集束PBO纖維增強UHPC性能的研究

孫義牛，郭建好，管仁彪，宮 海

(智聚裝配式綠色建筑創(chuàng)新中心南通有限公司，江蘇 南通 226010)

超高性能混凝土(UHPC)是指以水泥、硅灰等活性摻合料、細(xì)骨料、高性能聚羧酸減水劑和高強度增強纖維等原料生產(chǎn)的水泥基材料。它具有高流動性，蒸汽養(yǎng)護后，壓縮強度能達(dá)到200 MPa以上。UHPC用于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，增強纖維使用高強度鋼纖維；用于外掛裝飾板時，增強纖維使用聚乙烯醇(PVA)纖維。GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》規(guī)定：鋼纖維需滿足直徑0.18～0.22 mm，長度12～16 mm，抗拉強度≥2 000 MPa。鋼纖維賦予UHPC超高強度和超高韌性，但是鋼纖維也存在問題。第一,鋼纖維容易生銹，構(gòu)件表面出現(xiàn)密密麻麻的銹點，表面被污染，不美觀;第二,鋼纖維容易刺傷人，安全性不佳;第三,在腐蝕性自然環(huán)境中，鋼纖維在UHPC構(gòu)件內(nèi)部，不會被腐蝕,但是當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)小裂縫時，內(nèi)部的鋼纖維極易被腐蝕，造成力學(xué)性能下降。PVA纖維耐腐蝕,也能對UHPC起到增強增韌的效果，但是其性能遠(yuǎn)不及鋼纖維，不能單獨用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且摻量過大時，會影響UHPC流動度。

聚對苯撐苯并雙惡唑(PBO)纖維被稱為“超級纖維”，具有耐酸耐堿耐腐蝕、超高強度、超高模量、超高耐熱性、超阻燃性。全世界目前只有日本東洋紡生產(chǎn)，商標(biāo)為“zylon”。各種常用增強纖維的拉伸性能如圖1所示，從圖中可以看出，PBO纖維拉伸強度大于5 000 MPa，彈性模量大于50 GPa，擁有最完美的力學(xué)性能。梁希鳳等[1]研究了單項PBO纖維片材增強混凝土的彎曲性能，發(fā)現(xiàn)PBO纖維體積含量達(dá)到1.35%時，彎曲強度為素混凝土的3.6倍，而且破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。屈慕超等[2]研究了PBO纖維與CF(碳纖維)協(xié)同增強混凝土的彎曲性能，發(fā)現(xiàn)PBO纖維和CF制作的片材協(xié)同增強混凝土，具有比單一纖維更好的彎曲強度和破壞吸收能。但是他們都是將PBO纖維制作成長度160 mm，寬度40 mm的單向單一片材，且對象都是素混凝土，沒有研究其工作性能和收縮性能。目前國內(nèi)還無人將PBO纖維應(yīng)用于UHPC。

本文研究了PBO纖維增強UHPC的工作性能、力學(xué)性能和收縮性能，并與鋼纖維增強UHPC和PVA纖維增強UHPC進(jìn)行了性能比較，分析了其作用機理，希望能將PBO纖維增強UHPC用于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

1 試驗

1.1 使用材料

試驗使用材料如表1所示。目前市售的東洋紡PBO纖維是復(fù)絲，它由幾百根直徑0.012 mm的單絲并合而成。如果直接摻入到UHPC中，流動性將非常差。為了同時保證材料的強度和流動性，將PBO纖維單絲用專用樹脂進(jìn)行集束加工，這樣攪拌時可以避免纖維束被破開。本試驗3種增強纖維的物性數(shù)據(jù)、PBO單絲的物性數(shù)據(jù)、預(yù)混料的配合比分別如表2、表3和表4所示。

圖1 各種纖維的拉伸強度與彈性模量Fig.1 Tensile strength and young’s modulus of various fibers

1.2 攪拌及養(yǎng)護方法

將預(yù)混料、減水劑和水投入到強制式攪拌機中，攪拌10 min，倒入纖維，攪拌5 min，保證纖維分散均勻。澆筑試塊成型后，在室溫20 ℃下，覆膜養(yǎng)護24 h，脫模，90 ℃蒸汽養(yǎng)護48 h(升溫和降溫速度均為15 ℃/h)。

表1試驗使用材料
Table1Laboratory materials

種類概要PII52.5水泥南京江南-小野田水泥廠30～50目細(xì)砂江西鄱陽湖湖砂50～100目細(xì)砂硅灰上海天愷940黑硅灰消泡劑南京四新G-20減水劑蘇州興邦PC-1060液體聚羧酸減水劑鋼纖維上海真強纖維有限公司PVA纖維日本可樂麗(kuraray)PBO纖維日本東洋紡水南京江寧區(qū)自來水,水溫20℃

表2三種增強纖維的物性
Table2Physical properties of three kinds of reinforcing fibers

纖維種類 廠家 密度/(g·cm-3)直徑/mm長度/mm拉伸強度/GPa彈性模量/GPa鋼纖維上海真強 7.85 0.2 15 2.0 200PVA纖維日本可樂麗 1.3 0.2 12 0.91 29集束PBO纖維日東紡 1.51 0.23 15 3.5 141

注：PVA纖維為日本可樂麗Ductal專用，型號為RF350×12 mm

表3PBO單絲的物性
Table3Physical property of PBO single fiber

物性參數(shù)數(shù)值 密度/(g·cm-3)1.54 直徑/mm0.012 拉伸強度/GPa5.8 彈性模量/GPa180 斷裂伸長率/%3.5 分解溫度/℃650 水含量/%2.0 LOI68

表4預(yù)混料的配合比
Table4Mix proportion of premix g

1.3 測試項目和試驗方法

測試項目、試塊尺寸及參考標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。初裂彎拉強度為三點抗彎測試中，曲線由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性時的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的強度。

表5測試項目、試塊尺寸及參考標(biāo)準(zhǔn)
Table5Test items, sample size and test standard

測試項目試塊尺寸 參考標(biāo)準(zhǔn) 流動度GB/T50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》 抗壓強度40mm×40mm×160mm 抗彎強度(三點)40mm×40mm×160mmGB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》 初裂彎拉強度40mm×40mm×160mm 收縮性100mm×100mm×515mmGB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 流動度

UHPC的施工性能由流動度來表征。UHPC要滿足澆筑要求，初始流動度必須大于250 mm。減水劑添加量與UHPC流動度的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，減水劑摻量大于21 kg/m3時，UHPC(1%集束PBO纖維)初始流動度大于250 mm，滿足規(guī)格值。減水劑摻量大于27 kg/m3時，UHPC(2%集束PBO纖維)初始流動度也無法滿足施工要求。此外，減水劑摻量越大，UHPC(2%鋼纖維)流動度增大明顯。減水劑摻量大于23 kg/m3時，UHPC(1.75%PVA纖維)初始流動度大于250 mm，滿足施工要求。綜上所述，體積摻入量一定時，流動度：UHPC(鋼纖維)>UHPC(集束PBO纖維)>UHPC(PVA纖維)，且集束PBO纖維摻量小于2%時，流動度能滿足施工要求。

UHPC的流動度與纖維的摻量和吸水率有關(guān)[3]。鋼纖維屬于金屬，具有很高的表面能和憎水性，吸水率近似為零。集束PBO纖維和Ductal專用的PVA纖維雖然也是憎水性纖維，但是本質(zhì)上是有機纖維，攪拌過程中，表面會吸附少量的拌合水，降低了流動度，纖維摻量變化對流動度影響相較于鋼纖維更大。

圖2 減水劑添加量-初始流動度關(guān)系圖Fig.2 Effect of water-reducing agent content on the initial fluidity

2.2 抗壓強度

各纖維增強UHPC的力學(xué)性能如表6所示。由表6可知，UHPC(1%集束PBO纖維)的抗壓強度大于180 MPa，滿足UHPC最高規(guī)格值。集束PBO纖維摻量越大，抗壓強度越小。UHPC(2%集束PBO纖維)的抗壓強度比UHPC(2%鋼纖維)低約20%，比UHPC(1.75% PVA纖維)高約40%。

鋼纖維屬于金屬纖維，是各向同性材料，在拉伸方向和壓縮方向上都具有超高的強度[3]。集束PBO纖維和PVA纖維同屬有機纖維，是各項異性材料，在拉伸方向上具有很高的強度，但在其他方向上強度則相對很低。從表2可知，集束PBO纖維的拉伸強度和彈性模量遠(yuǎn)大于PVA纖維，因此在壓縮方向上，集束PBO纖維抵抗變形的能力比PVA纖維更高。綜上所述，壓縮強度：UHPC(2%鋼纖維)≥UHPC(1%集束PBO纖維)≈UHPC(2%集束PBO纖維)≥UHPC(1.75%PVA纖維)。

2.3 抗彎強度

由表6可知，集束PBO纖維摻量越大，抗彎強度增大明顯，初裂彎拉強度不變，且遠(yuǎn)高于PVA纖維增強UHPC。UHPC(2%集束PBO纖維)與UHPC(2%鋼纖維)有同等的抗彎性能。

三點抗彎試驗中，纖維在彎曲方向上受到拉伸作用，且起主導(dǎo)作用。由表2可知，集束PBO纖維拉伸強度最大，其次是鋼纖維，PVA纖維最低。集束PBO纖維和PVA纖維同屬各向異性材料，只有拉伸方向的纖維起作用，因此抗彎強度：UHPC(2%集束PBO纖維)≥UHPC(1%集束PBO纖維)≥(1.75%PVA纖維)。鋼纖維屬于各向同性材料，各個方向的纖維均發(fā)揮抵抗作用。相同體積摻量下，發(fā)揮抑制變形作用的鋼纖維數(shù)量比集束PBO纖維更多，彌補了鋼纖維拉伸強度的不足。因此UHPC(2%鋼纖維)的抗彎強度與UHPC(2%集束PBO纖維)大致相等。

三點抗彎試驗中，初裂彎拉強度與纖維的種類和摻量無關(guān)，只與基體材料混凝土的抗壓強度有關(guān)，初裂抗彎強度應(yīng)與抗壓強度規(guī)律一致[4]。根據(jù)上述2.2抗壓強度的結(jié)論，初裂抗彎強度：UHPC(2%鋼纖維)≥UHPC(1%集束PBO纖維)≈UHPC(2%集束PBO纖維)≥UHPC(1.75%PVA纖維)。

表6各纖維增強UHPC的力學(xué)性能
Table6Mechanical properties of various fiber reinforced UHPC MPa

纖維摻量抗壓強度抗彎強度初裂彎拉強度2%鋼纖維22237.627.11.75%PVA纖維1251881%集束PBO纖維18524.221.92%集束PBO纖維17738.321.9

2.4 收縮性能

各纖維增強UHPC的收縮性能如表7所示。由表7可知，UHPC(1.75% PVA)的收縮率最大，UHPC(集束PBO纖維)與UHPC(2%鋼纖維)有同等的收縮率，且集束PBO纖維的摻量不影響收縮率。這是因為UHPC的收縮率與纖維的彈性模量有關(guān)。纖維的彈性模量越大，UHPC的收縮率越小。由表2可知，集束PBO纖維與鋼纖維的彈性模量是同等級，故兩者具有相同等級抑制收縮變形的性能，且兩者遠(yuǎn)大于PVA纖維。

表7各纖維增強UHPC的收縮性能
Table7Shrinkage properties of various fiber reinforced UHPC

纖維摻量一次養(yǎng)護(20℃,24h)/10-6二次養(yǎng)護(90℃,48h)/10-6總收縮率/10-62%鋼纖維2236268491.75%PVA纖維5513969471%集束PBO纖維2776008772%集束PBO纖維351513864

3 結(jié)論

集束PBO纖維克服了鋼纖維易生銹、安全性不高等缺點，同時力學(xué)性能大于鋼纖維和PVA纖維。本文用集束PBO纖維增強UHPC，考察了其工作性能、力學(xué)性能和收縮性能，并與UHPC(鋼纖維)、UHPC(PVA纖維)進(jìn)行了比較。結(jié)論如下：

(1) 集束PBO摻量越高，UHPC的流動性越低，摻量小于2%時，流動度大于250 mm，工作性能可以滿足施工要求。

(2) 相比于PVA纖維增強UHPC，集束PBO纖維增強UHPC具有更高的抗壓強度、抗彎強度和更低的收縮率，克服了PVA纖維增強UHPC力學(xué)性能不高等缺陷。

(3) 2%集束PBO纖維-UHPC與2%鋼纖維-UHPC具有同等的抗彎性能與收縮率，抗壓強度則比2%鋼纖維-UHPC低20%，具有一定的實用價值。