钢纤维掺量对超高性能混凝土力学性能影响研究

2022-07-05王雄锋徐霁云

水利与建筑工程学报 2022年3期

王雄锋，陈波，张丰，何旸，徐霁云

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

随着超高层建筑、大跨度桥梁等基础设施建设的发展，土木工程材料对轻量化、高强化、绿色化和耐久性的要求越来越高，超高强度和高耐久性的超高性能混凝土得到了广泛的应用[1]。超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)的概念由Richard等[2]在1994年首次提出，早期也称为活性粉末混凝土(RPC)。1979年，Bache采用细料致密法(Densified with Small Particles, DSP)，通过加入硅灰与高性能减水剂，来减小孔隙率，制备出抗压强度为150 MPa～200 MPa的混凝土，制品以DENSIT 作为商标出现在市场中[3-4]。此后，在建筑领域得到越来越广泛的应用。

1996年，Oliver等[5]研究证明掺加钢纤维后RPC的抗弯强度和能量吸收能力得到了显著提升。陈从春等[6]发现，将2.5%体积掺量的钢纤维掺入UHPC中，相比较UHPC基体，立方体抗压强度提高25%，劈裂抗拉强度提高1.7倍，抗弯强度提高83%，当掺入3%的钢纤维时，抗压强度可达到150 MPa甚至更高。鞠彦忠等[7]研究单掺钢纤维对RPC试件的抗弯强度、劈裂抗拉强度以及抗压强度的影响，随着钢纤维的增加，当体积掺量在1.0%到2.0%范围内时，钢纤维对RPC的强度影响不大；当体积掺量超过2.0%后，RPC试件的强度提高显著；当钢纤维体积掺量大于3.5%后，仅抗弯强度继续提升。Yoo等[8]分析了体积掺量分别为1%、2%、3%、4%和长径比为65的钢纤维对UHPC力学性能的影响，抗压强度的最佳掺量为3%，抗弯强度的最佳掺量为4%。黄雪林等[9]研究了纤维种类和掺量对混凝土强度的影响，认为纤维的增加对混凝土的强度增加作用是有限的。程鹏等[10]研究了不同钢纤维掺量和粗骨料掺量对UHPC弯曲性能的影响。梁兴文等[11]、郭志强[12]研究了异型钢纤维掺量对抗弯强度的影响，都得出当钢纤维掺量为5%时抗弯强度最大。但是钢纤维体积掺量对超高性能混凝土增强增韧评价结论不一致，所以有必要进一步试验研究。因此试验选用水胶比为0.19，研究钢纤维分别以1.0%、1.5%、2.0%的体积掺量加入基准组(S0)中对超高性能混凝土(UHPC)流动性和力学性能的影响。试验过程先进行UHPC流动性测试；然后进行抗压强度、抗弯强度和弯曲韧性试验。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

试验采用海螺牌P O42.5普通硅酸盐水泥；宣城双乐F类I级粉煤灰；细度模数为2.8的河砂；正源益清新材料技术有限公司生产的SiO2含量92.54%，28 d活性指数为142.5%的硅灰；苏州兴邦化学建材有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为28%；贝卡尔特的微细镀铜圆直钢纤维，性能见表1。

表1 钢纤维参数

1.2 配合比设计

UHPC水胶比为0.19，砂胶比为1.4，钢纤维为分别以1.0%、1.5%、2.0%的体积掺量加入基准组(S0)中，配合比见表2。

表2 配合比

1.3 试件制备

试件的成型按照以下顺序：(1) 依据配合比准备好材料。将胶凝材料、砂和减水剂投入搅拌机中干拌1 min；(2) 将水缓慢倒入工作中的搅拌机并持续搅拌5 min～6 min；(3) 采用人工均匀投入方式将钢纤维在两分钟内撒入浆体中，搅拌5 min。(4) 搅拌完成，进行UHPC坍落度和扩展度测试；(5) 坍落度和扩展度测试完毕后立即进行混凝土浇筑，浇筑完毕后振动15 s～25 s至密实状态。试件成型完毕后，在20℃±2℃静置2 d后拆模，将其置于 20℃±2℃、相对湿度 95%以上的标准养护室内养护3 d，取出试件并将其放入60℃热水养护池中养护7 d，最后冷却至室温即养护完毕。养护完毕的试件即可进行力学性能测试与分析。

1.4 试验方法

1.4.1 工作性能

根据《超高性能混凝土试验方法标准》[13](T/CECS 864—2021)对掺钢纤维的UHPC进行扩展度测试，如图1所示。将新鲜的UHPC砂浆倒入模具直至填满，将多余砂浆刮去后，将模具快速向上提。当新鲜砂浆稳定后，在没有任何震动的情况下测量相互垂直的2个直径并记录，扩展度为数据平均值[14]。

图1 扩展度测试

1.4.2 力学性能

根据《超高性能混凝土试验方法标准》[13](T/CECS 864—2021)对UHPC的抗压强度和抗弯强度进行测试。制备6个100 mm×100 mm×100 mm的试件为一组进行抗压强度测试；制备3个100 mm×100 mm×400 mm的试件为一组进行抗弯全曲线测试，如图2所示。

图2 四点弯曲试验

2 结果与讨论

2.1 钢纤维体积掺量对UHPC工作性能影响

钢纤维对UHPC坍落度和扩展度的影响如图3所示。从图中可以看出，不掺钢纤维的UHPC(基准组)坍落度和扩展度分别为265 mm、540 mm，流动性最好，钢纤维的掺入对坍落度和扩展度有一定影响。当钢纤维掺量分别为1.0%、1.5%和2.0%时，坍落度分别为260 mm、255 mm和240 mm，较基准组分别下降了1.9%、3.8%和9.4%；扩展度分别为510 mm、490 mm和425 mm，较基准组分别下降了5.6%、9.3%和21.3%。这是由于钢纤维与基体之间产生黏结和摩擦，阻碍了UHPC的流动性[15]。此外，钢纤维与基体之间形成的网架结构进一步阻碍了UHPC的流动。由数据可知，随着钢纤维掺量增加，UHPC流动性呈下降趋势。

图3 钢纤维掺量对UHPC坍落度和扩展度的影响

2.2 钢纤维体积掺量对UHPC力学性能影响

2.2.1 钢纤维体积掺量对UHPC抗压强度影响

不同钢纤维体积掺量UHPC的立方体抗压强度见图4。不掺钢纤维的UHPC立方体抗压强度为103.9 MPa，强度最低，当钢纤维掺量分别为1.0%、1.5%和2.0%时，抗压强度为116.7 MPa、120.2 MPa和123.7 MPa，分别提升了12.3%、15.5%和19.1%。钢纤维的掺入对UHPC立方体抗压强度有较大的提升，但随着钢纤维体积掺量从1.0%～2.0%，抗压强度变化不大。

图4 钢纤维体积掺量对UHPC抗压强度的影响

未掺入钢纤维时，试件内部存在较多孔隙和其他缺陷，受压过程中为压剪破坏，如图5所示。未掺入钢纤维的UHPC试件在受压过程中，试件端面与压板之间由于试件横向膨胀受到约束而在接触面上产生摩阻力，所以试件破坏时留下一个未被破坏的棱锥体且发生爆裂情况。当有纤维加入试件中时，其乱向分布构成三维骨架与UHPC共同承受外力，一方面钢纤维能够约束变形，产生“环箍效应”，另一方面抗拉强度高的钢纤维能够抑制微裂纹的发展[15-16]。在此过程中，钢纤维与基体不断发生黏结滑移，钢纤维与基体间良好的黏结力使其消耗了大量能量，因此试件抗压能力提高。

图5 UHPC受压破坏形态

2.2.2 钢纤维体积掺量对UHPC抗弯强度和弯曲韧性影响

UHPC破坏后的形态如图6所示。UHPC试件受弯破坏时大多是单裂缝破坏并未出现明显的多裂缝形态，这与曹明莉等[17]、张文华等[18]研究发现一致。由于使用的是表面光滑的短细圆钢纤维，与混凝土基体没有足够的黏结，因此没有形成多裂缝开裂形态。但是仔细观察可以发现，随着钢纤维掺量的增加，主裂缝周边的次生裂缝增加，在一定程度上提高了UHPC的抗弯能力。

图6 不同纤维掺量的UHPC纯弯段裂缝形态

不同钢纤维掺量UHPC荷载-挠度曲线如图7所示，参照规范[19]和规范[13]对图7试验结果进行分析，如表3所示。

表3 不同钢纤维体积掺量UHPC荷载-挠度曲线的特征参数

图7 不同钢纤维体积掺量UHPC荷载-挠度曲线

含钢纤维的UHPC受弯过程中在初裂后依然可以承受更高的荷载，这表明钢纤维对 UHPC有较好的增强增韧效果。钢纤维对UHPC峰值强度和挠度的影响如图8所示。由图8可知fp和δp受纤维掺量影响较大，当钢纤维掺量为1.0%时，fp和δp分别为16.7 MPa和0.693 mm。当钢纤维掺量分别为1.5%和2.0%时，fp为23.1 MPa和23.8 MPa，分别提高了38.3%和42.5%，δp为 0.766 mm和0.889 mm，分别上升了10.5%和28.3%。因此纤维掺量能显著提高UHPC开裂后的性能，试件初裂后，外荷载主要作用在钢纤维与基体黏结部分，随着纤维掺量的增加，一方面纤维平均间距减小，更多纤维参与承受荷载并抑制微裂缝开展，另一方面黏结滑移特性进一步加强从而消耗更多能量，使得UHPC抗弯强度与其对应的挠度得到了提高。