葉門康 林 東 劉冠升 郭武廣 吳瓊景

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司）

0 前言

隨著高性能混凝土制備技術(shù)的發(fā)展，一種新型的高技術(shù)材料--超高性能混凝土（簡稱UHPC）引起了學(xué)術(shù)界和工程界廣泛關(guān)注，其突出優(yōu)勢體現(xiàn)在強(qiáng)度與韌性的高度匹配。UHPC材料具有比強(qiáng)度高、荷載能力強(qiáng)，突出的抗彎、拉性能，超強(qiáng)的耐久性等優(yōu)異性能，能夠滿足土木建筑工程輕量化、大跨度、高耐久的要求，尤其適用于、國防、核電、海洋平臺(tái)、地下有限空間等特殊工程及新型結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新等需求。

周玉娟[1]等人在研究中指出UHPC中隨帶鉤鋼纖維的摻入量增加，力學(xué)性能得到顯著提高，但所制UHPC的工作性能會(huì)有所降低，這將會(huì)增加其在實(shí)際工程應(yīng)用中的泵送難度。張文峰[2]研究發(fā)現(xiàn)，活性粉末混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度會(huì)伴隨鋼纖維摻量的不斷增加而呈現(xiàn)出線性增大的規(guī)律。Kim等[3]對(duì)比了不同形狀鋼纖維拔出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鋼纖維–UHPC基體黏結(jié)強(qiáng)度由強(qiáng)至弱依次為扭轉(zhuǎn)型、端鉤型和平直型鋼纖維。

鋼纖維作為UHPC材料中常用的增強(qiáng)材料，對(duì)UHPC材料的性能有極大的影響，本實(shí)驗(yàn)從鋼纖維的規(guī)格出發(fā)，研究鋼纖維規(guī)格對(duì)UHPC材料性能的影響及規(guī)律，為UHPC材料配比的設(shè)計(jì)及其在工程上的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：華潤水泥（平南）有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)水泥。

減水劑：江蘇蘇博物新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。

硅灰：埃肯公司生產(chǎn)的920級(jí)硅灰

石英砂：粒徑16目～120目的級(jí)配石英砂

鋼纖維：抗拉強(qiáng)度為2900MPa的鍍銅鋼纖維，規(guī)格如表1所示。

表1 試驗(yàn)中涉及鋼纖維規(guī)格

1.2 試驗(yàn)方法

⑴試件成型：參照標(biāo)準(zhǔn)GBT31387-2015《活性粉末混凝土》，成型邊長為100mm的立方體抗壓試件，以及尺寸為100mm×100mm×400mm的抗折強(qiáng)度試件。

⑵強(qiáng)度檢測：參照標(biāo)準(zhǔn)GBT31387-2015《活性粉末混凝土》和GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

⑶拌合物坍落擴(kuò)展度性能檢測：參照GB/T 50080-2016《混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

⑷試件的養(yǎng)護(hù)：參照標(biāo)準(zhǔn)GBT31387-2015《活性粉末混凝土》對(duì)試件進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)。

1.3 配比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中采用相同的材料配比，只改變鋼纖維的規(guī)格類型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，具體配比如表2所示。試驗(yàn)過程中檢測其拌合物的坍落擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。

表2 試驗(yàn)配比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維規(guī)格對(duì)UHPC拌合物工作性能的影響

從圖1所示結(jié)果來看，鋼纖維的長徑比越大，在配比相同的條件下，所配制的UHPC拌合物的坍落度和擴(kuò)展度越小，但進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，拌合物的工作性能影響受鋼纖維的直徑影響更明顯，鋼纖維A和B的直徑相同，在相同質(zhì)量摻量下，長度更大的鋼纖維B坍落度及擴(kuò)展度均有所下降，但變化并不大；而相同長度的鋼纖維B和C，工作性能的差異相比A與B之間更為明顯。分析其原因：鋼纖維的長度越長，鋼纖維間的搭接成網(wǎng)更容易，但直徑較大時(shí)，鋼纖維剛度較大，在攪拌過程中不易變形，因此對(duì)工作性能的影響不會(huì)太大，而直徑變小，鋼纖維變得柔軟，在攪拌過程中的外加作用下，部分纖維間會(huì)搭接勾連，形成網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，直徑變小后，纖維的根數(shù)越多（經(jīng)估算，相同質(zhì)量摻量下，鋼纖維C的根數(shù)是鋼纖維B的1.5倍），所形成的纖維網(wǎng)絡(luò)更加密集，影響漿料的流動(dòng)，從而大幅度地降低了拌合物的工作性能。從圖2中各配比的拌合物狀態(tài)也能看出，鋼纖維的長徑比越大，對(duì)應(yīng)配比拌合物自然擴(kuò)展后，表面呈現(xiàn)出越多的團(tuán)狀物。

圖1 鋼纖維規(guī)格對(duì)UHPC拌合物坍落度及擴(kuò)展度的影響

圖2 摻入不同鋼纖維的UHPC拌合物狀態(tài)

2.2 鋼纖維規(guī)格對(duì)UHPC材料強(qiáng)度性能的影響

從強(qiáng)度的結(jié)果來看，所摻入的鋼纖維長徑比越大，試件的抗折強(qiáng)度越高，但抗壓強(qiáng)度則沒有相同規(guī)律，而是摻入鋼纖維B的配比最高。這是由于鋼纖維的規(guī)格對(duì)UHPC材料彎拉性能影響比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響更明顯。相同直徑下，鋼纖維的長度越長，在UHPC材料發(fā)生斷裂時(shí)鋼纖維拔出長度越長，拔出難度越大，因此UHPC材料斷裂時(shí)所需的能量越高，表現(xiàn)出抗折性能提高越大；而當(dāng)長度相同，鋼纖維的直徑越小，長徑比越大，相同摻比下，其數(shù)量越多，總的鋼纖維比表面積越大，內(nèi)部的鋼纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越密集，進(jìn)一步提高了UPHC材料的斷裂能，進(jìn)一步提高其抗折強(qiáng)度；但由于其同時(shí)會(huì)對(duì)UHPC工作性能及試件的成型密實(shí)度產(chǎn)生一定的影響，從而使其提升的幅度有所下降。

圖3 不同鋼纖維類型UHPC強(qiáng)度結(jié)果

鋼纖維的摻入，提高了UHPC材料的抗拉性能，因此在UHPC受壓過程中，鋼纖維提高了UHPC抗橫向形變能力，從而間接提高了UHPC材料的抗壓強(qiáng)度，因此，鋼纖維的長度變大（由鋼纖維A變成B），在提高UHPC材料抗折強(qiáng)度的同時(shí)也提高了其抗壓強(qiáng)度。但抗壓強(qiáng)度還受內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)鋼纖維的直徑變小（由鋼纖維B換成直徑更小的鋼纖維C），對(duì)UHPC材料的工作性能產(chǎn)生不良影響，從而導(dǎo)致試件的密實(shí)度下降，反而使UHPC材料的抗壓強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

⑴相同摻量下，摻入長徑比越大的鋼纖維，在配比不調(diào)整的條件下，UHPC材料的工作性能越差，而且，直徑越小，影響越明顯。

⑵相同摻量下，摻入長徑比越大的鋼纖維，UHPC材料的抗折強(qiáng)度越高。

⑶鋼纖維長徑比對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響并不是與抗折強(qiáng)度相一致，還需要考慮鋼纖維對(duì)UHPC材料的綜合影響。

⑷鋼纖維的規(guī)格選擇對(duì)UHPC材料性能有較大的影響，在進(jìn)行UHPC配比設(shè)計(jì)時(shí)需要引起重視，通過適當(dāng)?shù)倪x擇，可以實(shí)現(xiàn)在滿足性能要求的前提下，降低鋼纖維摻量，降低UHPC材料的成本，促進(jìn)UHPC材料的應(yīng)用。