钢纤维对超高性能混凝土性能的影响

2022-09-16王成启郭玉林梁远博

水运工程 2022年9期

王成启，郭玉林，梁远博

(中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032)

众所周知，混凝土是应用最为广泛的建筑材料。随着我国基础设施建设进程加快，2019年混凝土用量近24亿m3。但普通混凝土存在结构质量大、抗拉强度低、易开裂、耐久性低等弱点，在工程结构向大型化和高耐久性方向发展中凸显。超高性能混凝土(ultra high performance concrete，UHPC)是由水泥、矿物掺合料、细集料、高强短纤维和减水剂等加水拌和而成的一种具有超高强度、高韧性和高耐久性的水泥基复合材料[1]，可有效减小工程结构尺寸，提高混凝土结构耐久性。因此，世界各国开始逐渐重视UHPC的研究和应用，各国的学者也大规模开展配制技术与应用研究，并已编制相关的设计指南。

在UHPC中加入纤维可以起到控制裂缝宽度、改善韧性和提高延性的作用，从而具有超高抗拉强度和高韧性。相比其他材质的纤维，钢纤维具有弹性模量大和抗拉强度高等特点，对混凝土性能的改善效果较为明显[2]。钢纤维几何外形及掺量对UHPC的力学性能产生显著影响，UHPC在荷载作用下的破坏模式基本为纤维拔出，与平直纤维相比，在UHPC中掺加异型纤维能获得更好的极限拉伸强度[3]，端钩型钢纤维的外形构造可提供较大的抗拔脱力，增加了UHPC的力学性能[4-5]。然而，现有文献资料关于端钩型钢纤维长径比对UHPC的性能影响还缺乏系统研究。为充分发挥钢纤维在UHPC中的作用和配制出性能优异的UHPC，本文开展端钩型钢纤维长径比对UHPC工作性和力学性能影响的研究，为UHPC配合比设计提供依据。研制的UHPC可应用于码头工程桩基裂缝或破损加固修复，替代传统钢套筒中灌浆材料，可省去钢筋网片，从而简化施工和加快灌注施工。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1UHPC基体原材料

海螺水泥厂生产的P·Ⅱ52.5水泥；上海宝田新型建材有限公司生产的S95级高炉矿渣粉；埃肯国际贸易(上海)有限公司生产的940硅灰；浙江江山博士龙建材有限公司生产的硫铝酸钙类Ⅱ型膨胀剂；洞庭湖河砂，级配范围为0.15～2.36 mm；苏州市兴邦建材有限公司生产的高性能聚羧酸减水剂，减水率大于30%；符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的混凝土拌和用水。

1.1.2钢纤维

采用端钩型钢纤维，其抗拉强度为3.1 GPa，长径比选用57、60、73和100，几何尺寸参数见表1。

表1 钢纤维主要参数

1.2 配合比

为保证UHPC的强度和耐久性，采用水泥、矿渣粉和硅灰组成胶凝材料，并掺入膨胀剂保证其体积稳定性，水胶比为0.18，UHPC基体配合比见表2，并采用长径比为57、60、73和100的钢纤维，纤维的体积掺量为2.0%，研究钢纤维的几何尺寸对UHPC性能的影响。

表2 UHPC基体配合比

1.3 试验方法

1.3.1工作性能

工作性能试验按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》相关规定进行。

1.3.2抗压强度和抗折强度

抗压强度和抗折强度试验按GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》相关规定进行。

1.3.3弯曲韧性

(1)

1.3.4抗冲击性能

抗冲击试验采用落锤法，采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的DTM1000落锤冲击试验机，制作400 mm×100 mm×50 mm(长×宽×厚)的UHPC板，跨度为300 mm，落锤在跨中冲击UHPC板，落锤质量为3 kg，落锤高度为120 mm，记录冲击UHPC板的初裂次数和断裂次数；在板的底部粘贴应变片，以应变突变时的冲击次数作为初裂次数，以UHPC板出现贯穿裂缝的次数为断裂次数。

2 试验结果与分析

2.1 工作性能

钢纤维长径比与UHPC拌和物性能关系如图1所示。可以看出，随着长径比的增大，UHPC坍落度和扩展度均不断减小，含气量不断增大。在同等体积纤维掺量下，随着纤维长径比增大，UHPC拌和物中纤维的长度增大，数量较少，由此导致纤维与拌和物间发生的黏结和摩擦作用增大，纤维对UHPC扩展阻力影响较大，从而使得UHPC拌和物的坍落度和扩展度减小[7]，同时UHPC浆体气泡不易排出，含气量有所增大。

图1 长径比对UHPC拌和物性能影响

UHPC新拌浆体流动的过程中，浆体会对钢纤维施加力和力矩，钢纤维根据流动速度不同而发生旋转并垂直于浆体流动的方向，最终导致UHPC拌和物的流动困难，发生边壁效应[8]，如图2所示。因此随着钢纤维长径比的增加，钢纤维长度相对较大，UHPC对钢纤维的旋转阻力增加，导致UHPC浆体扩展相对困难，导致钢纤维长径比较大的UHPC扩展度下降，工作性能下降。

图2 UHPC拌和物边壁效应

2.2 力学性能

2.2.1抗压强度与抗折强度

钢纤维长径比与UHPC强度关系如图3所示。可以看出，随着长径比的增大，UHPC抗压强度和抗折强度均不断增大。当纤维长径比从50增加到60时，UHPC的28 d抗折、抗压强度分别增长了17.9%、3.0%；当纤维长径比从60增加到73时，UHPC的28 d抗折、抗压强度分别增长了6.3%、2.8%；当纤维长径比从73增加到100时，UHPC的28 d抗折、抗压强度分别增长了4.9%、2.2%。由此可见随着长径比的增大，纤维对UHPC强度增长率逐渐下降。

图3 长径比对UHPC强度影响

2.2.2弯曲韧性

超高强混凝土伴随着高脆性，应改善其脆性和变形性能。超高性能混凝土中掺入钢纤维可有效地降低其脆性和改善其弯曲韧性，而弯曲韧性可表征超高性能混凝土的韧性和耗能能力。进行不同长径比钢纤维UHPC弯曲韧性试验，弯曲韧性系数的测试结果见表3。可以看出，随着钢纤维长径比的增加，UHPC的弯曲韧性系数不断增加，表明UHPC的韧性增加。钢纤维长径比对UHPC弯曲韧性系数的影响见图4。可以看出，当纤维长径比从57增加到60时，UHPC的弯曲韧性系数增长了6.5%；当纤维长径比从60增加到73时，UHPC的弯曲韧性系数增长了3.9%；当纤维长径比从73增加到100时，UHPC的弯曲韧性系数增长了2.7%。因此，钢纤维长径比对UHPC弯曲韧性系数影响较大，且随长径比的增加，弯曲韧性系数增长率呈现降低的趋势。

图4 钢纤维长径比对UHPC弯曲韧性系数的影响

表3 不同长径比钢纤维UHPC弯曲韧性测试结果

2.2.3抗冲击性能

进行不同长径比钢纤维的UHPC抗冲击试验，结果见表4。可以看出，不同长径比的钢纤维UHPC均具有良好的抗冲击性能，随着钢纤维长径比的增加，UHPC的抗冲击的初裂次数、初裂能耗、断裂次数和断裂能耗均不断增加，表明UHPC的抗冲击性能不断增强；当纤维长径比从57增加到60时，UHPC的初裂能耗和断裂能耗分别增长了60.0%和11.1%；当纤维长径比从60增加到73时，UHPC的初裂能耗和断裂能耗分别增长了25.0%和8.0%；当纤维长径比从73增加到100时，UHPC的初裂能耗和断裂能耗分别增长了10.0%和1.8%。因此，钢纤维的长径比对UHPC抗冲击性能也产生明显影响，且随长径比的增加，抗冲击初裂能耗和断裂能耗增长率呈现降低的趋势。

表4 不同长径比钢纤维UHPC抗冲击测试结果

2.2.4讨论分析

纤维增强水泥基复合材料在外力作用下，纤维与基体将产生相对滑移，通过基体与纤维之间剪切应力将荷载传给纤维。纤维的拉力与剪切力达到平衡时有：

(2)

(3)

(4)

式中：ff为纤维的应力；lf为纤维的长度；df为纤维的直径；τ为纤维与基体间界面黏结强度。

由式(4)可以看出，纤维长径比和纤维与UHPC基体界面的黏结强度是充分发挥纤维增强和增韧的关键因素。适当增大纤维长径比可有效提高UHPC的强度、韧性和抗冲击性能，但纤维长度不能过长，因为长度较长的纤维易于相互搭接团聚而产生结团，难以在UHPC中均匀分散，在搅拌过程中也易结团，且钢纤维长度对钢筋间距较小的构件浇筑产生一定的影响。因此，为了保证UHPC的工作性和施工性能，并使纤维在UHPC中发挥作用和保证强度，钢纤维应具有合适的长径比，一般控制在60～100。

除钢纤维长径比外，纤维与基体界面黏结强度是有效发挥纤维作用的关键因素。测试了UHPC基体及钢纤维与UHPC基体界面的微观形貌，其扫描电子显微镜结果如图5所示。可以看出，UHPC基体集料与水化产物间形成紧密结构，钢纤维与UHPC基体界面致密，有效提升了钢纤维与UHPC基体间黏结强度，可使钢纤维紧密地镶嵌在UHPC浆体中，加强浆体和集料的连接，进而提高了UHPC的抗折、抗压强度、弯曲韧性和抗冲击性能等宏观性能。

图5 UHPC微观形貌

3 工程应用

UHPC可应用于码头工程桩基裂缝或破损加固修复。某码头工程桩基为后张法预应力混凝土大管桩，由于码头受外力作用，大管桩出现裂缝和破损，采用钢套筒压力灌浆法进行修复，钢套筒与大管桩环形空间的间隙为50 mm。采用UHPC进行灌注，采用长径比为60的钢纤维，按照表2的配合比拌制UHPC进行灌注施工，测得坍落度为270 mm、扩展度为700 mm、3 h竖向膨胀率为0.15%、24与3 h膨胀率之差为0.08%，满足灌注施工要求；测得UHPC的7、28 d的抗压强度为121.8、145.9 MPa，测得7、28 d的抗折强度为22.5、26.5 MPa，具有较高的抗压强度和抗折强度，UHPC的28 d抗压强度显著高于60 MPa的常规要求，且大于管桩本体的抗压强度。采用UHPC灌浆加固，可省去常规加固在钢护筒环形空腔中放置的钢筋网片，简化施工和加快灌注施工，加固效果良好。