细集料种类和钢纤维对CA-UHPC力学性能的影响*

余志辉，吴立山，张 聪,2

(1.江南大学 环境与土木工程学院，无锡 江苏214000; 2.江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州，221000)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)作为一种新型的水泥基复合材料，该概念最初由Larrard 和Sedran 提出[1]。根据Bache发展的颗粒紧密堆积(densified system with ultra-fine particles, DSP)理论，通常选用超细颗粒(硅灰或者其他矿物掺合料)填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，加上细集料、钢纤维、高效减水剂，经过特别的浇筑与养护过程，从而获得优异的力学性能及耐久性[2-4]。

以RPC为代表传统的UHPC通常不含粗骨料，且选用石英砂作为细集料。石英砂具有坚硬、耐磨、机械强度高的特点，但是相对于其他砂，其高成本不可忽略，在大规模生产应用方面仍有很大的问题。田耀刚等[5]采用固体废弃物铁尾矿砂代替石英砂设计制备RPC，28 d抗压强度和抗弯拉强度可分别达到117.5和24.2 MPa。天然河砂具有性质稳定以及形貌良好等特征，常被用作混凝土的主要原材料。随着国内基础建造的快速发展，河砂的过量开采导致了资源匮乏等一系列问题[6-8]，因此，亟须采用新的原材料来替代传统河砂。机制砂是岩石破碎过程中的副产品，其成本较低且对环境影响较小，许多学者对其作为混凝土细集料的可行性进行了研究。丁海峰等[9]确定了花岗岩机制砂级配、石粉含量、细度模数等参数对混凝土进行配合比设计，发现当花岗岩机制砂中的石粉含量在6.7%～11.3% 范围内波动时，混凝土拌合物的和易性基本不受影响，抗压强度也保持相对稳定。Yang等[10]用不同粒径分布的机制砂部分替代河砂配制UHPC，发现基体与机制砂的连接比与河砂的连接更紧密，但UHPC的流动性和体积稳定性会受到负面影响。P.Mahakavi等[11]用机制砂替代河砂，再生粗骨料替代天然粗骨料，替代率分别为25%、50%、75%、100%。研究结果表明，掺50% 机制砂的混凝土硬化性能较对照料明显提高，采用机制砂可以获得中等强度(20～45 MPa)的抗压混凝土。目前关于用机制砂配制UHPC的研究不多，但由以上研究可得：用机制砂配制UHPC是可行的，而且是经济环保的，其中石粉含量、外貌特征、岩石种类、级配、细度模数等物理参数是影响UHPC性能的关键。

目前，国内UHPC的研究方向逐渐往低成本、高质量、生态友好、规模化运用等方面发展[12-15]，而不再是一味地追求超高的性能。因此，寻求来源广泛价格低廉的原材料来替代原来价格昂贵的材料，组建生产能耗低、制备工艺简单的生产线是UHPC大规模生产应用的关键。本文对比研究了用机制砂、石英砂、河砂制备的含粗骨料超高性能混凝土(CA-UHPC)的抗压强度和抗折强度；在此基础上，研究了不同的钢纤维长径比，不同钢纤维掺量和钢纤维的混杂对机制砂CA-UHPC力学性能的影响，以期获得利用机制砂制备CA-UHPC 的关键配合比参数和基本的力学性能。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：安徽海螺水泥厂生产的P·Ⅱ 52.5型硅酸盐水泥，表观密度3.156 g/cm3，化学组成成分见表1。硅灰：河南铂润新材料生产的96微硅粉，表观密度2.21 g/cm3，化学组成成分见表1。超细矿渣粉：山东蟠龙山生产的S105级矿渣粉，表观密度2.855 g/cm3，化学组成成分见表1。钢纤维：选用江西大业金属纤维有限公司生产的带端部弯钩的镀铜钢纤维，具体物理参数见表2。高效减水剂：白色粉剂，减水率>30%。粗骨料：花岗岩，粒径为5～10 mm。细集料：1、河砂：表观密度2.65 g/cm3；2、机制砂：表观密度2.57 g/cm3；3、石英砂：表观密度2.63 g/cm3。所选材料的粒径分布曲线如图1所示。

表1 水泥、硅灰、矿粉的主要化学成分(%质量分数)

表2 钢纤维的物理参数

图1 材料粒径分布曲线

1.2 配合比

本文基于DSP理论和改进的Andreassen模型[16](见式(1))，计算和优化各粒径范围颗粒最佳的体积比例，最终实配曲线和改进的Andreassen模型对比见图2。

图2 MAA模型与实配曲线对比

(1)

式中：D为粒径，P(D)为按体积计算小于粒径D的累积百分比。Dmin和Dmax分别为混合料中最小粒径和最大粒径，q是分布模量，本文q=0.21.

表3是河砂、石英砂和机制砂及机制砂掺和不同钢纤维配制的超高性能混凝土的配合比。其中水胶比为0.16，钢纤维(或者钢纤维+碳酸钙晶须)体积掺量2%。每组配比砂的体积占比保持不变。SF后缀数字代表钢纤维的长度，最后的数字代表钢纤维体积百分掺量。

表3 UHPC配合比(kg/m3)

1.3 试验方法

试件的制备过程如图3所示。混凝土的力学性能试验参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》标准进行测试,抗压强度试验加载速率0.8～1.0 MPa/s，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体；抗折强度试验试件加载速率0.08～0.1 MPa/s，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体。每组3个试件，试验结果取平均值。采用无锡东仪制造压力试验机，量程为2 000 kN。抗压试验和抗弯试验测试装置如图4所示。

图3 试件制备过程

图4 抗压强度及抗弯强度测试装置

2 结果与讨论

所有配比的7及28 d抗压强度如图5所示。从图5中可以看出，7 d的抗压强度均超过100 MPa，28 d的抗压强度均超过130 MPa。其中，MS-SF15-2组和MS-HSF-1.5组的抗压强度超过150 MPa。对7 d抗压强度与28抗压强度进行线性拟合发现，CA-UHPC的7 d抗压强度约为28 d抗压强度的80%，这说明CA-UHPC前期的强度发展很迅速，有利于工期的缩短，具体详见图6。

图5 所有配比的7 d及28 d抗压强度

图6 CA-UHPC7天抗压强度与28天抗压强度的关系

2.1 细集料的种类对CA-UHPC力学性能的影响

2.1.1 抗压强度

河砂、石英砂、机制砂配制的CA-UHPC抗压强度如图7所示。由图7可见，QS-SF15-2组的抗压强度却最低，28 d只有131.6 MPa，MS-SF15-2组的抗压强度最高，28 d达到了154.6 MPa，比QS-SF15-2组高出17.5%。这与丁庆军等的研究结果不太一致。丁庆军[17]的研究结果表示用粒径小于1.18 mm的河砂制备的CA-UHPC的流动性、力学性能和收缩率综合最佳，而机制砂CA-UHPC的综合性能最差。出现这种差异的原因是本研究选用的天然河砂里面含有较粗的砂颗粒，最大粒径甚至达到5 000 μm以上，并且天然河砂中含有不少片状贝壳，这会使得CA-UHPC内部产生更多更大的缺陷，对基体强度是不利的。此外，从图1中也可以看出河砂的粒径分布连续性较差，不利于材料系统达到最紧密堆积。除此之外，本文所用石英砂粒径小于300 μm，对于CA-UHPC的颗粒紧密堆积非常不利，会导致基体内部不够密实，故QS-SF15-2组的抗压强度最低。MS-SF15-2组的抗压强度比RS-SF15-2组的抗压强度高的原因可能是：本文所选用的机制砂级配良好，最大粒径为2.36 mm。并且，与河砂相比机制砂颗粒表面更多粗糙，具有多棱角特性，这有利于增加细集料与浆体之间的黏结，而且机制砂颗粒之间的咬合作用会更强。

图7 河砂、石英砂、机制砂CA-UHPC的抗压强度

图8表明了河砂、石英砂、机制砂CA-UHPC 7至28 d的抗压强度增长情况。由图4可知，MS-SF15-2组的抗压强度的增长值最大，说明机制砂替代石英砂或者河砂对于CA-UHPC抗压强度的发展并不会产生负面影响。可能的原因是本文所使用的机制砂中石粉含量为7%，在搅拌过程中会吸收部分自由水，间接导致浆体的水胶比降低，增加浆体稠度，有助于抑制骨料的下沉，混凝土的抗离析能力强且保水性好。MS-SF15-2组粘聚性好，骨料被浆体充分包裹，整体性和匀质性相对于RS-SF15-2组和QS-SF15-2组得到改善，所以后期强度发展比较好。

图8 河砂、石英砂、机制砂CA-UHPC 7至28 d的抗压强度增长情况

2.1.2 抗弯强度

图9为RS-SF15-2组、QS-SF15-2组、MS-SF15-2组的抗弯试件破坏形态图。可以看出，所有试件在受弯区内都有一条宽度较大的裂缝，这说明细集料种类对CA-UHPC受弯破坏形态不会产生较大影响。

图10为RS-SF15-2组、QS-SF15-2组、MS-SF15-2组的28 d抗弯强度。由图9可见，QS-SF15-2组的抗弯强度最低，28 d抗弯强度为21.32 MPa，RS-SF15-2组和MS-SF15-2组的抗弯强度分别比QS-SF15-2组仅仅高4.7%、10.5%。3组CA-UHPC的抗弯强度相差并不是很大，集中在21～24 MPa之间，这与三组的抗压强度的差值有很大的不同。这是因为纤维混凝土的极限抗弯强度取决于所掺的纤维种类、掺量及长径比等关键参数。对于本文的CA-UHPC来说，抗弯强度很大程度上取决于基体与钢纤维的黏结力以及钢纤维的利用效率。RS-SF15-2组、QS-SF15-2组、MS-SF15-2组之间的区别仅仅在于细集料的不同，所掺钢纤维的长径比、体积分数完全一致，极限抗弯强度相差不大，这说明细集料种类的不同不会对钢纤维的利用效率产生太大的影响，仅仅是影响基体的密实度从而影响基体与钢纤维之间的黏结力。从图2中不难看出，QS-SF15-2组的实配曲线与MAA模型相差最大，可以推断出QS-SF15-2组基体内部有较多的缺陷，导致其抗弯强度最低。同理，MS-SF15-2组的抗弯强度最高。

图9 CA-UHPC抗弯破坏形态

图10 河砂、石英砂、机制砂CA-UHPC的抗弯强度

2.2 钢纤维对CA-UHPC力学性能的影响

2.2.1 抗压强度

钢纤维掺量是影响CA-UHPC力学性能的一个关键参数，国内外学者就这一参数开展了一系列研究。本文基于前人的研究，考虑了CA-UHPC的综合性价比，将所掺纤维的体积分数定为2%。从图11可以看出，掺入钢纤维的MS-SF15-1.5组与MS-SF15-2组均比素混凝土MS组抗压强度高，分别高出2.34%、12.85%。这主要是因为钢纤维随机分散到混凝土内部，受外力荷载时抑制裂缝产生并减缓其进一步扩展，起到加筋补强的作用，从而提高立方体抗压强度；另一方面，当混凝土受压产生膨胀变形时会受到钢纤维的拉结约束，从而起到增强效果。从试件的破坏图中(见图12)，很明显地可以看出不掺钢纤维的MS组试件破坏严重，掺有2%钢纤维的试件完整性最好。试验过程中MS组试件都是直接炸裂，脆性明显；而掺入钢纤维之后的试件破坏时具有一定的延性，可以防止试件炸裂。

图11 钢纤维掺量对抗压强度的影响

图12 CA-UHPC抗压破坏形态

此外，MS-SF15-2组比MS-SF15-1.5组高出10.27%，这说明用体积分数0.5%的碳酸钙晶须等量替代钢纤维，CA-UHPC的抗压强度会下降。这是由于微米尺度的碳酸钙晶须对于毫米尺度的裂缝无法有效限制。这与张文华等[18]的研究结论不一致。张文华的研究表明当钢纤维和碳酸钙晶须复掺时，其轴心抗压强度比单掺钢纤维时高8%。这是因为张文华掺入碳酸钙晶须并不是等量替代钢纤维而是在原有钢纤维掺量的基础上再添加碳酸钙晶须，故与本文得出的研究结果不一致。

3种不同长径比(13/0.2,15/0.2,25/0.3)钢纤维以及混杂钢纤维配制的CA-UHPC的抗压强度对比如图13所示。从图13中可以看出，随着长径比的增大，CA-UHPC的抗压强度也增大。单掺钢纤维时，MS-SF13-1.5组的抗压强度最低，只有 138.1 MPa；MS-SF25-1.5组的抗压强度最高，达到147.2 MPa。可见在1.5%体积掺量下，长径比大的钢纤维更有利于增强CA-UHPC的抗压强度。分析原因：纤维在基体内部针对产生的裂纹可起到桥接作用。长度越长的纤维，传递应力的路径也越长，同时裂纹尖端应力传递到纤维上的概率也会增加，可在较大程度上减缓裂纹的扩展。另外，13 mm短直钢纤维与25 mm端部带弯钩的长钢纤维复掺时抗压强度最高，比单掺钢纤维的MS-SF13-1.5组和MS-SF25-1.5组分别高11.44%、4.55%。这表明两种钢纤维的复掺比单掺效果更好。出现这种现象的原因可能是：两种钢纤维混杂后随机分散到混凝土内部，当混凝土受压膨胀时会受到两种不同形状不同长度钢纤维的拉结约束，对混凝土抗压强度的增强效果会更好。

图13 钢纤维长径比对抗压强度的影响

2.2.2 抗弯强度

图14为机制砂U CA-HPC掺有不同长度、不同掺量的钢纤维时的抗弯强度。从图14中可以看出，素CA-UHPC的抗弯强度均比掺有钢纤维的CA-UHPC抗弯强度低，这说明钢纤维的引入可以提高混凝土的抗弯强度。对比MS-SF13-1.5、MS-SF15-1.5、MS-SF25-1.5三组可以发现，随着钢纤维长径比的增大，CA-UHPC抗弯强度呈现先增大后降低的趋势。这是因为：(1)长径比越大，在裂纹处钢纤维发挥桥接作用的路径越长，对裂纹扩展的限制越有效。此外，15 mm钢纤维的端部带有弯钩，相比于13 mm的平直钢纤维能够更好地锚固在基体中，所以MS-SF15-1.5组的抗弯强度高于MS-SF13-1.5组。(2)但是如果钢纤维长径比过大，纤维在基体中更容易结团，导致钢纤维分散均匀性下降，形成钢纤维和CA-UHPC 基体的低粘接强度界面。当其负面影响大于大长径比带来的正面影响时，CA-UHPC的抗弯强度随之下降，故MS-SF25-1.5组的抗弯强度小于MS-SF13-1.5组和MS-SF15-1.5组。

图14 钢纤维对抗弯强度的影响

对比MS-SF13-1.5、MS-SF25-1.5、MS-HSF-1.53组可以发现，纤维混杂后的MS-HSF-1.5组的抗弯强度比单掺纤维的MS-SF13-1.5、MS-SF25-1.5组的抗弯强度分别高18.95%、23.30%。这说明在一定掺量范围内，不同长径比的钢纤维混杂有利于混凝土抗弯强度的提高。这种现象的原因是：在外荷载作用下试件内部出现微小裂缝，此时长径比较小的钢纤维有很强的限制作用；而当裂缝宽度逐渐扩大时，细小纤维逐渐被拔出退出工作，长径比较大的纤维因为直径较粗，且两端的锚固作用很强，此时它在裂缝处的桥接作用越来越强，能够有限限制宏观裂缝的发展。所以试件在受弯过程中，混杂的钢纤维在不同的阶段发挥作用，使得其抗弯强度的提升幅度更大。

对比MS-SF15-1.5、MS-SF15-2两组不难看出，引入1.5%钢纤维加上0.5%碳酸钙晶须对于CA-UHPC抗弯强度的提升不如2%的钢纤维。这说明微米级别的碳酸钙晶须对于裂缝扩展的限制不如毫米尺度的钢纤维。综上所述，对CA-UHPC来说，在纤维体积分数≤2%时，纤维对CA-UHPC抗弯强度的影响程度：纤维掺量>纤维混杂>纤维长径比.

3 结 论

研究了河砂、石英砂、机制砂配制含粗骨料超高性能混凝土(CA-UHPC)的抗压性能和抗弯性能，在此基础上，对比研究了不同钢纤维掺量、不同钢纤维长径比和钢纤维混杂对于机制砂CA-UHPC抗压强度与抗弯强度的影响，可以得到以下结论：

(1)利用机制砂替代石英砂与河砂配制CA-UHPC，抗压强度和抗弯强度均得到提升，这与机制砂良好的级配有关。其中，抗压强度可达150 MPa以上，抗弯强度达到23.56 MPa。

(2)在纤维掺量不超过2%的情况下，随着钢纤维掺量的增加，机制砂CA-UHPC的抗压强度和抗弯强度均提升。随着钢纤维长径比的增加，机制砂CA-UHPC的抗压强度增加而抗弯强度却先增加后下降；钢纤维混杂有利于机制砂CA-UHPC抗压强度和抗弯强度的提高。

(3)碳酸钙晶须等量替代钢纤维时，CA-UHPC的抗压强度和抗弯强度分别下降9.31%，13.24%，说明碳酸钙晶须不宜按替代钢纤维的方法掺入CA-UHPC中。