合、凝结前和凝结过程中加压可以降低孔隙和获得目标力学性能。目前，UHPC 和普通混凝土一样搅拌、浇筑和振动成型。干粉组分混合约10 min，然后加入水和减水剂，搅拌5～10 min。当砂浆基体表现出恰当的流动性后加入纤维（如果需要）。使用不同尺寸的混杂纤维时，应先手工加入微纤维，然后加入长纤维[1]。

对于UHPC 养护，标准养护、常压热养护、压蒸养护都常用于UHPC 生产。标准养护是最常见、环境友好的养护方式。20 ℃养护时，胶凝材料火山灰活性较弱，如果延长养护时间，UHPC 也能达到200 MPa。标准养护28 d 后的UHPC 再24 h 常压蒸汽养护后，抗压强度可提高15～30 MPa。相对于标准养护，所有的配比90 ℃养护12 d 后抗压强度均可提高。压蒸养护的UHPC 抗压强度高于标准养护和90 ℃热养护，掺有3%或4%纤维的UHPC 蒸养8 h 即能达到200 MPa。热养护工艺复杂并且能源消耗大，发展室温养护UHPC 生产将是主流并将广泛应用。

4 纤维因素对UHPC 超高性能混凝土的影响

4.1 钢纤维掺量对于UHPC 性能的影响

增加钢纤维含量可以降低UHPC 的流动性。整体降低趋势呈现先缓慢后突变。钢纤维含量在2.0%～2.5%，流动性就会显著下降[2-3]。

增加钢纤维含量，可以提高UHPC 的拉伸强度或拉伸强度、耐压强度、冲击强度等性能。但是随着钢纤维含量的增加，特别是钢纤维的含量提高了2%以上后，抗压强度的增加几乎保持不变。

随着钢纤维含量的增加，UHPC 中重叠纤维的数量增加，而不是重叠纤维的比例增加，特别是2.0%的纤维含量增加到2.5%，UHPC 中不重纤维的比例显著增加。但是钢纤维的分散性达到一定的临界值，就会再次聚集和团聚，从而降低纤维的有效利用率。

提高钢纤维的纤维含量有助于改善UHPC 的干燥收缩率，如果超过纤维含量的临界值，则干燥性能显著改善。

4.2 钢纤维外形及规格对于UHPC 性能的影响

同一形状的钢纤维，与线型钢纤维相比，端钩的钢纤维对抗压强度的影响更好。形状不同的钢纤维中，规格较小的微细钢纤维（长度为 13 mm）对UHPC 增强效果比较粗的钢纤维 （长度为25 mm）好。钢纤维和UHPC 基体之间有机械咬合力、摩擦力和黏结力3 种连接方式。端钩型钢纤维的形状变化后，钢纤维和基体之间的机械力增加。但是对于不同规格的钢纤维，微细纤维强化效果好的主要原因是微细纤维比表面积大，可以从微观力学的角度避免应力集中，有更好的传力路径。因此钢纤维的掺量小时，微细纤维比粗钢纤维有更大的效果[4]。

单一混合物的情况下，不同规格的钢纤维对UHPC 抗压强度影响较小，效果最好的端钩短纤维和效果一般的长直纤维只有15 MPa。结果表明，端钩型钢纤维的增强效果优于直线型钢纤维，微细钢纤维的抗弯和抗拉强度比粗钢纤维高28.7%。在复掺的情况下，钢纤维能进一步提高UHPC 的抗弯拉强度，比单掺强度提高10.4%。

4.3 钢纤维取向角对于UHPC 性能的影响

用于水泥基复合材料的钢纤维通常是随机分布在水泥基材料上的短钢纤维。可以通过施加磁场来控制所有或大多数钢纤维的方向。，在这个方向上钢纤维的方向系数大幅增加，有效提高了水泥复合材料的韧性和断裂性能，改善了水泥复合材料的力学性能。

UHPC 拌和物中钢纤维的取向随着浇筑方向和速度的变化而变化，并且取向率高。沿拉伸方向浇筑的UHPC，沿轴向角度占比88%，极限拉伸强度为13 MPa，极限拉伸电压为0.003 8 V。

UHPC 基体的流变性能、 纤维分散性能和力学性质密切相关。UHPC 基体的流变参数越小，纤维的轴向取向系数越高，纤维的有效利用率越高，对应的UHPC 的力学性能越高。

4.4 不同材质纤维混杂对于UHPC 性能的影响

聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维的掺入，有助于提高超高性能混凝土的抗折性能、 抗弯性能和韧性。聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的掺入，有助于提高超高性能混凝土养护期间的抗裂性能和抗爆裂性能。

无机类纤维的掺入，在一定程度上改善超高性能混凝土的有关性能，但改善效果不显著，需要与有机类纤维混杂掺入。

磷酸锌添加入钢纤维，有助于提高UHPC 的极限拉伸强度。添加了橡胶粒子的再生钢纤维，不仅能提高UHPC 的断裂性能，还能减少其高温爆裂。

4.5 PVA 纤维对于UHPC 性能的影响

PVA 纤维含量的增加，导致立方体抗压强度和轴心抗压强度的降低。当纤维含量为0.6%时，纤维混凝土立方体的抗压强度下降20%，轴压强下降18.1%。

PVA 纤维掺量的增加，有助于提高超高强混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度。当纤维掺量为0.6%时，纤维混凝土抗折强度提高36.04%，劈裂抗拉强度提高22.4%。经研究表明，考虑到超高性能混凝土各项力学性能，PVA 的最优掺量为0.2%。

PVA 纤维的掺入，有效改善了超高强混凝土的脆性，阻止了混凝土中微裂缝的形成和发展，提高了超高强混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度。

5 结语

UHPC 水泥基材料是一种具有超高强度和耐久性的特殊材料，在很多领域有良好的应用前景。其中，纤维是UHPC 超高性能混凝土的关键因素，掺量、规格及形状、取向角、弹性模量为影响纤维因素的内在因素，不同类型的纤维混杂会导致UHPC 性能因掺入纤维的性能而发生改变。与钢纤维相比，PVA 纤维材料具有其独特的性能。对于UHPC 而言，纤维的掺入往往都会进一步提升其力学性能。但是纤维的增加导致了其造价成本的提高，同时也进一步限制了其的发展。但随着我国对环保、可持续发展的逐渐重视，相信在不久将来的基本建设中UHPC 仍有着广阔的应用前景。