林亚强，姚 勇

(西南科技大学，四川 绵阳 621010)

1 引言

混凝土作为一种水泥基复合材料，因其原料来源广、成本低廉、制备简单且具有防火、耐久、适应性强[1]等优点，每年的产量达到60 亿t[2]，是世界上使用最广泛的建筑材料。随着现代科技的发展，建筑朝着“更高”“更广”的方向发展，对混凝土的性能要求也越来越高，传统混凝土已不能普遍满足所有需求。超高性能混凝土的成功研发，为混凝土的发展提供了新的思路。超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete，UHPC)在1994年由法国学者Larrard和Sedran提出[3～5]。它是一种由水泥、活性矿物掺合料、细骨料、高效减水剂组成的水泥基复合材料，具有超高强度、超高耐久性。通过掺入高效减水剂保证UHPC在超低水胶比状态下的流动性，UHPC的抗压强度能达150 MPa以上，但它存在较普通混凝土更大的脆性问题，导致其突然性的破坏和高脆性行为[6]。研究者借鉴纤维增强混凝土的思想，通过掺加纤维的方式来改善UHPC的破坏脆性问题[7]。实际工程项目中，掺钢纤维的UHPC应用最多。钢纤维的体积掺量低于1.0%时，它对UHPC的力学性能提高不明显[8]。端钩型钢纤维相比圆直钢纤维更能提高UHPC的力学性能[9]。当前，随着纤维混凝土的不断研究，对混杂纤维的深入探究是纤维混凝土发展的新方向。混杂纤维混凝土大致可分为两种情形：一种是不同种类的纤维混杂；二是不同尺寸或不同外形的同种纤维进行混杂。不同纤维的混杂可以在不同的受荷阶段以及结构层次上发挥出混杂纤维的性能效应和尺寸效应，从而对混凝土基体材料进行逐级强化[10～14]。一般来说，弹性模量高的纤维增强效果较好，但价格也比较高，弹性模量低的纤维增强效果虽差但增韧阻裂效果好，价格也相对便宜，通过合理的混杂搭配，使低弹性模量和高弹性模量的纤维取长补短，产生协同和超叠加效应，使其在混凝土不同的受力阶段和结构层次上充分发挥各纤维的作用，以此达到逐级阻裂和增韧增强的目的[15,16]。本文以UHPC为基体，探究钢-PE混杂纤维对UHPC的流动性和力学性能影响，并找到最佳掺量比。

2 试验概况

2.1 原材料

水泥采用“双马”牌42.5级普通硅酸盐水泥(P.042.5)，生产于四川双马水泥股份有限公司，其化学组成和物理性能如表1和表2所示。

表1 P.042.5水泥化学组成 %

表2 P.042.5水泥物理性能

硅灰为河南义翔新材料有限公司生产，灰色粉末，二氧化硅含量在85%以上；粉煤灰为恒源新材料有限公司生产，灰色粉末，优质一级灰；微矿粉为恒源新材料有限公司生产，白色粉末；石英粉为郑州邦洁净水有限公司生产，325目，密度为2.65 g/cm3；石英粉采用绵阳市涪城区龙门石英砂厂生产的40～70目石英砂；聚乙烯纤维采用湖南中泰特种装备有限责任公司生产的超高分子量聚乙烯纤维；钢纤维采用长度35 mm，直径0.75mm的端钩型纤维，密度为7.85 g/cm3。

表3 基本配合比设计 kg/m3

2.2 试块制备

(1)根据试验配合比，准确称量各材料质量，先加入水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、石英粉、微矿粉进行搅拌2 min。

(2)均匀加入纤维，纤维加入过程中，搅拌机不停机，始终处于转动状态，待全部加入后再搅拌4 min。

(3)加入约1/2的水搅拌2 min，而后再加入全部减水剂搅拌2 min，至拌合物呈面团状。

(4)加入剩余的水搅拌10 min，直至胶凝材料充分分散并混合均匀。

(5)停机，将拌合物装进模具中，先装模具高度的一半，振动60s，再装满另外一半振动60 s，然后抹平。

2.3 试块养护

(1)静停。试块成型后，移入养护室标准养护(温度20±2 ℃，相对湿度90%以上)48 h。

(2)升温养护。静停后的试块，放入蒸汽快速养护箱，以15 ℃/h的速率升温至90 ℃，保持恒温72 h，以同样速率降回室温，升温养护过程中的环境相对湿度应保持在95%以上，养护结束后拆模。

(3)自然养护。试块取出后，放置在自然环境中直至7 d期龄后开展力学性能试验。

2.4 测试方法

2.4.1 流动性测试

本试验采用水泥胶砂流动度测定仪，试模(由截锥圆模和模套组成)，长度为200 mm的捣棒，量程为400 mm的钢尺三把，抹刀。流动度测定参照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》

2.4.2 抗压强度测试

本试验采用2000 kN微机控制电液伺服压力试验机，素UHPC和掺钢-PE混杂纤维的UHPC的抗压强度试验步骤按照《普通混凝土力学性能的试验方法标准》(GB/T50081-2002)规定进行。100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，以1.3 MPa/s的速率进行加载；试件破坏后，读取破坏荷载。

3 结果及分析

3.1 混杂纤维对UHPC流动性的影响

较普通混凝土相比，UHPC掺加的原材料品种较多，同时影响流动性的因素也比较多，包括水泥种类、纤维掺量、矿物掺合料的掺量、外加剂的掺量、拌制方法、水胶比等，这些因素都会对UHPC的工作性能产生不同程度的影响[17,18]。

从图1可以看出，未掺入纤维时，素UHPC的流动度为237.5 mm，单掺钢纤维时的流动度为215 mm，单掺6 mm、12 mmPE纤维时的流动度分别为125 mm、105 mm。在总体积掺量不变的情况下，随着钢纤维和PE纤维的加入，混凝土流动性均大幅下降，单掺钢纤维时流动性下降了9.47%，单掺6 mmPE纤维时下降了47.36%，单掺12 mmPE纤维时下降了55.79%，可见，PE纤维的掺入，对流动性的影响更大，且12 mmPE纤维2%掺量时的影响程度最大，分析其原因，主要是12 mmPE纤维在混凝土中的分散性较差，有结团现象较为明显，故导致UHPC流动性骤降。

图1 钢-PE混杂纤维UHPC流动度

3.2 PE纤维对UHPC抗压强度的影响

100 mm×100 mm×100 mm素UHPC立方体试块的抗压强度达到103.8 MPa。未掺纤维的素UHPC应力全部由基体承担，一旦基体达到极限强度，瞬间发生爆炸性破坏。而掺入钢纤维、PE纤维后的UHPC在裂缝出现后并没有立即发生破坏，而是伴随着荷载的逐渐加大仍然能承受部分荷载并发生缓慢的变形，表现出延性破坏的特征。钢-PE混杂纤维对UHPC抗压强度的影响如图2所示。

图2 钢-PE混杂纤维UHPC抗压强度

单掺2%钢纤维时，抗压强度为125.1 MPa，较素UHPC提升了20.52%；单掺6 mm、12 mm纤维时的抗压强度分别为91.5 MPa、94.5 MPa，却较素UHPC下降了11.85%、8.96%；这主要是由于PE纤维与基体之间的界面效应会增多UHPC内部的结构缺陷，削弱UHPC基体的整体性，PE纤维的抗压强度又远不如基体强度，所以掺2%的PE纤维会明显降低UHPC的抗压强度。而钢-聚乙烯混杂纤维能显著提高混凝土的抗压强度，在总体积掺量2%不变的情况下，随着PE纤维体积掺量的增加，UHPC的抗压强度先提高后降低，当1.5%的钢纤维和0.5%的PE纤维混杂时抗压强度最大，达到了132.6 MPa，较素UHPC提高了27.7%，此时混杂效果最好。