张妍　温宏平

摘要：超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）凭借其出色的力学性能及耐久性能，已被应用到建筑行业的各个领域，特别是高层建筑、大跨度的桥梁、海底隧道等。然而，目前关于纤维类型、用量对UHPFRC抗渗性能的影响机理还未得到足够的关注，缺乏统一的认识。为此，开展了不同纤维类型（玄武岩纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维）及其用量（0，0.5%，1.0%，2.0%）对UHPFRC力学性能（单轴抗压强度、弹性模量）和抗渗性能（渗透率）影响的研究。研究结果表明：① 添加不同类型纤维的UHPFRC力学性能和抗渗性能有较大的差异，其中添加金属纤维的UHPFRC的力学参数明显高于添加玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的UHPFRC，而添加聚乙烯醇纤维的UHPFRC渗透率明显高于添加金属纤维和玄武岩纤维的UHPFRC。② 在当前用量范围内，UHPFRC的力学性能随钢纤维含量的增加而逐渐增大，但随玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维含量的增加而逐渐减小。③ 随着聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维含量的增加，UHPFRC的渗透率逐渐增大，但随着钢纤维含量的增加，UHPFRC的渗透率逐渐减小。

关 键 词：超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）； 玄武岩纤维； 钢纤维； 聚乙烯醇纤维； 力学性能； 抗渗性能

中图法分类号： TV431

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.030

0 引 言

近几年高层建筑、大跨度桥梁、海底隧道等混凝土结构工程需求的增加，对混凝土材料的力学性能和抗渗性能提出了更高的要求［1］。为此，拥有更高强度、更好耐久性的超高性能混凝土应运而生，相比于普通混凝土材料，它由高含量凝胶材料、细骨料、高效减水剂组成，具有低水胶比的特点［2］，但现有研究表明，高性能混凝土具有明显的脆性破坏特征［3］，这对混凝土结构的安全性造成一定的威胁。向混凝土材料中加入纤维是克服这一明显缺陷的一种有效手段，可以减少超高性能混凝土的收缩率、微裂纹的数量，并且明显提高它的韧性［4］。

Mohammed等［5］研究了不同含量水灰比以及不同含量玻璃纤维对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）力学性能以及延展性的影响研究，结果表明低含量水灰比能有效提高UHPFRC力学性能，随着玻璃纤维含量的增加，UHPFRC力学性能呈现出先增加后缓慢减小的趋势，在纤维含量为1.5%时力学性能最优。Yang等［6］研究了金属纤维含量和纵横比对UHPFRC抗压行为的影响，研究结果表明UHPFRC抗压强度和弹性模量随金属纤维含量和纵横比的增加逐渐增大，但当纤维含量超过2%后，抗压力学性能的增加速率放缓。Shin等［7］进一步研究了金属纤维类型（直金属纤维、3肋骨数金属纤维、6肋骨数金属纤维）对UHPFRC力学行为的影响，研究结果表明弯曲金属纤维比直金属纤维表现出更好的抗拉拔性能，并且其有效性随着加强筋数量的增加而增加。Alaskar等［8］研究了玄武岩纤维含量对UHPFRC力学行为的影响，研究结果表明随着玄武岩纤维含量的增加，UHPFRC单轴抗压强度和劈裂抗拉強度呈现先增大后减小的趋势。Liu等［9］研究了金属-聚合物混合纤维对UHPFRC力学性能的影响，研究结果表明，随聚合物纤维含量的增加，UHPFRC的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度均呈现出先增大后减小的趋势。此外，Abrishambaf等［10］通过室内试验研究了纤维分布方向对UHPFRC抗拉行为的影响，研究结果表明相同纤维含量条件下，纤维方向与拉拔荷载方向一致时UHPFRC抗拉强度最大，其次为无定向纤维分布，而纤维方向与拉拔荷载方向垂直时UHPFRC抗拉强度最小。Zhang等［11］通过数值模拟的方法进一步研究了纤维含量和分布方向对UHPFRC抗拉强度的影响，研究结果表明纤维分布方向对拉伸应力-应变关系、破坏模式以及界面之间的粘结滑移行为均有所影响，而且只有当纤维方向与拉伸法向分布合理时，纤维含量的增加才有助于增强UHPFRC的抗拉性能。

通过对上述研究现状的分析可知，关于不同纤维类型、用量以及分布方向对UHPFRC力学性能的研究得到了学者们广泛的关注。但目前关于不同纤维类型之间的横向对比还缺乏统一的认识，而且关于纤维类型、用量对UHPFRC抗渗性能的影响机理还未得到足够的关注。为此，本文开展了不同纤维类型及其用量对超高性能纤维加强混凝土力学性能和抗渗性能影响的研究。其中，纤维选取了金属纤维（钢纤维）、矿物纤维（玄武岩纤维）以及聚合物纤维（聚乙烯醇纤维）等3种典型纤维类型，三者的用量均为0，0.5%，1.0%，2.0%。

1 超高性能纤维加强混凝土材料的配置

本文配制UHPFRC的材料主要包括：波兰特水泥（CEMI 52.5N）、硅灰、碎石英粉、减水剂、细骨料、各种类型的纤维以及水。其中，波兰特水泥的比重和细度分别为3.15 g/cm3和365.0 m2/kg；硅灰的平均颗粒直径为8.0 μm，比表面积为17 000.0 m2/kg；碎石英粉的比重和细度分别为2.85 g/cm3和3 100.0 m2/kg；减水剂的型号为ViscoCrete-3425，密度为1.08 kg/L；细骨料的直径范围为0.15～4.75 mm，比重为2.60 g/cm3，细度模数为2.5；3种纤维的直径和长度均分别为15.0 μm和20.0 mm，力学属性见表1。UHPFRC的配比见表2，其中以每立方米混凝土中水泥质量为单位1，其余材料的配比参照水泥质量为依据。此外，为保证测试结果之间具有可对比性，本文所使用的试样均为同一批次浇筑。首先，将波兰特水泥、硅灰、碎石英粉、减水剂、细骨料以及水均匀地混合，之后在均匀混合的混凝土表面洒一层纤维并继续缓慢搅拌，直至纤维均匀地分布在混凝土中，重复上述步骤直至所有纤维被均匀掺杂在混凝土中，然后将混合好的纤维混凝土倒入立方体模具（150 mm×150 mm×150 mm）中，并用振动棒进行振动，去除纤维混凝土中的气泡。搅拌过程中并未观察到明显的纤维断裂现象。将盛有纤维混凝土的模具放在恒温（23 ℃）中静置24 h，之后将纤维混凝土脱模并放在（20±2）℃恒温、95%以上湿度条件下养护28 d。养护28 d后，150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体混凝土试样就被制备出。然后，按照GB/T 50107-2010《混凝土强度检验评定标准》［12］对3个未添加纤维的超高性能混凝土立方体（SY-1、SY-2和SY-3） 进行单轴抗压试验，立方体试样单轴抗压强度见表3。之后，为了评价超高性能混凝土的抗渗性能，通过钻取立方体试样，得到直径为50 mm、高度为100 mm的标准圆柱体试样。

2 试验方案及测试方法

2.1 力学参数测试方案及测试方法

首先，针对配置的立方体UHPFRC试样，利用压力试验机测试它们的单轴抗压强度，其中每种配比工况测试3个试样，共计30块立方体试样。在测试过程中，加载方式采用位移控制，加载速度为0.12 mm/min，直至UHPFRC试样发生宏观破坏，获得试样的单轴抗压强度及弹性模量，评价配制的UHPFRC试样力学性能。每种工况下测试的3块立方体试样的力学参数取平均值作为最终的结果。

2.2 抗渗参数测试方案及测试方法

为了满足渗透率测试设备的试验要求，需要将立方体UHPFRC试样钻取出50 mm×100 mm（直径×高度）的圆柱体试样，其中每个立方体试样可以钻取出4个标准圆柱体试样。每种工况配比测试3个圆柱体试样的渗透率，共计需要10个立方体试样。对每种工况下测试的3块圆柱体试样的渗透率，取平均值作为最终的结果。

由于UHPFRC属于致密性较好的材料，因此采用考虑Klinkenberg效应的瞬时脉冲法对混凝土试样的渗透率进行测量，见公式（1）。为了对比不同配比条件下UHPFRC圆柱体试样的抗渗性能渗透率，测试时所施加的围压水平以及试样上下游所施加气体压力均保持一致。详细过程如下：首先，将钻取的标准UHPFRC圆柱体试样包裹在胶皮套中，然后施加2.0 MPa的静水压应力，以避免试样与施加围压的液压油介质接触同时避免渗透率测量时漏气；其次，静水压力保持不变，在UHPFRC圆柱体试样的进出口分别注入应力为1.0 MPa的氮气，均匀充满试样；然后，将进口压力提高到1.5 MPa，在进口和出口之间施加0.5 MPa（ΔP0） 的压力梯度；采集系统自动采集进出口的压力变化，根据式（1）计算UHPFRC试样的渗透率。瞬态脉冲法测量渗透率原理见图1［13］。

式中：κ是混凝土试样的气体渗透率，m2；V1和V2分别表示试样上下游气体压力容器的体积，分别为0.45 L和0.15 L；L是试样的长度，m；μ和β分别表示气体的黏度系数和压缩系数，分别为1.89×10-5 Pa·s和0.99 Pa-1；A是试样的横截面面积，m2；Δti表示压力数据点采样的时间间隔，s；ΔPi是任意时间下试样上下游气体压力差值，MPa；ΔP0为试样上下游初始气体压力，为0.5 MPa。

3 试验结果及分析

3.1 UHPFRC力学性能

图2和图3给出了不同纤维类型（钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维）及不同纤维含量（0，0.5%，1.0%，2.0%）下UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量演化规律。试验结果表明：相较于无纤维增强的超高性能混凝土，添加钢纤维的UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量有了整体提升，且随着纤维含量的增加，单轴抗压强度和弹性模量逐渐增大；在0.5%，1.0%，2.0%钢纤维含量下，单轴抗压强度的提升率分别为10.63%，22.58%，42.26%，弹性模量的提升率分别为9.25%，14.12%，37.70%。出现这种现象的主要原因是由于钢纤维本身具有很高的强度（见表1），它可以延迟裂纹的扩展进程［14］，进而降低混凝土基体与钢纤维之间的应力，因此钢纤维的添加明显增加了UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量，且随着钢纤维含量的增加呈现出逐渐增大的趋势。相似的试验现象在Raheem等［1］的研究中亦被观察到，佐证了本文试验结果的合理性。

对于添加玄武岩纤维的UHPFRC，随着玄武岩纤维含量的增加，UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量呈现出逐渐下降的趋势，但相较于无纤维增强的超高性能混凝土，在0.5%，1.0%玄武岩纤维含量下UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量仅得到了稍微的提升，其中单轴抗压强度分别提升了6.92%，4.55%，弹性模量分别提升了8.86%，4.70%；但在2.0%玄武岩纤维含量下，单轴抗压强度和弹性模量却呈现出一定的弱化效应，其中单轴抗压强度下降2.67%，弹性模量下降3.51%。对于在0.5%，1.0%玄武岩纤维含量下UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量的提升，可能的原因是由于玄武岩纤维能够填充超高性能混凝土内部微裂纹、微孔隙［8］，并且能够起到连接微裂纹、微孔隙的作用，进而限制了轴向压力作用下UHPFRC试样的侧向变形，因此起到增强UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量的效应。Pickel等［15］的研究结果表明当玄武岩纤维含量超过最优水平后，混凝土内部包含的空气体积会随纤维含量的增加逐渐增多。这表明随着玄武岩纤维含量的继续增加，过多的玄武岩含量会导致水泥浆体与骨料之间形成空隙。而Mohammadhosseini等［16］的研究成果进一步表明水泥浆体与骨料之间差的胶结特性会弱化UHPFRC的力学特性。因此，随着玄武岩纤维含量的增加，UHPFRC内部会形成弱化区，导致UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量呈现出逐渐下降的趋势，甚至在2.0%玄武岩纤维含量下，UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量低于未添加纤维的超高性能混凝土。

对于添加聚乙烯醇纤维的UHPFRC，和添加玄武岩纤维的UHPFRC相似，随着聚乙烯醇纤维含量的增加，UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量呈现出逐渐下降的趨势，但相较于无纤维增强的超高性能混凝土，在0.5%聚乙烯醇纤维含量下，UHPFRC单轴抗压强度得到了4.64%的提升，而弹性模量得到了4.85%的提升。但在1.0%，2.0%聚乙烯醇纤维含量下单轴抗压强度和弹性模量却呈现出一定的弱化效应，其中单轴抗压强度下降幅度分别为0.68%，10.33%，弹性模量的下降幅度分别为2.20%，12.88%。在0.5%聚乙烯醇纤维含量下，UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量得到小幅度提升，这主要是因为低含量聚乙烯醇纤维的添加会在混凝土基体中形成网络，弥合裂缝并显著提高强度［17］，但随着聚乙烯醇纤维含量的增加，由于聚乙烯醇纤维自身强度就很低（见表1），且聚乙烯醇纤维具有较强的吸水性［18］，随着聚乙烯醇纤维含量的增加，更多的水分被吸收，从而使纤维与水泥基体之间产生更多孔隙［19］，导致1.0%，2.0%聚乙烯醇纤维含量下UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量低于无纤维增强的超高性能混凝土，并随含量的增加逐渐降低。相似的试验现象在Yan等［2］的试验研究中也观察到。

通过图2和图3可以看出，相同纤维含量下，添加钢纤维UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量明显高于添加玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的UHPFRC，而添加玄武岩纤维UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量略高于添加聚乙烯醇纤维的UHPFRC。出现这种现象的主要原因是由于钢纤维自身强度明显高于玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的强度，而玄武岩纤维自身的强度高于聚乙烯醇纤维的强度（见表1）。这表明钢纤维配置的UHPFRC相较于玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维配置的UHPFRC具有更好的抗压性能。

3.2 UHPFRC抗渗性能

图4给出了不同纤维类型（钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维）及不同纤维含量（0，0.5%，1.0%，2.0%）下UHPFRC的渗透率演化规律。试验研究结果表明：相较于无纤维增强超高性能混凝土的渗透率（7.45×10-18 m2），添加聚乙烯醇纤维的UHPFRC渗透率整体得到了明显的提升，其中在0.5%，1.0%，2.0%聚乙烯醇纤维含量下，渗透率分别为1.70×10-17，3.57×10-17，8.25×10-17 m2。这表明随着聚乙烯醇纤维含量的增加，UHPFRC的渗透率逐渐增大，抗渗性能逐渐弱化。出现这种现象的主要原因是聚乙烯醇纤维具有较强的吸水性［18］，随着聚乙烯醇纤维含量的增加，更多的水分被吸收，从而使纤维与水泥基体之间产生更多孔隙［19］，增加了孔隙之间的连通性，因此添加聚乙烯醇纤维UHPFRC的渗透率整体得到了明显提升，且随纤维含量的增加，渗透率提升效应更加明显。

对于添加玄武岩纤维的UHPFRC，渗透率呈现出随纤维含量增加而逐渐增大的趋势，但在0.5%玄武岩纤维含量下，UHPFRC的渗透率明显低于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率，而在2.0%玄武岩纤维含量下，UHPFRC的渗透率明显高于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率。出现这种现象的原因如3.1节中揭示玄武岩纤维含量对UHPFRC力学性能影响机理时所解释的，低含量玄武岩纤维能够起到填充超高性能混凝土内部微裂纹、微孔隙的效应［8］，因此渗透率会明显低于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率。但当玄武岩纤维含量超过最优水平后，混凝土内部包含的空气体积会随纤维含量的增加逐渐增多［15］，导致水泥浆体与骨料之间形成孔隙并相互沟通，因此增大UHPFRC的渗透率，弱化了抗渗性能。

对于添加金属纤维的UHPFRC，渗透率呈现出随纤维含量增加而逐渐减小的趋势，其中在0.5%，1.0%金属纤维含量下，UHPFRC的渗透率高于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率，而在2.0%金属纤维含量下，UHPFRC的渗透率低于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率。出现这种现象的原因可能是：金属纤维添加后，一方面，金属纤维与水泥基体之间会形成含有孔隙结构的软弱截面［19］，起到增大UHPFRC渗透率的效果；另一方面，金属纤维的添加会起到填充超高性能混凝土内部微裂纹、微孔隙的效应［8］，起到减小UHPFRC渗透率的效果。在这两方面相互竞争的机制之下，在低金属纤维含量添加下，金属纤维与水泥基体之间含有孔隙结构的软弱截面增大渗透率的效应占到主导作用，因此UHPFRC的渗透率高于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率。但随着金属纤维含量的增加，金属纤维填充超高性能混凝土内部微裂纹、微孔隙的效应逐步占据主导地位，因此添加金属纤维导致UHPFRC的渗透率逐步降低，并且在2.0%金属纤维含量下的UHPFRC渗透率呈现出低于未添加纤维超高性能混凝土的渗透率。试验结果与Li等［20］的研究结果相似，其中添加金属纤维混凝土的渗透率随金属纤维含量的增加而逐渐减小。

此外，从图4可以进一步看出，在相同纤维含量添加下，添加聚乙烯醇纤维的UHPFRC渗透率明显高于添加玄武岩纤维和金属纤维UHPFRC的渗透率。主要原因就是聚乙烯醇纤维具有较强的吸水性［18］，从而使纤维与水泥基体之间产生更多孔隙［19］，增加了孔隙之间的连通性，进而增加了UHPFRC的渗透率。

4 结 论

本文开展了不同纤维类型及不同纤维用量下UHPFRC力学性能（单轴抗压强度和弹性模量）和抗渗性能（渗透率）的演化规律研究，揭示了纤维类型和用量对UHPFRC力学性能和抗渗性能的影响机制，主要结论如下。

（1） 纤维类型对UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量有较大的影响。其中添加金属纤维UHPFRC的力学参数明显高于添加玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维UHPFRC的力学参数，这主要是由于钢纤维自身强度明显高于玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的强度。而添加聚乙烯醇纤维UHPFRC的渗透率明显高于添加金属纤维和玄武岩纤维UHPFRC的渗透率，其原因是聚乙烯醇纤维具有较强的吸水性，从而使纤维与水泥基体之间产生更多孔隙，增加了孔隙之间的连通性，进而增加了UHPFRC的渗透率。

（2） 由于钢纤维本身具有很高的强度，并且可以延迟裂纹的扩展进程，因此UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量随金属纤维含量的增加逐步增加；而由于混凝土内部包含的空气体积会随玄武岩纤维含量的增加逐渐增多，导致UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量随玄武岩纤维含量的增加逐渐下降，甚至出现低于未添加纖维混凝土的力学性能；同样，由于聚乙烯醇纤维自身强度较低，导致UHPFRC的单轴抗压强度和弹性模量随聚乙烯醇纤维含量的增加逐步下降，不过由于低含量聚乙烯醇纤维的添加会在混凝土基体中形成网络，弥合裂缝并显著提高强度，使得在0.5%聚乙烯醇纤维含量下，UHPFRC单轴抗压强度和弹性模量得到小幅度提升。

（3） 由于聚乙烯醇纤维具有较强的吸水性，使纤维与水泥基体之间产生更多孔隙，导致UHPFRC的渗透率随聚乙烯醇纤维含量的增加逐渐增大；而由于混凝土内部包含的空气体积会随玄武岩纤维含量的增加而逐渐增多，引起水泥浆体与骨料之间形成孔隙并相互沟通，导致UHPFRC的渗透率随玄武岩纤维含量的增加逐渐增大，但由于低含量玄武岩纤维能够起到填充超高性能混凝土内部微裂纹、微孔隙的效应，因此在0.5%玄武岩纤维含量下，UHPFRC的渗透率呈现低于未添加纤维混凝土渗透率的现象；同样，金属纤维的添加会起到填充超高性能混凝土内部微裂纹、微孔隙的效果，因此UHPFRC的渗透率随纤维含量增加而逐渐减小。

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（编辑：胡旭东）

Influence of fiber type and amount on mechanical properties and anti-permeability performance of UHPFRC

ZHANG Yan，WEN Hongping

（School of Engineering Management，Shanxi Vocational University of Engineering and Technology，Taiyuan 030036，China）

Abstract：

Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete （UHPFRC） has been applied to various fields of the construction industry，especially high-rise buildings，long-span bridges，submarine tunnels，etc.，due to its excellent mechanical properties and durability.For this，the effects of fiber type （basalt fiber，steel fiber，and PVA fiber） and their amount （0，0.5%，1.0%，2.0%） on the mechanical properties （uniaxial compressive strength，elastic modulus） and the anti-permeability performance （permeability） of UHPFRC were studied.The research results showed that：① The mechanical properties and the anti-permeability performance of UHPFRC composed of different fiber types are different.The mechanical parameters of UHPFRC with steel fiber are significantly higher than those of UHPFRC with basalt fiber and PVA fiber.The permeability of UHPFRC with PVA fiber is significantly higher than that of UHPFRC with steel and basalt fiber.② Within the scope of this study，the uniaxial compressive strength and elastic modulus of UHPFRC gradually increase with the increasing of steel fiber content，and the overall mechanical parameters are greater than those of the non-fiber concrete.With the increasing content of basalt fiber and PVA fiber，the uniaxial compressive strength and elastic modulus of UHPFRC decrease gradually.③ With the increasing content of PVA fiber and basalt fiber content，the permeability of UHPFRC gradually increases，while the permeability of UHPFRC gradually decreases with the increasing of steel fiber content.

Key words： Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete；basalt fiber；steel fiber；PVA fiber；mechanical property；anti-permeability performance

收稿日期：2022-04-18

基金項目：贵州省交通运输厅科技项目（2018-123-001）；山西长达交通设施有限公司技术研发项目（2021140711000066）

作者简介：张 妍，女，讲师，硕士，主要从事混凝土性能改进与提升方面的研究。E-mail：262128942@qq.com