鋼纖維直徑及組合對(duì)UHPC性能的影響

陳 競(jìng)，周紅梅，謝正元，彭昱翔，黃華甫

（1.柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

UHPC作為一種纖維增強(qiáng)型混凝土被廣泛應(yīng)用于橋梁、市政、建筑等工程中，與普通混凝土相比其膠凝材料用量、水膠比、骨料類型、摻雜纖維的種類等方面存在較大差異，具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的特點(diǎn)，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性[1-4].但目前而言，對(duì)于UHPC的研究不夠充分，導(dǎo)致其性能差異較大，應(yīng)用推廣緩慢[5].

由于不同原材料的種類及原材料的物理、力學(xué)性能的影響以及摻量的不同都會(huì)對(duì)超高性能混凝土的性能產(chǎn)生極大影響；鋼纖維作為主要原材料之一，其具有增強(qiáng)斷裂韌性、提高抗拉強(qiáng)度、阻止裂紋開裂的效果.鋼纖維的加入，阻止了混凝土裂縫的擴(kuò)展，試件受壓后整體性較好[6].岳國(guó)柱[7]的研究表明：鋼纖維的摻量與超高性能混凝土的各項(xiàng)性能呈現(xiàn)正相關(guān)性，但對(duì)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度而言，鋼纖維摻量具有使這兩項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到最高強(qiáng)度的臨界值.陳寶春等[8]的研究表明：鋼纖維摻量達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，抗壓強(qiáng)度及韌性的提高不大甚至降低，且鋼纖維的形狀、長(zhǎng)度、直徑等會(huì)對(duì)其增強(qiáng)增韌效果具有很大影響.高育欣等[9]的研究表明：不同尺寸的纖維混摻能互相牽制并阻礙其旋轉(zhuǎn)，增加工作性.

綜上所述，適當(dāng)鋼纖維的摻入可以改善混凝土的各項(xiàng)性能，但鋼纖維摻入的分布狀態(tài)、纖維間距、纖維摻量等具體機(jī)理影響的研究并不詳細(xì).根據(jù)董健苗等[10-13]對(duì)其機(jī)理的研究表明：鋼纖維具有復(fù)合增強(qiáng)與阻裂作用，在纖維間距相同下，增強(qiáng)效果與纖維直徑有關(guān)，并且鋼纖維的亂向分布效果低于順向排列，因此，傳統(tǒng)的復(fù)合理論不夠完善.在此基礎(chǔ)上選用4種直徑的鋼纖維，設(shè)計(jì)了不同鋼纖維直徑、直徑組合及摻量的22組試驗(yàn)，在干粉配比及水灰比都相同的條件下配制常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土，并進(jìn)行流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以研究不同直徑、直徑組合及摻量的鍍銅微絲鋼纖維對(duì)UHPC性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：柳州產(chǎn)P.O52.5普通硅酸鹽水泥，主要物理性能見表1.硅灰：半加密硅灰，灰色粉末，SiO2含量≥92%，比表面積23 m2/g.礦粉：柳州產(chǎn)S95粒化高爐礦渣粉.石英砂：SiO2含量≥99%，20～70目（0.850 mm～0.212 mm）連續(xù)集配石英砂.減水劑：聚羧酸減水劑，白色粉末，減水率≥30%.鋼纖維：選用4種不同尺寸的平直型鍍銅微絲鋼纖維，直徑分別為0.18 mm、0.22 mm、0.26 mm、0.30 mm，長(zhǎng)度都為13.00 mm，抗拉強(qiáng)度2 000 MPa，外形見圖1.

表1 水泥主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of cement

圖1 不同直徑平直型鍍銅微絲鋼纖維Fig.1 Different diameter flat copper plated microfilament steel fiber

1.2 試驗(yàn)方法

為研究鋼纖維直徑及摻量對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土性能的影響，利用相同配合比的UHPC干粉及水膠比，摻加不同大小直徑及摻量的鋼纖維進(jìn)行試驗(yàn)；為研究不同直徑鋼纖維復(fù)摻（組合）對(duì)UHPC性能的影響，將鋼纖維總體積摻量設(shè)定為2.0%，在4種鋼纖維中選擇直徑0.30 mm分別與直徑0.18 mm、0.22 mm進(jìn)行復(fù)摻試驗(yàn)，詳細(xì)配合比見表2.

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental mix design

1.3 試件制備及測(cè)試方法

攪拌前根據(jù)攪拌機(jī)的2/3體積容量換算原材料總質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量配合比計(jì)算各組分，并將各組分質(zhì)量稱量準(zhǔn)備，用水量按水膠比計(jì)算稱量.攪拌時(shí)，首先將所有干粉和水投入HJW-60單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)中，開機(jī)攪拌3 min，停機(jī)，投入備好的鋼纖維，重新開機(jī)攪拌2 min，完成UHPC拌合物的制備.

流動(dòng)度試驗(yàn)參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，采用上口內(nèi)徑70 mm，下口內(nèi)徑100 mm，高60 mm的截錐圓模，底板為500 mm×500 mm的玻璃板.將攪拌好的UHPC倒入截錐圓模并刮平，之后提起截錐圓模，讓UHPC在玻璃板上無(wú)擾動(dòng)自由流動(dòng)，流動(dòng)停止后測(cè)其擴(kuò)展度，如圖2所示.

抗折強(qiáng)度（如圖3所示）及抗壓強(qiáng)度（如圖4所示）試驗(yàn)按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，使用40 mm×40 mm×160 mm試模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)（如圖5所示）.

抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行，試模采用600 mm×196 mm軸向拉伸試模，在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試試件抗拉強(qiáng)度.

圖2 流動(dòng)度試驗(yàn)Fig.2 Fluidity test

圖3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.3 Flexural strength test

圖4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.4 Compressive strength test

圖5 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.5 Tensile strength test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋼纖維對(duì)UHPC流動(dòng)度的影響

2.1.1 單摻

通過試驗(yàn)測(cè)量不同摻量配合比流動(dòng)度發(fā)現(xiàn)，鋼纖維體積摻量為1.0%時(shí)，單摻4種直徑鋼纖維在漿體中都相對(duì)較為分散，對(duì)UHPC拌合物的流動(dòng)度基本不產(chǎn)生影響，特別是較小直徑鋼纖維在摻量不高的情況下，可在黏稠的UHPC漿體中順著流動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)，使得多數(shù)纖維的軸向與漿體流動(dòng)方向基本一致，對(duì)漿體流動(dòng)性影響較小；但隨著摻量的增加，鋼纖維在漿體內(nèi)相互交錯(cuò)形成的三維骨架增多，越密集，對(duì)漿體流動(dòng)的阻礙越大，且直徑越大，對(duì)流動(dòng)度的影響程度越大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.直徑0.30 mm鋼纖維對(duì)流動(dòng)度的影響更大，摻量分別增加到1.5%、2.0%、2.5%時(shí)，相對(duì)1.0%摻量的流動(dòng)度分別降低了1.8%、6.8%、13.9%.試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示.

表3 在各直徑及摻量下的流動(dòng)度Tab.3 Fluidity under each diameter and dosage mm

圖6 不同直徑鋼纖維單摻流動(dòng)度試驗(yàn)Fig.6 Single mixing fluidity test of steel fiber with different diameters

2.1.2 復(fù)摻

選擇鋼纖維總體積摻量2.0%的條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)基礎(chǔ)為直徑0.18 mm、0.22 mm兩種鋼纖維，分別按25.0%、50.0%、75.0%的比例復(fù)摻直徑0.30 mm鋼纖維，然后與之單摻的流動(dòng)度進(jìn)行比較，當(dāng)摻入比例小于50.0%，復(fù)摻鋼纖維的流動(dòng)度均大于單摻鋼纖維的流動(dòng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4.其中，直徑0.30 mm鋼纖維占比25.0%的提升幅度最大，相對(duì)單摻0.18 mm、0.22 mm的UHPC漿體，流動(dòng)度分別提升了2.5%、2.2%；但隨著0.30 mm鋼纖維摻量的增大，其在漿液中形成剛度較高的交聯(lián)鋼纖維網(wǎng)，降低了漿液的流動(dòng)度，摻量100%時(shí)，降幅分別為6.1%、4.7%.測(cè)量數(shù)據(jù)如圖7所示.

表4 不同鋼纖維直徑組合的流動(dòng)度Tab.4 Fluidity of different combinations of steel fiber diameters mm

圖7 不同直徑鋼纖維復(fù)摻流動(dòng)度試驗(yàn)Fig.7 Fluidity test of steel fiber mixed with different diameters

2.2 鋼纖維對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.1 鋼纖維直徑及摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

鋼纖維摻量不超過2.0%時(shí)，單摻入直徑為0.22 mm、0.26 mm、0.30 mm的鋼纖維，多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其試塊28 d抗壓強(qiáng)度隨著纖維直徑的增加而逐漸降低，表明在一定摻量范圍內(nèi)，鋼纖維體積摻量一致時(shí)，隨著直徑的增加，個(gè)體鋼纖維的總數(shù)量相應(yīng)減少，UHPC基體中鋼纖維間距增大，鋼纖維對(duì)基體的約束阻裂作用降低，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，見表5.從表5還可以看出，所有摻量中除單摻直徑0.18 mm鋼纖維試件28 d抗壓強(qiáng)度低于單摻直徑0.22 mm鋼纖維試件抗壓強(qiáng)度外，摻加其他直徑鋼纖維抗壓強(qiáng)度卻與“隨著直徑增加而降低”的規(guī)律相悖，這表明過細(xì)直徑不利于鋼纖維對(duì)超高性能混凝土基體的增強(qiáng).

表5 不同直徑鋼纖維單摻及復(fù)摻的混凝土抗壓強(qiáng)度Tab.5 The compressive strength of concrete mixed with steel fiber of different diameters

2.2.2 不同直徑的鋼纖維組合對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)鋼纖維總體積摻量為2.0%的條件下，將直徑0.30 mm鋼纖維分別按25.0%、50.0%、75.0%的比例替換直徑為0.18 mm和0.22 mm鋼纖維，將復(fù)摻纖維與單摻纖維的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，見表5試驗(yàn)數(shù)據(jù).由圖8可以看出，摻入復(fù)摻鋼纖維試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)于單摻鋼纖維各組試塊均有不同程度提高，還大幅縮小了抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，均勻性得到提高.復(fù)摻增強(qiáng)效果對(duì)于單摻直徑0.18 mm以及單摻直徑0.30 mm鋼纖維的UHPC試塊尤為明顯.直徑0.30 mm鋼纖維彌補(bǔ)了單摻直徑0.18 mm鋼纖維復(fù)合增強(qiáng)作用有限的不足，同時(shí)直徑0.18 mm鋼纖維彌補(bǔ)了單摻直徑0.30 mm鋼纖維導(dǎo)致纖維間距過大的缺陷，兩者復(fù)摻獲得了良好的耦合效應(yīng).

圖8 不同直徑鋼纖維復(fù)摻的抗壓強(qiáng)度Fig.8 The compressive strength of concrete single mixed with steel fibers of different diameters

2.2.3 鋼纖維直徑對(duì)摻量的影響

如表5所示，摻不同直徑鋼纖維的UHPC試塊28 d抗壓強(qiáng)度，基本都隨著鋼纖維體積摻量的增加而增加.單摻直徑0.18 mm鋼纖維抗壓強(qiáng)度：當(dāng)體積摻量超過1.5%之后，繼續(xù)提高鋼纖維摻量，強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯；體積摻量由1.5%提升至2.0%，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)3.2%；體積摻量由2.0%提升至2.5%，抗壓強(qiáng)度僅增長(zhǎng)1.4%.單摻直徑0.30 mm鋼纖維試塊抗壓強(qiáng)度：體積摻量從1.0%提高至2.5%，抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了13.9%、6.7%、5.2%，其抗壓強(qiáng)度都隨著鋼纖維摻量的提高而獲得較明顯的增長(zhǎng).此結(jié)果表明：當(dāng)鋼纖維間距達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)，繼續(xù)提高鋼纖維摻量也不會(huì)使UHPC的強(qiáng)度獲得增長(zhǎng).

同體積摻量條件下，直徑0.30 mm鋼纖維的單根總數(shù)量?jī)H為直徑0.18 mm鋼纖維單根總數(shù)量的60.0%，其纖維間距大幅提高，達(dá)到纖維間距閾值的體積摻量也相應(yīng)提高，顯示鋼纖維間距相同時(shí)，鋼纖維對(duì)基體的增強(qiáng)作用與直徑成正比，鋼纖維的有效摻量上限與直徑成正比.

2.3 鋼纖維對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響

2.3.1 單摻

不同直徑鋼纖維的UHPC試塊28 d抗折強(qiáng)度，隨著鋼纖維摻量的增加而提高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6.摻量低于1.5%，不同直徑對(duì)UHPC試塊抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度相近；摻量由1.5%提高至2.0%，不同直徑抗折強(qiáng)度的增幅分別為5.4%、7.2%、10.1%、12.9%；由2.0%提高至2.5%，增幅分別為2.5%、4.0%、5.9%、8.3%；可以看出，摻量達(dá)1.5%以上時(shí)，鋼纖維摻量對(duì)UHPC試塊抗折強(qiáng)度的提升幅度表現(xiàn)出與鋼纖維直徑成正比的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示.

表6 各直徑鋼纖維在不同摻量下的抗折強(qiáng)度Tab.6 Flexural strength of steel fibers of various diameters under different dosages MPa

圖9 不同直徑鋼纖維單摻抗折強(qiáng)度Fig.9 The flexural strength of concrete single mixed with steel fibers of different diameters

2.3.2 復(fù)摻

鋼纖維總摻量設(shè)定為2.0%，分別以直徑0.18 mm、0.22 mm鋼纖維為基礎(chǔ)復(fù)摻直徑0.30 mm鋼纖維，隨著復(fù)摻中0.30 mm鋼纖維占比的提高，UHPC抗折強(qiáng)度也分別從31.5 MPa、32.6 MPa提高至34.9 MPa，見表7試驗(yàn)數(shù)據(jù).同時(shí)可得出直徑越小，提高鋼纖維摻量對(duì)于UHPC試塊抗折強(qiáng)度的增幅越小，且通過增加鋼纖維摻量來(lái)提高UHPC抗折強(qiáng)度的摻量上限也越低，復(fù)摻鋼纖維UHPC的抗折強(qiáng)度如圖10所示.

表7 各鋼纖維直徑組合的抗折強(qiáng)度Tab.7 Flexural strength of each steel fiber diameter combination MPa

圖10 不同直徑鋼纖維復(fù)摻抗折強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.10 The flexural strength of concrete mixed with steel fibers of different diameters

2.4 鋼纖維對(duì)UHPC抗拉強(qiáng)度的影響

2.4.1 單摻

直徑0.18～0.30 mm鋼纖維在相同摻量下，UHPC試件的抗拉強(qiáng)度隨著直徑的增大而降低，見表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)；在鋼纖維摻量1.0%～2.5%的范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度隨著摻量的增加而提高，在摻量超過2.0%后，提高的幅度開始減小，2.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為12.8 MPa、12.6 MPa、12.2 MPa、11.4 MPa，不同直徑鋼纖維單摻的抗拉強(qiáng)度如圖11所示.

表8 各直徑鋼纖維在不同摻量下的抗拉強(qiáng)度Tab.8 Tensile strength of steel fibers of different diameters under different dosages MPa

圖11 不同直徑鋼纖維在不同摻量下的抗拉強(qiáng)度Fig.11 Tensile strength of steel fibers of different diameters with different contents

2.4.2 復(fù)摻

摻入總體積2.0%的復(fù)摻纖維時(shí)，隨著直徑0.30 mm鋼纖維在直徑0.18 mm及0.22 mm鋼纖維中占比的提升，抗拉強(qiáng)度逐漸從12.1 MPa及11.8 MPa降低至10.3 MPa（圖12），說(shuō)明當(dāng)UHPC摻入平直型鍍銅微絲鋼纖維時(shí)，抗拉強(qiáng)度的提高主要靠UHPC漿料與鋼纖維的粘結(jié)力，同摻量條件下，鋼纖維直徑越大，比表面積越小，粘結(jié)力也越小，不利于抗拉強(qiáng)度的提高，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9.

圖12 不同直徑鋼纖維復(fù)摻的抗拉強(qiáng)度Fig.12 Tensile strength of steel fiber mixed with different diameters

表9 各鋼纖維直徑組合的抗拉強(qiáng)度Tab.9 Tensile strength of each steel fiber diameter combination MPa

3 結(jié)論

1）UHPC流動(dòng)度與鋼纖維直徑及摻量呈負(fù)相關(guān)性.單摻時(shí)，直徑0.18 mm及0.30 mm鋼纖維摻量從1.0%增加到2.5%，流動(dòng)度降幅分別為6.7%、13.9%；復(fù)摻時(shí)，隨著直徑0.30 mm鋼纖維占比提高，流動(dòng)度先增大后減小，在25.0%摻量時(shí)增幅最大，為2.5%；之后流動(dòng)度開始下降，最大降幅為6.1%.

2）隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度都逐漸增大，其最大分別為173.5 MPa、37.8 MPa、12.8 MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，最低為7.4 MPa.

3）隨著鋼纖維直徑的增大，UHPC抗折強(qiáng)度逐漸提高，最高為37.8 MPa；抗拉強(qiáng)度逐漸降低，最低為7.1 MPa；抗壓強(qiáng)度在摻量從1.0%提升至2.0%的過程中呈降低趨勢(shì)，超過2.0%后，呈升高趨勢(shì)，最大值為173.5 MPa.

4）綜合UHPC流動(dòng)度、力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性，建議UHPC中鋼纖維直徑為0.22 mm，摻量為1.5%～2.0%.