超高韧性纤维混凝土配合比设计及力学性能研究

林华明

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

0 引言

传统的混凝土结构往往无法满足一些特殊要求，例如在地震、爆炸或大型机械作用下需要更高的抗震性能和韧性。因此，人们对于开发出具有超高韧性的纤维混凝土产生了浓厚兴趣。黄博滔[1]认为超高韧性纤维混凝土材料（UHTCC）具有显著的应变硬化和多缝开裂特征。刘泽立[2]以UHTCC为研究对象，使用聚乙烯醇纤维（PVA）和改性聚丙烯纤维（PP）作为自变量，设计了20组配合比，并评估了UHTCC混凝土的耐久性能。另外，文韬[3]等改性PP纤维掺入量与超高韧性混凝土的抗折性能成正比。然而，在纤维含量较低时，整体材料可能缺乏足够的纤维支撑来承受拉应力。本文在前人研究的基础上，依据混凝土流动状态，按照2.06:1的质量比复配20～40目和40～120目的石英砂，维持0.2的水胶比，掺入聚丙烯纤维1 kg/m3、钢纤维200 kg/m3，不仅能赋予混凝土更强抗折性能，且能保障混凝土内钢纤维分布均匀。经优化设计的配合比，混凝土28d时能达到不低于130 MPa的抗压强度和不低于35 MPa的抗折强度，满足实际工程需要。

1 超高韧性纤维混凝土概述

超高韧性纤维混凝土是一种新型的复合材料，是通过在混凝土中添加特定类型的纤维材料来增强其韧性和耐久性。此类纤维包含钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维等，它们与水泥基质形成有效的协同作用，提供了优异的力学性能[4]。该材料具有出色的抗裂性能和高强度，相比传统混凝土，在抗拉、抗弯、抗冲击等方面表现出更好的力学性能。

该材料的特点包含：（1）高韧性。通过添加纤维材料，使得混凝土在受力时能够克服裂缝扩展的倾向，从而提高了结构的耐久性和延展性。（2）抗裂性。由于添加了纤维材料，在混凝土内部形成了三维网络结构，有效地阻止了裂缝的扩展。即使在受到大幅度荷载时，UHTFRC也能够保持较小的裂缝宽度。（3）高强度。纤维材料的添加不仅提高了混凝土的韧性，还增加了其整体强度。与传统混凝土相比，具有更高的抗压和抗弯强度，能够承受更大的荷载。（4）耐久性。由于纤维材料的存在，超高韧性纤维混凝土具有出色的耐久性。能够有效地抵御化学侵蚀、冻融循环和疲劳等外界环境因素对结构造成的损害。

2 超高韧性纤维混凝土配合比设计

2.1 主要原材料选择

（1）水泥。常见的水泥类型包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥等。在配合比设计中，根据所需的强度等级和工程要求，选择适当类型和品种的水泥。（2）矿物掺合料。矿物掺合料是指将一定量的粉状或颗粒状非金属无机物加入超高韧性纤维混凝土中，用于改善其力学性能和耐久性能[5]。常用的矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、矿渣粉等。在配合比设计中，根据超高韧性纤维混凝土的使用环境和要求，选择适当类型和掺量的矿物掺合料。（3）石英砂。石英砂是超高韧性纤维混凝土中常用的细集料，其主要作用是填充胶凝材料之间的空隙，增加混凝土的密实性和强度。在配合比设计中，根据所需的流动性、工作性能和力学性能等要求，选择适当级配和含水率的石英砂。（4）钢纤维。钢纤维是超高韧性纤维混凝土中重要的增强材料，其主要作用是增加混凝土的韧性和抗裂性能。常见的钢纤维类型包括直径0.2～1.0mm的钢丝或钢筋。在配合比设计中，根据所需的韧性指标和力学性能等要求，确定适当长度、直径和掺量的钢纤维。（5）聚丙烯纤维。聚丙烯纤维是超高韧性纤维混凝土中常用的增强材料之一，其主要作用是增加混凝土的韧性和抗裂性能。聚丙烯纤维具有良好的耐碱性和耐久性，在混凝土中分散均匀，并与水泥基体形成协同增强效应。在配合比设计中，根据所需的韧性指标和力学性能等要求，确定适当掺量的聚丙烯纤维[6]。（6）减水剂。减水剂是超高韧性纤维混凝土中常用的添加剂，其主要作用是调节混凝土的流动性和工作性能。通过使用适当类型和掺量的减水剂，可以降低混凝土的黏稠度，提高流动性，从而方便施工操作，并保证混凝土内部纤维分散均匀。在配合比设计中，根据所需的流动性、工作性能和力学性能等要求，选择适当类型和掺量的减水剂。

2.2 配合比设计

2.2.1 石英砂紧密堆积模型

围绕3种石英砂开展紧密堆积计算，其中石英砂1为20～40目、表观密度2.626 kg/m3、紧密密度1.448 kg/m3、孔隙率0.448；石英砂2为80～120目，表观密度2.368 kg/m3、紧密密度1.589 kg/m3、孔隙率0.339；石英砂3为40～120目、表观密度2.474 kg/m3、紧密密度1.565 kg/m3、孔隙率0.367。

以式（1）为依据，参考3种石英砂表观与紧密密度进行最紧密堆积用量比的计算。

式中：ρ1、ρ2代表较粗、细砂表观密度，kg/m3。经理论推导后，以2.08:1的质量比进行石英砂1和2的复掺；以2.06:1的质量比进行石英砂1和3的复掺。

2.2.2 三元胶材体系组分用量比例的确定

为了确定复合胶凝材料的最紧密堆积特性，开展最小需水量试验。试验中，选定水泥和矿粉作为胶凝材料，使用硅灰来替代部分胶凝材料，探索不同取代量能转变原本潮湿、固体状态的拌合物为平坦均匀的浆体所需要最低用水量。

根据表1中的数据可以观察到，在硅灰分别为10%和15%的掺量时，有着基本相同的最小用水量。因此后续试验中选择这两组掺量展开进一步的研究。

表1 水泥、矿粉、硅灰体系最小用水量

以下两种胶凝材料比例进行试验：

（1）m（水泥）: m（矿粉）: m（硅灰）=72 : 18 : 10

（2）m（水泥）: m（矿粉）: m（硅灰）=68 : 17 : 15

然而，该方法只考虑了物理方面的最紧密堆积特性，并没有考虑硅灰掺量对水泥水化过程的影响。在综合考虑水化影响时，还需调整水泥与硅灰比例。

2.2.3 钢纤维掺量

在实际工程中应用超高韧性纤维混凝土时，需要考虑其抗压和抗折等力学性能。使用高弹模的钢纤维可以有效提升超高韧性纤维混凝土的力学特性。然而，并过多的钢纤维也会带来一些问题。例如，随着钢纤维掺量的增加，超高韧性纤维混凝土的流动性会变差，并出现团聚现象。这是因为钢纤维的存在会干扰混凝土的流动性，使其变得更加黏稠[7]。可能会影响施工过程和材料的均匀性，且增加钢纤维掺量也会导致成本上升。

基于以上考虑，最终选择将钢纤维体积掺量控制在2%。该掺量既能够在一定程度上提升超高韧性纤维混凝土的力学性能，又不会对流动性产生过大影响，并且相对成本较为合理。这样可以确保超高韧性纤维混凝土在实际工程中发挥出最佳作用。

2.2.4 水胶比

在混凝土制备中，水胶比是一个重要的参数。如果水胶比过低，会影响混凝土的流动性，影响水泥的水化。相反，如果水胶比过高，会导致混凝土内部密实性下降，并对强度发展产生负面影响[8]。基于此，本次试验中选择三种不同的水胶比进行研究，分别为0.16、0.18和0.20。

2.3 初始配合比确定

表2列出超高韧性纤维混凝土初始配合比，其中掺加的钢纤维为总体积2%的量，即200kg/m3，掺加的减水剂为胶凝材料质量2.5%的量。

表2 超高韧性纤维混凝土配合比初步设计（kg/m3）

3 配合比设计结果及力学性能测试

3.1 工作性能测试

超高韧性纤维混凝土的配合比设计中，骨料只包含超细砂。为了判断所设计的配合比是否满足工程现场浇筑需求，参考GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度试验标准》进行了流动性试验。根据试验结果得知，3#、4#、7#和8#初始工作状态不佳，基本上没有流动性，拌合物成团粘聚在一起，无法通过重力直接倒出搅拌锅，因此并没有获得跳桌扩展度数据。

通过进一步分析发现，选用连续级配的石英砂1和石英砂2导致了流动性变差。复配这两种骨料后整体粒径偏小（即细度偏大），影响级配连续性，从而导致拌合物流动性下降。1#、2#、5#和6#由于复配石英砂1和3，级配连续性可观，随着水胶比的增大，流动性明显改善。尤其是0.20的水胶比时，流动性非常好，能够达到不低于250mm的跳桌扩展度，且加入钢纤维基本不会影响流动性。

基于以上分析结果，配合比设计中，按2.06 : 1的质量比复配使用石英砂1和3。

3.2 力学性能测试

为了评估超高韧性纤维混凝土的力学性能，采用两种标准试件进行测试。其中，正方体试件尺寸为100mm×100mm×100mm，长方体试件尺寸为150mm×150mm×600mm。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002），对试件进行抗压和抗折强度测试。

根据表3的数据可以看出，采用石英砂1和石英砂2复配的试样在强度方面普遍较低，而采用石英砂1和石英砂3复配的试样则具有更高的强度表现。这是因为较小粒径的石英砂无法提供足够的强度。另外，含气量小于3.0%的试样密实性更高，抗压强度也有所提升。表明成型中，足够的振动时间是减少试块内部气泡的决定性因素之一。

表3 不同配合比设计结果的力学性能

3.3 配合比优化

根据上述试验确定优化后的超高韧性纤维混凝土配合比9#为：水泥730 kg/m3、硅灰157 kg/m3、矿粉157 kg/m3、石英砂1 800 kg/m3、石英砂3 388 kg/m3、钢纤维200 kg/m3、聚丙烯纤维1 kg/m3、用水208 kg/m3。掺加的减水剂为胶凝材料总质量2.5%的量。

测试结果显示，掺加较少的聚丙烯纤维，并不会对超高韧性纤维混凝土的工作性能产生显著影响。工作性能测试确定相关参数为：220mm的坍落度、620mm的扩展度，含气量2.5%，倒坍时间1.9s。力学性能测试中，依照0.20的水胶比，选取初始配合比1#、5#以及优化配合比9#进行评估。具体的测试结果如表4所示。

表4 超高韧性纤维混凝土配合比优化后的强度比对

根据表4的数据可以看出，从强度发展方面来看，超高韧性纤维混凝土密切关联着水泥用量，增加胶凝体系中使用的水泥量时，会迅速提升混凝土强度。相较于初始配合比5#配比，9#水泥用量减少了22kg。然而，在各龄期的强度测试中，并没有显著差异。在对经济社会效益予以考虑的基础上，确定为低水泥用量[9]。根据流动性试验结果，确定最佳用水量中的水胶比为0.19～0.20，施工实际中以具体情况为根据酌情调整。

4 结论

本文提出抗裂性能、延展性和能量吸收能力更强的超高韧性纤维混凝土配合比方案，在抗震、防爆以及修复老化结构等方面表现出了巨大的潜力，为进一步推动超高韧性纤维混凝土在工程实践中的应用提供了重要依据。研究主要得到以下结论：通过调整最小用水量法试验结果，确定胶凝材料中水泥：矿粉：硅灰=70 : 15 : 15的最佳质量比。依据混凝土流动状态，按照2.06:1的质量比复配20～40目和40～120目的石英砂，维持0.2的水胶比，掺入聚丙烯纤维1kg/m3、钢纤维200kg/m3，不仅能赋予混凝土更强抗折性能，且能保障混凝土内钢纤维分布均匀。经优化设计的配合比，混凝土28d时能达到不低于130 MPa的抗压强度和不低于35 MPa的抗折强度，满足实际工程需要。

综上所述，本研究通过对超高韧性纤维混凝土配合比设计和力学性能研究，为该材料在工程实践中的应用提供了一定的理论和实验基础。