钢纤维掺量对超高性能混凝土性能影响的试验研究

2020-05-30沈伟

江苏建材 2020年2期

沈伟

（南京市公共工程建设中心，江苏南京210019）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC），通常指水胶比小于0.25 并具有超高力学性能、超高韧性、超长耐久性、明显应变硬化行为的纤维增强水泥基复合材料[1-3]。依据最大密实度理论，通过优化原材料颗粒级配，使得材料内部缺陷降至最低。由于其具有轻质高强、高韧、高抗渗、高耐腐蚀、高抗爆和高抗电磁干扰等优异性能，被广泛应用于桥梁、国防、核电以及海洋平台等工程领域[4-5]。

通过调整纤维种类及掺量以及规范的制备流程，探索系列化超高性能混凝土的制备技术；研究纤维掺量对超高性能混凝土的新拌浆体性能、力学性能以及耐久性能的影响规律，探究不同强度等级UHPC 的力学行为与性能评价方法的差异性，以期对UHPC 工程推广应用提供参考指导。

1 试验

1.1 原材料

预混料为江苏苏博特新材料股份有限公司提供，包括水泥、矿物掺合料、细骨料等组成的水泥基复合材料。钢纤维为平直型钢纤维，物理力学性能指标见表1。减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，其性能指标如表2 所示。

表1 钢纤维物理力学性能指标

表2 聚羧酸减水剂性能指标

1.2 制备

（1）试验配合比

超高性能混凝土试验配合比如表3 所示，其中纤维掺量按体积分数计算，钢纤维掺量分别为基准组0%、1.5%、2.0% 、2.5%和5.0%，保持预混料、减水剂及水胶比不变。

表3 超高性能混凝土试验配合比 kg/m3

（2）成型工艺

按设计搅拌容量称取相应的干混料、减水剂、水、纤维，用拧干的湿布擦拭搅拌机内表面及叶片，开启搅拌机；向搅拌机加入预混料，搅拌1 min 左右，缓慢加入减水剂和水，搅拌至混凝土基体呈很好的流动状态，均匀、缓慢加入钢纤维继续慢速搅拌1～3 min，出料。将拌和好的超高性能混凝土平稳地倒入试模中，分两层盛满试模，每层装1/2，每层装完后，插捣10 次，左右各震动5 次，并用橡胶锤轻敲侧模排除气泡，最后刮平，再覆上塑料薄膜养护。成型后的试块表面覆盖薄膜，避免水分散失，带模于（20±2） ℃、湿度≥70%的恒温恒湿环境中静停24 h，之后脱模，全部试块投入蒸汽快速养护箱内，以15 ℃/h 的速率升温至90 ℃，恒温48 h，然后以15 ℃/h 的速率降至室温，进行后续各项测试。

（3）测试方法

混凝土扩展度和含气量容重测试均参照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》相关规定进行，抗压强度、抗弯强度、劈拉强度和弹性模量测试依据GB/T 50081—2019 《混凝土物理力学性能试验方法》标准进行，氯离子扩散系数试验采用RCM 快速试验法，相关试验操作与测试符合GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》的规定。

单轴抗拉强度采用Instron-8803 电液伺服疲劳试验机试验测试，测试试件尺寸及试验场景如图1 所示。加载方式采用外传LVDT 位移传感器控制，加载速率为0.5 mm/min，试验结束条件为荷载下降至峰值力值的95%。

图1 单轴抗拉强度试验

2 试验结果及分析

2.1 混凝土新拌性能

图2 为纤维掺量对超高性能混凝土新拌浆体扩展度、含气量以及容重等性能的影响规律。从图2(a)可以看出：少量的钢纤维加入有利于混凝土浆体流动性提升，但随着钢纤维掺量的增加，混凝土新拌浆体的扩展度逐渐劣化，钢纤维掺量5%时扩展度最小。相较1.5%掺量的UHPC，钢纤维掺量体积分数分别为2.0%、2.5%和5.0%时，UHPC 的扩展度分别降低了27.6%、29.3%和44.8%。适量钢纤维的加入增加了浆体内摩擦力，有助于团聚的胶凝材料分散，进而提升浆体扩展度。高掺量纤维下新拌混凝土扩展度大幅减低主要源自钢纤维的相互团聚、不易分散，在UHPC 的实际配制过程中，应该合理选择钢纤维的掺量，以保证纤维的充分分散而提高其使用效率。从图2(b)可以看出：钢纤维的加入对UHPC 含气量影响较小，其含气量大小主要受胶凝材料控制，与钢纤维的关系不大；UHPC 浆体容重与钢纤维掺量呈正相关，钢纤维掺量越高容重越大，5%体积掺量下浆液容重达到2 550 kg/m3以上。

图2 超高性能混凝土新拌浆体性能测试

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度

图3 为纤维掺量对UHPC 立方体抗压强度试验结果走势图，图4 为UHPC 立方体抗压强度与轴心抗压强度关系图。从图3 可以看出，在合理的纤维掺量范围内，纤维对UHPC 抗压强度提升效果较为明显，混凝土抗压强度Y1与钢纤维体积掺量X 呈正比，采用线性函数进行曲线拟合，拟合结果如下：

图3 所示实线为拟合曲线，由图3 可知试验数据变化趋势与拟合曲线走势比较接近，拟合较好，说明通过调控纤维体积掺量即可实现系列化超高性能混凝土的制备，掺入的钢纤维在混凝土浆体中异向分布，能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著改善混凝土的力学性能。但高掺量的纤维在浆体中易团聚而无法发挥增强增韧作用。保证纤维的充分分散是提高混凝土抗压强度的关键。由图4 可知，UHPC 抗压强度因试块尺寸的差异而存在显著的尺寸效应，其轴心抗压强度Y2随立方体抗压强度Y1单调增长，通过统计数据进行函数曲线拟合，拟合结果如下：

图3 纤维掺量对立方体抗压强度影响

图4 立方体强度与轴心抗压强度关系

2.2.2 抗弯强度及弹性模量

图5 为UHPC 抗弯强度随纤维掺量变化曲线，由图5 可知，混凝土抗弯强度Y3随纤维掺量X线性增长，拟合结果为：

纤维对UHPC 抗弯强度的显著增强效果来源于纤维与基体的桥接作用，在混凝土加载作用下，当超过基体的极限承载能力时，混凝土构件开始出现裂纹，此时纤维与浆体之间有较强的粘结作用而阻止裂纹的进一步扩展，从而提高其极限抗弯强度。但混凝土抗弯强度的提高主要是受利于垂直于荷载方向纤维的连接作用，而与平行于荷载方向的纤维关系不大。因此，在混凝土浇筑过程中应该从模具中间向两端横向浇筑，保证纤维的横向分布。图6 为纤维掺量对UHPC 静弹性模量的影响，由图6 可知，纤维掺量对UHPC 弹性模量提升效果并不明显，弹性模量的变化在2～3 GPa 范围内波动，说明无法通过提高纤维掺量来提升混凝土的弹性模量值。

图5 纤维掺量对UHPC 抗弯强度影响

图6 纤维掺量对UHPC 弹性模量影响

2.2.3 抗拉强度

混凝土抗拉强度主要通过劈裂抗拉强度和单轴抗拉强度来评价。图7（a）、7（b）为纤维掺量对UHPC 抗拉强度影响规律，其中劈拉强度Y4与纤维体积掺量X 的拟合结果为：

由图7 可知，混凝土劈拉强度试验数据离散性较小，纤维掺量与劈拉强度有较好的匹配关系；而单轴抗拉强度试验数据离散性较大，在相同的纤维掺量下，不同试块之间单轴抗拉强度测试数据差异较大，力学性能与纤维掺量的拟合方程式相关系数较低。因此，在评价UHPC 抗拉强度时，采用劈拉强度评价方法较为可靠方便，而采用单轴抗拉强度评价受试块浇筑及受力加载操作影响较大。不规范浆体浇筑常常导致纤维取向发生改变，从而降低纤维的有效利用率。此外，单轴抗拉强度采用的“狗骨头”试件，在试块受力加持过程中，试件端部容易产生应力集中，试块边缘断裂面位于变截面而非处直拉区域内，影响试验结果的准确性。

图7 纤维掺量对UHPC 抗拉强度影响

2.3 耐久性能

采用RCM 快速试验法测试超高性能混凝土氯离子扩散系数评价其耐久性能。表4 为剔除钢纤维后UHPC 氯离子扩散系数试验数据，UHPC 基于DSP （Densified System with ultra-fine Particles）理论制备而成，各组分的紧密堆积实现了基体的高强化、致密化，并因此具有优异的耐久性能，由表4可知，UHPC 氯离子扩散系数仅为2.6×10-14m2/s，与普通混凝土相比低2 个数量级。图8 为UHPC氯离子扩散系数试验后试块内部剖面图，由图8 可知，喷射硝酸银显色试剂后UHPC 基体显色深度较浅，在标准实验环境下只有表面薄薄的一层受到盐溶液渗透；由于基体抗压强度大、结构密实，内部缺陷少、孔隙率小，经过长期的通电测试，其显色深度仍未超过10 mm。