程旭日

[元翔(福州)國際航空港有限公司,福建 福州 350200]

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種新型的混凝土材料,具有高強(qiáng)度、高韌性和長久耐用的特點(diǎn)[1]。在實(shí)際工程中,為了進(jìn)一步提升UHPC的性能,廣泛采用纖維摻入技術(shù)來增加強(qiáng)度和韌性。混雜纖維超高性能混凝土的力學(xué)性能不僅與材料組成相關(guān)[2],還受纖維尺寸等因素影響[3]。開展混雜纖維超高性能混凝土的力學(xué)性能研究,揭示不同摻量與長徑比下的力學(xué)性能響應(yīng)規(guī)律,對UHPC工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用意義。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對混雜纖維超高性能混凝土的力學(xué)性能等進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。在混雜纖維種類方面,通過研究,Karim等[4]發(fā)現(xiàn),將鋼纖維與尼龍、聚乙烯醇和碳纖維等混入時,構(gòu)件在撓度較大的情況下具有保持強(qiáng)度的能力。另外,Kang等[5]的研究表明,在混凝土中摻入1.0%鋼纖維和0.5%聚乙烯纖維時,能夠最有效地提高軸拉強(qiáng)度和軸拉變形性能。同月蘋等[6]、朱德舉等[7]研究表明,適量混入高彈性和低彈性纖維可以顯著提高力學(xué)性能,但摻入纖維含量過高的UHPC的力學(xué)性能可能會略微下降。楊益?zhèn)惖萚8]發(fā)現(xiàn),鋼纖維的摻入可改善UHPC強(qiáng)度高而脆性強(qiáng)的特性,提高UHPC抗斷裂性能。

在混雜纖維形狀方面,根據(jù)Ji等[9]的研究結(jié)果,異形鋼纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于平直鋼纖維,其中端鉤型鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度較平直鋼纖維提高了121%,表現(xiàn)最佳。Wu等[10]發(fā)現(xiàn),在相同摻量下,端鉤型鋼纖維相比直型鋼纖維和波紋型鋼纖維,能夠更有效地提高抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度以及與基體的黏結(jié)強(qiáng)度。此外,Park等[11]發(fā)現(xiàn),混合平直型、扭轉(zhuǎn)型和端鉤型鋼纖維具有更高拉伸應(yīng)力。林毅焌[12]發(fā)現(xiàn),直鋼纖維與弓形纖維混雜,可能會導(dǎo)致纖維分布得不均,其斷裂能甚至小于單獨(dú)摻加纖維的情形。不同形狀、不同摻量鋼纖維混入對UHPC性能的影響較為復(fù)雜,需要進(jìn)行進(jìn)一步探討。蘇家戰(zhàn)等[13]發(fā)現(xiàn),在鋼纖維總摻量不變的情況下,混雜短圓直和長圓直鋼纖維對UHPC材料的抗拉強(qiáng)度、初裂強(qiáng)度和彈性模量,均能達(dá)到正混雜效應(yīng);混雜不同長徑比的弓形鋼纖維,僅提高抗拉強(qiáng)度和彈模,對初裂強(qiáng)度沒有明顯的影響。

混雜纖維雖然已被廣泛應(yīng)用于混凝土中,纖維尺寸也是影響UHPC性能的重要影響因素,但目前研究少有關(guān)于混雜纖維長徑比與混雜纖維具體尺寸對混凝土性能影響的探討。為此,本文以混雜纖維摻量和長徑比為主要變化參數(shù),實(shí)施了實(shí)施17組不同配合比的立方體試件流動度試驗(yàn)與抗壓試驗(yàn),各組配合比分別在3、7、28 d的養(yǎng)護(hù)齡期制作6個有效試件,分析其流動度、抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo),以期揭示纖維摻量與纖維尺寸對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及基準(zhǔn)配合比

水泥為P.O型52.5級硅酸鹽水泥;硅灰采用Ⅱ級硅灰,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96%;粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰;石灰石粉,主要成分是重質(zhì)碳酸鈣;細(xì)集料采用粒徑0.4～0.6 mm的石英砂;減水劑采用聚羧酸型高效減水劑。2種纖維分別為鍍銅鋼纖維和聚甲醛纖維,纖維參數(shù)見表1所示,纖維尺寸如圖1所示。

(a) 0.2 mm直徑鋼纖維 (b) 0.2 mm直徑聚甲醛纖維 (c) 0.1 mm直徑聚甲醛纖維

表1 纖維參數(shù)

本文各試驗(yàn)組的基體配合比相同,如表2所示,根據(jù)試驗(yàn)可得,其28 d抗壓強(qiáng)度為104.0 MPa,28 d抗折強(qiáng)度為10.1 MPa。

表2 UHPC基體配合比

1.2 試件制備及加載

試件制備步驟如下:首先將所用的膠凝材料與細(xì)集料一并放入攪拌機(jī)攪拌2 min后,再將水和減水劑均勻混合后加入,攪拌5 min后,再加入纖維并繼續(xù)攪拌2 min,將攪拌完成的UHPC倒入已鋪好密封膜的早期自收縮模具中,置于恒溫恒濕室,待達(dá)到初凝時間后測試其早期自收縮。對于力學(xué)性能和干燥收縮試件,則將UHPC拌合物分層倒入模具后振搗,再覆膜養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,置于恒溫恒濕室養(yǎng)護(hù)。

測定拌合物的流動性,跳桌試驗(yàn)示意圖見圖2所示。力學(xué)性能試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[14-15]所述的方法進(jìn)行試驗(yàn)加載,使用2 000 kN電液伺服系統(tǒng)萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn),試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。按照上述成型方法澆筑試件,然后在澆筑后的24 h內(nèi)進(jìn)行拆模。將試件進(jìn)行不同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),包括3、7、28 d 3個齡期。每個齡期期間,制作6個有效試件。試驗(yàn)采用1.0 kN·s-1的速度荷載控制加載。

圖2 流動性試驗(yàn)圖

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

各試驗(yàn)組的鋼纖維與聚甲醛纖維摻量及長徑比如表3所示。其中:U0為沒有摻入纖維的原始組;A組的鋼纖維和聚甲醛纖維摻量不同,長徑比相同;B組試驗(yàn)摻入相同摻量和相同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維;C組試驗(yàn)比較了鋼纖維與聚甲醛纖維在固定摻量的情況,長徑比均一致,但尺寸不同;D組和E組將不同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維進(jìn)行混雜。表3中:VS為鋼纖維體積摻量;VP為聚甲醛纖維體積摻量;lS為鋼纖維長度;dS為鋼纖維直徑;lP為聚甲醛纖維長度;dP為聚甲醛纖維直徑;λS為鋼纖維長徑比,λS=lS/dS;λP為聚甲醛纖維長徑比,λP=lP/dP。

表3 各試驗(yàn)組混雜纖維主要參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流動性試驗(yàn)

2.1.1 不同摻量下UHPC流動度的變化規(guī)律

為了研究UHPC流動度在不同摻量下的變化規(guī)律,通過逐漸減少鋼纖維摻量并逐漸增加聚甲醛纖維摻量的方式進(jìn)行了5組試驗(yàn)。A1組:VS=2.0%,VP=0;A5組:VS=0,VP=2.0%;另外4組將不同摻量比例的鋼纖維和聚甲醛纖維混合摻入U(xiǎn)HPC中(表3)。

如圖3所示,UHPC的基準(zhǔn)組U0的流動度達(dá)到最大285 mm。添加2.0%的鋼纖維后,流動性下降18%。在UHPC的澆筑過程中,纖維會沿著基體流動方向垂直分布,給基體流動造成阻力,從而降低UHPC的流動性。此外,添加纖維后會以無序的方式分散在UHPC的基體中,形成一種骨架結(jié)構(gòu),改變了顆粒骨架的組織,進(jìn)一步削弱了UHPC的流動性。

組別

混雜纖維的總體積摻雜量保持在2.0%時,隨著鋼纖維含量的增加,UHPC的流動性呈下降趨勢。當(dāng)聚甲醛纖維的體積摻雜量為1.5%,鋼纖維的體積摻雜量為0.5%時,UHPC的流動性降低了9.0%。產(chǎn)生這種變化的原因可能是由于聚甲醛纖維的密度比鋼纖維小,更容易被分散到UHPC中,而鋼纖維在UHPC基體中產(chǎn)生骨架作用,不易分散。此外,基體內(nèi)部的水分容易吸附在鋼纖維表面,進(jìn)一步阻礙了基體的流動性。因此,在混雜纖維中增加聚甲醛纖維摻量更利于UHPC的流動性。

2.1.2 不同纖維長徑比下UHPC流動度的變化規(guī)律

根據(jù)圖4的結(jié)果顯示,鋼-聚甲醛混雜纖維的長徑比對UHPC混凝土的流動性有一定的影響。無論鋼-聚甲醛混合纖維的直徑是否相同,UHPC的流動性都會隨著長徑比的增加而逐漸降低。

組別

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 不同摻量下UHPC抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

為了研究UHPC抗壓強(qiáng)度在不同摻量下的變化規(guī)律,不同摻量下UHPC抗壓強(qiáng)度的變化情況如圖5所示。根據(jù)圖示結(jié)果可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,所有5組UHPC試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長的趨勢。纖維的添加使混凝土內(nèi)形成了亂向分布的纖維網(wǎng)格骨架,有效抑制了UHPC基體中裂紋的形成和擴(kuò)展,改善了其脆性狀態(tài),從而增強(qiáng)了UHPC的強(qiáng)度。

組別

各實(shí)驗(yàn)組中,2%鋼纖維摻入的UHPC具有最高的抗壓強(qiáng)度。在3、7、28 d時,與基準(zhǔn)組U0相比,其抗壓強(qiáng)度分別提高了53.0%、38.0%和32.0%。2.0%聚甲醛纖維摻入的UHPC抗壓強(qiáng)度的增長最低,3、7、28 d的強(qiáng)度分別增長了15.0%、3.1%和2.9%。在纖維總摻量相同的情況下,隨著鋼纖維的減少,抗壓強(qiáng)度也會下降[16-17]。鋼纖維在混凝土內(nèi)具有增強(qiáng)加固作用,從而提高了立方體試件的抗壓強(qiáng)度[18]。同時,聚甲醛纖維增加引入更多內(nèi)部的缺陷,反而降低環(huán)箍作用[19]。

2.2.2 不同纖維長徑比UHPC抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

B組試驗(yàn)中的纖維直徑都為0.2 mm,如圖6所示,鋼纖維與聚甲醛纖維混合后,試件的抗壓強(qiáng)度、纖維的長徑比和齡期有一定的關(guān)系。在試驗(yàn)組B1～B3中,鋼-聚甲醛混合纖維直徑均為0.2 mm,長徑比分別為60、80和120?？梢钥闯?隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,試件UHPC試件的3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢,并且都有不同程度的提高。當(dāng)鋼-聚甲醛雜化纖維的長徑比為60時,試件抗壓強(qiáng)度分別提高了34.0%、36.0%和24.0%。而當(dāng)長徑比為80時,試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了56.0%、45.0%和28.0%。當(dāng)鋼-聚甲醛混合纖維的長徑比為120時,試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了55.0%、47.0%和32.0%。然而,隨著齡期的增加,抗壓強(qiáng)度的增幅逐漸減小。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中,纖維和基體共同承擔(dān)荷載,而砂漿的強(qiáng)度和彈性模量會隨著齡期和水化程度的加深而逐漸增加,因此纖維對整體抗壓強(qiáng)度的影響會逐漸減弱[20-21]。

組別

在C1～C3試驗(yàn)組中,改變了纖維直徑,其中鋼纖維直徑為0.2 mm,聚甲醛纖維直徑為0.1 mm。如圖7所示,鋼-聚甲醛混合纖維的長徑比與UHPC試件的抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。鋼-聚甲醛混合纖維的長徑比分別為60、80和120,混合纖維的引入不會對基體的水化過程產(chǎn)生影響。根據(jù)UHPC的水化特性,抗壓強(qiáng)度隨時間的增加而增加,早期發(fā)展迅速,后期強(qiáng)度較高。具體而言,當(dāng)長徑比為60時,UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度最低,比基準(zhǔn)組提高了23.0%。而當(dāng)長徑比為120時,UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度最高,比長徑比為60時提高了11.0%。

組別

根據(jù)圖8中的結(jié)果,在長徑比相同的情況下,聚甲醛纖維的直徑對含有鋼-聚甲醛共混纖維的超高性能混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度影響很小?？紤]長徑比為60、80和120的鋼-聚甲醛混合纖維UHPC試樣,其抗壓強(qiáng)度隨著纖維長徑比的增加而增加,纖維長度的增加增強(qiáng)了纖維對超高強(qiáng)度混凝土的橫向約束,從而提高了其抗壓強(qiáng)度。

組別

可知,聚甲醛纖維直徑的變化對UHPC試樣的抗壓強(qiáng)度影響不大,鋼纖維對基體有明顯的增強(qiáng)作用,而聚甲醛纖維的增強(qiáng)作用并不明顯。當(dāng)相同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維混合時,只需考慮纖維的長徑比對抗壓強(qiáng)度的影響,可以不考慮纖維直徑和長度的影響。

3 抗壓試驗(yàn)分析

3.1 破壞模式分析

圖9為抗壓試驗(yàn)中的破壞模式比較,可以看出在抗壓試驗(yàn)過程中,未摻纖維的基準(zhǔn)組U0的破壞模式與摻入纖維的超高性能混凝土試件有明顯的差異。從圖9(a)看出,基準(zhǔn)組U0沒有摻入纖維,宏觀裂縫和貫通裂縫同時發(fā)生,表現(xiàn)出明顯的脆性破壞模式,出現(xiàn)剪切式剝落碎塊,破壞前出現(xiàn)起皮和板狀鼓起的跡象。從圖9(b)中可以看出,纖維的加入可以限制基體的破壞并提高其完整性,使得摻入纖維的UHPC試件的破壞模式變得更具有延性和韌性。纖維的加入抑制了微裂縫的形成,纖維的橫向約束效果也更加明顯,類似于箍筋的約束作用,核心混凝土的極限抗壓強(qiáng)度提高,試件的破壞主要是試件表面周圍混凝土的剝落[22]。在試件破壞后形成一些碎塊,但這些碎塊比未摻纖維基準(zhǔn)組的要小得多。

(a) 基準(zhǔn)組U0試件破壞形態(tài)(未摻纖維)

3.2 最佳配合比指標(biāo)分析

如前所述,在相同長徑比的情況下,纖維的直徑和長度對試件的抗壓強(qiáng)度影響不大。定義一個指標(biāo),即鋼纖維與聚甲醛纖維長徑比的差值,用來衡量兩者之間的差距。

3.2.1λS<λP時不同長徑比

進(jìn)行不同的長徑比的試驗(yàn),聚甲醛纖維和鋼纖維的長徑比差值λ0分別為20、40和60,鋼纖維的長徑比小于聚甲醛纖維。鋼-聚甲醛纖維混雜與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖10所示,在28 d的齡期下,λ0分別為20、40和60時,抗壓強(qiáng)度分別提升了25.0%、32.0%和26.0%。λ0為40時,UHPC試件的抗壓強(qiáng)度最大。

λ0

可以分析,在混雜不同長徑比的纖維時,短纖維在初始階段能夠抑制微裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展。當(dāng)微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫后,較長的纖維起到橋接和延伸的作用。這2種纖維的協(xié)同和互補(bǔ)作用顯著增強(qiáng)了UHPC材料的抗壓性能。然而,當(dāng)混雜的2種纖維的長徑比差值過大時,短纖維容易被拔出或拉斷,而長纖維則無法及時橋接宏觀裂縫,導(dǎo)致纖維的阻裂效果減弱。同時,當(dāng)長徑比差值過大時,纖維受到的“邊界效應(yīng)”更加明顯,從而導(dǎo)致UHPC材料的抗壓強(qiáng)度降低。另一方面,當(dāng)2種纖維的長徑比差值過小時,纖維容易形成團(tuán)塊,分布不均勻,形成纖維與基體間的低黏結(jié)強(qiáng)度界面,進(jìn)而降低UHPC的抗壓強(qiáng)度。

3.2.2 λS>λP時不同長徑比

UHPC的抗壓強(qiáng)度隨著長徑比的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。混雜纖維的長徑比差值對UHPC的抗壓強(qiáng)度影響很大。當(dāng)混雜纖維的長徑比差值過小時,纖維容易相互搭接,形成纖維團(tuán)聚,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的缺陷與孔隙。而當(dāng)混雜纖維的長徑比差值過大時,容易出現(xiàn)“邊界效應(yīng)”,纖維更容易旋轉(zhuǎn),使纖維的方向與受力方向垂直,從而減弱了纖維的阻裂作用,降低了UHPC材料的抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維混雜時,存在一個最佳的長徑比差值40,可以獲得最佳的抗壓強(qiáng)度。這也表明,在實(shí)現(xiàn)混雜纖維效益最大化的過程中,找到合適的長徑比差值是關(guān)鍵。只有在這個最佳長徑比差值下,才能實(shí)現(xiàn)混雜纖維所能發(fā)揮的最佳效果,并獲得最好的抗壓性能。

4 結(jié)論

通過對不同配合比的立方體試件流動度試驗(yàn)與抗壓試驗(yàn)研究與分析,探討了不同鋼纖維和聚甲醛纖維混雜摻量與長徑比對試件的流動度、抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)的影響,并總結(jié)規(guī)律。同時,通過試驗(yàn)現(xiàn)象分析鋼-聚甲醛混雜纖維超高性能混凝土破壞模式,選取2種纖維長徑比差值作為判斷最佳配合比的指標(biāo),得到試驗(yàn)組最佳配合比。得到以下結(jié)論:

1) 摻量對鋼-聚甲醛混雜纖維UHPC的性能有顯著影響。未摻纖維的基準(zhǔn)組流動性能最好,混雜纖維的性能優(yōu)于單一纖維的摻入。聚甲醛纖維摻量對UHPC的流動性能的提升有促進(jìn)作用,當(dāng)摻入1.5%聚甲醛纖維和0.5%鋼纖維時,UHPC的流動性受到的影響最小。鋼纖維摻量對UHPC的抗壓強(qiáng)度增加有積極作用,單獨(dú)摻入2.0%鋼纖維時的抗壓強(qiáng)度最高,比基準(zhǔn)組增加了32.0%,摻入聚甲醛纖維能改善UHPC的工作性能。

2) 混雜纖維的長徑比增大會降低UHPC的流動性,而直徑較小的聚甲醛纖維試驗(yàn)組展示了更好的流動性。對于鋼纖維與聚甲醛纖維長徑比為24 mm的混雜組合,相比基準(zhǔn)組,流動性降低了30.0%。在力學(xué)性能方面,UHPC的抗壓強(qiáng)度隨混雜纖維長徑比的增加而增加,達(dá)到最佳效果時的長徑比為120。此時,聚甲醛纖維的直徑對鋼-聚甲醛混雜纖維UHPC的抗壓強(qiáng)度影響較小。

3) 未摻纖維的試件破壞模式呈現(xiàn)脆性破壞,即宏觀裂縫和貫通裂縫同時存在。混雜纖維摻入后的超高性能混凝土試件的破壞模式變得更具延展性和韌性。纖維明顯起到橫向約束作用,抑制了微裂紋的形成,從而提高了試件的極限抗壓強(qiáng)度。

4) 對于鋼-聚甲醛混雜纖維UHPC材料,為獲得較好的延性和抗壓能力,可以對混雜纖維的長徑比進(jìn)行優(yōu)化。選擇2種纖維長徑比的差值作為指標(biāo),對比了不同的長徑比組合,鋼纖維與聚甲醛纖維的長徑比差值增加后,工作性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在鋼纖維和聚甲醛纖維摻量分別是2.0%以及1.0%時,當(dāng)長徑比差值為40時,流動性相比基準(zhǔn)組減弱了25.0%,抗壓強(qiáng)度最好,相比基準(zhǔn)組U0提升了36.0%。