淺析鋼纖維摻量對超高性能混凝土性能的影響

岳國柱

（上海浦興路橋建設工程有限公司，上海市 201210）

0 引 言

鋼纖維具有良好的強度和韌性，其被研究和摻入到超高性能混凝土中，用于改善混凝土的各項性能。因此，摻入多少鋼纖維成為了超高性能混凝土領域關注的一個重點，少摻，超高性能混凝土性能改善效果不顯著；多摻，不僅會產生相反的效果，而且可能出現某一項或幾項性能指標得到改善，而其它性能嚴重衰減的反作用。

因此，本文重點梳理近些年來國內關于鋼纖維摻量對超高性能混凝土各方面性能影響的研究成果，分析并總結出一些結論，協助行業從業人員洞悉研究方向、拓寬思路和借鑒應用。

1 摻量對拉伸與斷裂性能影響的研究分析

（1）拉伸性能

吳攀等人[1]通過測試拉伸超高性能混凝土構件過程中電阻率的變化情況，發現隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的電阻率呈現出降低趨勢，如鋼纖維摻量分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%時，對應超高混凝土試樣的電阻率分別為131.96 kΩ·cm、89.86 kΩ·cm、64.28 kΩ·cm、56.68 kΩ·cm、50.01 kΩ·cm，即導電性能提高。鋼纖維摻量的增加提高了拉伸強度和導電性能。胡翱翔等人[2]通過設計與成型“8”字型超高混凝土試件，采用加大端頭兩端提拉的方法，測試了不同鋼纖維摻量（0%~5%）超高性能混凝土材料的單軸拉力學性能，測試結果表明：隨著鋼纖維摻量增加，超高性能混凝土的抗拉強度、峰值應變計受拉韌性均逐步提高，且不影響其工作性能。

由相關研究成果可知，鋼纖維摻量的增加有助于提高超高性能混凝土的抗拉強度或拉伸強度。

（2）斷裂性能

楊益倫等人[3]用楔入劈拉試驗方法的研究結果表明，向超高性能混凝土中摻入鋼纖維會大幅提高其起裂韌度、失穩韌度和斷裂能，僅摻入1%的鋼纖維，就可以將超高性能混凝土的起裂韌度、失穩韌度和斷裂能分別提高到3.60倍、10.96倍和49.16倍；而且2%、3%、4%和5%摻量的測試結果表明：超高性能混凝土的起裂韌度、失穩韌度與斷裂能會隨著鋼纖維摻量增加而增大，只是當摻量增加到一定幅度后各項性能提高的幅度呈現出逐漸趨緩的趨勢。梁興文等人[4]開展配筋超高性能混凝土受彎性能試驗研究，發現當鋼纖維摻量從3%提高到5%時，UHPC梁純彎區段裂縫數量顯著減少，開裂荷載提高了6.0%～11%，增加鋼纖維摻量可改善超高性能混凝土的抗裂性能。

無論采用楔入劈拉試驗，還是受彎性能測試試驗，相關研究結果均表明摻入鋼纖維可以大幅提高超高性能混凝土的抗裂性能，同樣呈現出摻量增加，抗裂性能提高的規律。

2 摻量對抗壓抗折性能影響研究分析

李永等人[5]研究發現，當3%是鋼纖維摻量的臨界值，不足3%時，超高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度會隨著摻量增加而增大；當超過該值時，則會減小。孔德宇等人[6]設計與制備超高性能混凝土的過程中，發現鋼纖維影響超高性能混凝土抗壓、抗折強度的臨界摻量值是2.0%，即便再增加0.5%，即2.5%摻量，也會分別降低抗壓強度和抗折強度3.1%和5.3%。常新明等人[7]在研究自密實超高性能混凝土的過程中，發現微細鋼纖維摻量不超過1%時，其可以顯著提高超高性能混凝土的28 d抗壓強度，并有效改善混凝土的韌性，但超過該值時，其工作性能會顯著衰減，1%鋼纖維摻量的超高性能混凝土滿足不了自密實指標要求。徐魏魏等人[8]開展單軸受壓試驗，研究0%、1%和2%體積摻量鋼纖維對超高性能混凝土性能影響，同樣發現在該摻量范圍內，超高性能混凝土抗壓強度隨鋼纖維摻量增加而顯著增大，2.0%體積摻量試件的抗壓強度約為1.5%的1.5倍。仲從春等人[9]選取材質相同、體積摻量不同（0.5%～2.5%）的鋼纖維開展超高性能混凝土抗壓和抗折強度測試儀，試驗結果表明試件的抗壓強度隨著摻量的增加而增加，2.5%摻量超高性能混凝土試件的抗壓強度最高，≥130MPa；較基體混凝土，抗折強度也提高了82.55%。)。翟紅俠等人[10]研究了鋼纖維摻量對強度超過150 MPa且用作裝配式墻體材料超高性能混凝土的強度性能影響，發現當鋼纖維摻量由0.5%增加到2%時，其強度提升了37.5%）。杜任遠等人[11]交叉研究了不同尺寸超高性能混凝土試件在不同鋼纖維摻量條件下的抗壓強度，發現鋼纖維摻量對試件強度影響的規律與試件尺寸無關，且摻量為2%時，各尺寸試件的抗壓強度值達到最大，進一步增加摻量，如3%和4%，則強度值會有所衰減。

綜合分析研究結果，可知在一定摻量范圍內，鋼纖維可以提高超高性能混凝土的抗壓和抗折強度，但摻量超過一定的值時，這兩項性能指標均會衰減。

3 摻量對動態壓縮性能影響研究分析

焦楚杰等人[12]采用分離式霍普金森壓桿裝置探索了較大體積摻量（0%、3%、4%）鋼纖維對超高混凝土壓縮性能的影響情況，研究結果表明：鋼纖維超高強混凝土是應變率敏感材料，且當應變率超過敏感閥值后，鋼纖維超高強混凝土的強度、韌度與彈性模量都隨纖維體積率的增加而顯著提高。劉建忠等人[13]采用與焦楚杰相同的裝置（分離式霍普金森壓桿）系統性研究了不同鋼纖維體積摻量（0%、1.0%、1.5%和2.0%）的大摻量粉煤灰超高性能混凝土在多次沖擊壓縮作用下的動態力學行為，研究發現不僅摻入鋼纖維會顯著提高超高混凝土抗多次沖擊的能力，而且隨著鋼纖維摻量增加，其抵抗多次沖擊的能力也逐漸提高。仵鵬濤等人[14]發現增加鋼纖維摻量，可顯著提高超高性能混凝土的動態抗壓強度、峰值應變以及韌度等指標。

由此可見，鋼纖維可提高超高性能混凝土的壓縮性能，且摻入量越大，抗壓縮能力、抗沖擊能力越強。

4 結 論

通過與分析梳理鋼纖維摻量對拉伸與斷裂性能、抗壓抗折性能及動態壓縮性能等方面的研究成果，可得出以下結論：

（1）鋼纖維摻量的增加有助于提高超高性能混凝土的抗拉強度或拉伸強度、抗壓縮能力、抗沖擊等性能；

（2）超高性能混凝土抗壓強度和抗折強度受鋼纖維摻量影響大，在一定范圍內二者呈現正相關性；當超過某一臨界值或閾值時，表現為負相關。

當然，鋼纖維摻量對超高性能混凝土性能的影響遠不止前述幾類，如增加鋼纖維摻量可有效改善超高性能混凝土的干燥收縮，而且其摻量超過一定的臨界值時，干燥收縮的改善效果顯著提高[15]；又如由于超高性能混凝土流體屬于Bingham流體，隨著鋼纖維摻量的增加，纖維橋接作用越顯著，相應的顯著增大其屈服應力和塑性黏度。但鋼纖維分散性會隨著摻量增加而變差，當達到一定的臨界值時，會出現團聚或成團現象，進而降低了纖維的有效利用率[16]。