不銹鋼纖維對超高性能混凝土的性能影響研究

黃政宇，李旦

?

不銹鋼纖維對超高性能混凝土的性能影響研究

黃政宇，李旦

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 2. 綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082)

通過抗壓強度、抗折強度、彈性模量和荷載撓度曲線試驗，研究不銹鋼纖維對UHPC力學性能的影響；通過氯鹽浸泡干濕循環試驗，研究不銹鋼纖維和鍍銅鋼纖維對UHPC耐銹蝕性能的影響。實驗結果表明：不銹鋼纖維對UHPC的抗壓強度、抗折強度和彎曲韌性有顯著的改善作用；當不銹鋼纖維摻量為2%時，UHPC的抗壓強度最高；在滿足工作性能的前提下，不銹鋼纖維的摻量和長徑比越大，UHPC的抗壓強度、抗折強度越高，彎曲韌性越好；不銹鋼纖維的摻入，可提高UHPC的彈性模量；在氯鹽浸泡干濕循環條件下，摻不銹鋼纖維的UHPC幾乎不會發生銹蝕現象，而摻鍍銅鋼纖維的UHPC經過1次干濕循環后表面會出現銹漬，并隨著干濕循環次數的增加，摻鍍銅鋼纖維的UHPC表面會發生嚴重的銹蝕現象。

UHPC；不銹鋼纖維；力學性能；抗銹蝕性能

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一種具有高強度、高韌性、優異耐久性的混凝土[1?5]，其結構的主要特點是內部孔隙小，十分密實。但素UHPC仍是一種脆性材料，目前主要是通過摻入纖維來保證其超高的抗壓強度并提高其延性和韌性。纖維在UHPC中呈三維亂向分布，形成了纖維的“骨架”效應，能有效的抑制混凝土內部微裂縫的發展和宏觀裂縫的形成，因此能有效提高素UHPC的抗壓強度、彎曲韌性等性能[6?9]。鍍銅鋼纖維易銹蝕，在使用過程中，分布在UHPC表層的鍍銅鋼纖維十分容易發生銹蝕從而使UHPC表面會出現銹漬。如果將摻鍍銅鋼纖維的UHPC運用于海洋工程，UHPC會因鍍銅鋼纖維銹蝕從而影響耐久性；如果將摻鍍銅鋼纖維的超高性能混凝土制成預制裝飾面板，在長期使用的過程中，面板會因為鍍銅鋼纖維銹蝕而影響外觀，進一步會影響其服役壽命[10?11]；如果用聚乙烯纖維替代鍍銅鋼纖維，雖然能解決鍍銅鋼纖維銹蝕的問題，但研究發現聚乙烯纖維對UHPC力學性能的提高有限[12]。不銹鋼纖維與鍍銅鋼纖維相比除了具有耐高溫的特性外，最顯著的區別是不銹鋼纖維耐銹蝕性能好。如果將不銹鋼纖維摻入UHPC中能很好地改善其力學性能，并UHPC表層不易發生銹蝕。在一些特殊使用環境中如海洋工程，不銹鋼纖維可以替代鍍銅鋼纖維，改善鍍銅鋼纖維易銹蝕的缺陷，使UHPC具有更好的耐久性，并且在使用的過程中不易出現銹漬。因此，本文在目前國內外學者研究的基礎上，研究不銹鋼纖維對UHPC力學性能的影響，以及通過氯鹽溶液浸泡干濕循環試驗研究其耐銹蝕性能。這將從原材料的角度上既保證UHPC的超高抗壓度強度和優良韌性，又改善UHPC的耐銹蝕性能，從而提高其耐久性，對UHPC在海工結構中的應用以及將UHPC運用到外飾面薄板中具有十分重要的現實意義。

1 實驗

1.1 原材料

水泥，P.O.42.5級水泥；粉煤灰，深灰色粉末；硅灰，淺色粉末，SiO2含量大于91%，顆粒平均粒徑89 nm，比表面積1.85×104m2/kg；石英砂，20~40目；石英粉，白色粉末，325目，平均粒徑50.5 um，密度2.646 g/cm3；聚羧酸高效減水劑，減水率大于40%；304不銹鋼生產的不銹鋼纖維，端勾型，直徑0.2 mm，長度13，16和20 mm；高碳鋼生產的鍍銅鋼纖維，形狀、長度、直徑同不銹鋼纖維，纖維的成分如表1所示，纖維的形狀如圖1~2所示。

表1 纖維的化學成分

圖1 不銹鋼纖維的形狀

圖2 不銹鋼纖維的形狀

1.2 實驗方法

本文的配合比如表2所示，其中S0表示素UHPC。B代表摻不銹鋼纖維，F代表摻鍍銅鋼纖維，65，80和100表示長徑比；1，2和3分別表示纖維摻量為1.5%，2%和2.5%。

試件成型48 h后拆模，按熱水(溫度90 ℃)養護48 h后進行如下試驗。

1) 抗壓強度測定

試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，測試方法采用CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》[13]。

2) 彈性模量測定

試件為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，測試方法采用標準同上。

3) 抗彎強度測定

試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，測試方法采用標準同上。

4) 氯鹽浸泡干濕循環試驗

試件尺寸為150 mm×150 mm×20 mm，試件的配比為表2中的B80-2和F80-2，試件用氯離子濃度為3%的NaCl溶液浸泡4 d后，放置常溫干燥環境下4 d，8 d為1個循環周期。

表2 試驗配合比設計

2 結果與討論

試驗測定摻不銹鋼纖維和鍍銅鋼纖維UHPC試件的抗壓、抗彎強度以及彈性模量，測試結果見 表3。

2.1 不銹鋼纖維對UHPC的抗壓強度的影響

2.1.1 纖維長徑比對UHPC抗壓強度的影響

圖3表示不同長徑比的不銹鋼鋼纖維對UHPC抗壓強度的影響柱狀圖。從圖中可得到當不銹鋼纖維摻量為1.5%時，長徑比為65，80和100的抗壓強度分別為146，150和153 MPa，分別提高了16.8%，20%和22.4%，并隨著長徑比的增加抗壓強度有微小幅度的提高；當不銹鋼纖維摻量為2%時，具有類似的變化規律；當不銹鋼纖維摻量為2.5%時，長徑比為65，80和100的抗壓強度分別為167，171和168MPa，分別提高了33.6%，36.8%和34.4%，長徑比為100的抗壓強度比長徑比80的低。這表明，當不銹鋼纖維的摻量較小時，隨著長徑比的增加，UHPC的抗壓強度有微小幅度的提高，這主要是因為不銹鋼纖維在UHPC中可以阻止裂縫的發展；當不銹鋼纖維摻量超過一定量時，隨著長徑比的增加，UHPC的抗壓強度反而會降低，這主要是因為，隨著長徑比的增加UHPC的流動性下降，會出現纖維結團現象，使不銹鋼纖維在基體中的分布不均勻，降低纖維增強效率，從而降低不銹鋼纖維對UHPC抗壓強度的增強效果。

表3 UHPC抗彎、抗壓強度、彈性模量測試結果

圖3 不銹鋼纖維長徑比對UHPC抗壓強度的影響

2.1.2 纖維摻量對UHPC抗壓強度的影響

在熱養護條件下，不銹鋼纖維摻量對UHPC的抗壓強度影響如圖4所示。從圖中可知，當纖維長徑比為65和100時，UHPC的抗壓強度隨不銹鋼纖維摻量的增加而不斷增大，素UHPC的抗壓強度為125 MPa；當纖維摻量為1.5%時，UHPC的抗壓強度提高25%左右；當纖維摻量為2%時，UHPC的抗壓強度提高41%左右，當纖維摻量為2.5%時，UHPC的抗壓強度提高44%左右。這表明，不銹鋼纖維可以顯著提高UHPC的抗壓強度。主要是由于UHPC在受壓過程中，內部孔隙處和界面過渡區會產生應力集中，隨著荷載的增大會產生微裂縫并且裂縫會慢慢擴張形成主裂縫，從而使試件被壓壞；當UHPC加入不銹鋼纖維時，由于不銹鋼纖維的彈性模量和抗拉強度遠高于素UHPC，當UHPC產生裂縫時，裂縫處的不銹鋼纖維能阻止或削弱裂縫的不斷擴張從而提高UHPC的抗壓強度。

2.2 不銹鋼纖維對UHPC抗彎強度的影響

圖5為不同不銹鋼纖維摻量對UHPC抗彎強度的影響，從圖中可得，不銹鋼纖維的摻入對UHPC的抗彎強度有顯著的提高。當不銹鋼纖維摻量一定時，隨著長徑比的增大，UHPC抗彎強度有所提高，并且其增長幅度隨長徑比的增大而增加，不銹鋼纖維摻量為1.5%時，長徑比65，80和100的抗彎強度分別為20.6，21.1和23.6 MPa，增幅為0.5 MPa和2.5 MPa；當不銹鋼纖維摻量為2%時，長徑比65，80和100的抗彎強度分別為25.1，27.8和31.9 MPa，增幅為2.7 MPa和4.1 MPa；當不銹鋼纖維摻量為2.5%，具有類似的規律。這是因為不銹鋼纖維在UHPC中的橋接作用。試件在荷載的作用下，首先會在中間區域出現裂縫，當裂縫出現并向試件高度方向延伸時，不銹鋼纖維會阻礙裂縫的延伸，此時，彎拉應力主要由不銹鋼纖維承受，當不銹鋼纖維被拔出或拉斷時，裂縫會繼續延伸直至破壞。破壞時，試件并未被完全折斷，斷面內可以清晰看到被拔出的不銹鋼纖維。當纖維摻量一定時，隨著長徑比增加，不銹鋼纖維與UHPC之間的黏結性能越好，在荷載作用下，不銹鋼纖維越不易被拔出，從而提高了UHPC的抗彎強度。

圖4 不銹鋼纖維摻量對UHPC抗壓強度的影響

當長徑比一定時，隨著不銹鋼纖維摻量的增加，抗彎強度有十分明顯的提高。當不銹鋼纖維長徑比為80，摻量為1.5%，2%和2.5%的抗彎強度分別為21.1，27.8和33.6 MPa，較素UHPC的抗彎強度分別提高了80%，140%和190%。當不銹鋼纖維長徑比為100，摻量為2.5%時，實測UHPC抗彎強度為41.2 MPa，提高了250%；易知，隨著不銹鋼纖維摻量的增加，對UHPC抗彎強度有顯著的提高。這主要是由于當纖維摻量增大時UHPC內分布的不銹鋼纖維會更密集。在荷載的作用下出現裂縫時，裂縫處不銹鋼纖維分布更多，阻礙裂縫繼續沿試件高度方向延伸的能力越高，因此，UHPC的抗彎強度得到顯著的提高。

圖5 不銹鋼纖維對UHPC抗彎強度的影響

2.3 不銹鋼纖維對UHPC彈性模量的影響

圖6表示不銹鋼纖維對UHPC彈性模量的影響。從圖中可知，相同摻量不同長徑比的不銹鋼纖維UHPC彈性模量只有微弱的變化；隨纖維摻量的增加，UHPC的彈性模量也會增加。從圖中易得，素UHPC的彈性模量為45.3 MPa；當不銹鋼纖維摻量分別為1.5%，2%和2.5%時，彈性模量增長幅度均為3.3 MPa左右；摻不銹鋼纖維的UHPC可以看成由UHPC基體、骨料、孔隙和不銹鋼纖維組成的四相復合材料，其彈性模量主要和四相所占的比例有關系；因此，不同長徑比相同不銹鋼纖維摻量的UHPC彈性模量幾乎一致，而隨著不銹鋼纖維摻量的增大，彈性模量也會增大；由于不銹鋼纖維的占比較小，所以增長的幅度較小。

圖6 不銹鋼纖維對UHPC彈性模量的影響

2.4 不銹鋼纖維對UHPC彎曲韌性的影響

2.4.1 纖維長徑比對UHPC彎曲韌性的影響

圖7為不銹鋼纖維摻量為1.5%，長徑比分別為65，80和100時，UHPC荷載撓度曲線。根據CECS 13-2009對彎曲韌性進行評定，其結果表4所示。從表4可得，摻不同長徑比不銹鋼纖維UHPC的初裂強度很相近，主要是因為，初裂強度主要由素UHPC的彎拉強度決定，同一配比的素UHPC彎拉強度幾乎相等。在試驗過程中，初裂出現時，有微弱的吱吱聲，裂縫十分微小，從表4中可知，峰值強度隨長徑比的增大而增加，不銹鋼纖維摻量為1.5%，長徑比為65，80和100的UHPC比素UHPC的峰值強度分別提高了54.14%，68.41%和97%，這主要是因為不銹鋼纖維越長，不銹鋼纖維與UHPC的黏結長度越長，抗彎拉能力因此越高。從韌性指數來看，長徑比為80的UHPC和素UHPC相比，其5，10和20分別提高了4.88，8.43和14.24倍，當纖維長徑比為65和100時也具有類似的規律。顯然，不銹鋼纖維對UHPC的彎曲韌性有一個顯著的提高。當不銹鋼纖維摻量為1.5%時，長徑比為65，80和100的20分別為11.54，14.24和19.56，可得對于同一摻量的不銹鋼纖維，隨著長徑比增加，其彎曲韌性也將得到提高。不銹鋼纖維長徑比越大，UHPC的韌性越好，其原因也是因為纖維長度越長，裂縫處的不銹鋼纖維需要更大的外荷載作用才能被拔出，因此長徑比增大，韌性會提高。

圖7 纖維長徑比對UHPC荷載-撓度曲線的影響

表4 摻量1.5%的不銹鋼纖維UHPC試件韌性指數

2.4.2 纖維摻量對UHPC彎曲韌性的影響

圖8為長徑比為80，不銹鋼纖維摻量分別為1.5%，2%和2.5%時，UHPC荷載撓度曲線；表5為長徑比為80的不銹鋼纖維UHPC試件韌性指數。從中可得，不銹鋼纖維摻量越大，UHPC的韌性越好。從表5中可知，峰值強度隨不銹鋼纖維摻量的增加而增加，不銹鋼纖維長徑比為80，摻量為1.5%，2%和2.5%的UHPC比素UHPC的峰值強度分別提高了65.65%，97.15%和123.12%，這主要是因為不銹鋼纖維摻量越大，在滿足工作性能的前提下，UHPC試件內不銹鋼纖維分布的越多，試件的抗拉能力也越高。從韌性指數來看，摻長徑比為80，摻量為2%的不銹鋼纖維UHPC和素UHPC相比，其5，10和20分別提高了4.98，10.12和19.14倍，可見不銹鋼纖維對UHPC的彎曲韌性有顯著的提高。當不銹鋼纖維長徑比為80，摻量為1.5%，2%和2.5%的20分別為16.56，19.14和20.08，可得對于同一長徑比的不銹鋼纖維，隨著摻量增加，其彎曲韌性也將得到提高。

圖8 不銹鋼纖維摻量對UHPC荷載-撓度曲線的影響

2.5 不銹鋼纖維對UHPC銹蝕的影響

UHPC為了提高其韌性，往往通過加入纖維來達到需求。在UHPC中摻入鍍銅鋼纖維能大幅度提高其抗壓和抗彎強度，但分布在UHPC表面的鍍銅鋼纖維表面會發生銹蝕，從而產生肉眼可見的銹漬。UHPC致密的基體可對內部纖維能形成有效的保護防止銹蝕，纖維的銹蝕僅存在UHPC的表 層[14?16]。

表4 摻長徑比為80的不銹鋼纖維UHPC試件韌性指數

在UHPC中加入不銹鋼纖維，從上述實驗中可得知，其具有良好的力學性能。對分別摻入不銹鋼纖維和鍍銅鋼纖維的UHPC進行氯離子的干濕循環試驗，不斷統計UHPC表面肉眼可見的銹漬，對同一根纖維上的銹漬只計數1個，結果見表5所示，其中BF表示摻2%的不銹鋼纖維UHPC試件，TF表示摻2%的鍍銅鋼纖維UHPC試件。

表5 干濕循環實驗下UHPC銹漬統計

第1次干濕循環試驗后，摻鍍銅鋼纖維的UHPC表面就出現了銹漬。從表6可得，經過1次干濕循環后，表面出現了125點銹斑；經過2次干濕循環后，表面出現了250點銹斑；在第3次到11次干濕循環，試件表面的銹斑增長幅度減慢，在第9次干濕循環到第11次干濕循環試驗銹斑數沒有增長。這主要是因為，在試驗初期，UHPC表層分布的鍍銅鋼纖維在氯離子的作用下，表面的鈍化膜遭到破壞，Fe與H2O、O2發生反應產生銹漬。在后續的試驗中，可以看到已有的銹漬會沿纖維分布方向延伸并出現新的銹漬。當分布在表面的鍍銅鋼纖維銹蝕完后，銹漬數幾乎停止增長，這是因為UHPC十分密實，氯離子擴散系數低，一般只能滲透到UHPC表層。經過11次的干濕循環實驗后，摻鍍銅不銹鋼纖維UHPC表面的銹斑分布如圖9所示。摻不銹鋼纖維的UHPC在干濕循環實驗下沒有出現銹斑如圖10所示，主要是由于不銹鋼纖維中的鉻(Cr)會與腐蝕介質中的氧反應形成一層很薄的氧化膜，防止進一步的氧化，并且當氧化膜遭到破壞時，暴露出的鋼表面會重新形成這種“鈍化膜”，繼續起保護作用。

圖9 鍍銅鋼纖維UHPC經過11次干濕循環實驗后表銹漬分布

圖10 不銹鋼纖維UHPC經過11次干濕循環實驗后表銹漬分布

通過干濕循環試驗可知，摻不銹鋼纖維的UHPC與摻鍍銅鋼纖維的UHPC相比，具有良好的耐銹蝕性能，其表面幾乎不會發生銹蝕現象。

3 結論

1) 在UHPC中摻入不銹鋼纖維能顯著改善其韌性，纖維摻量為2%的UHPC較素UHPC的韌性指數5，10和20均大幅度提高。

2) 在同纖維摻量、同纖維長徑比，不銹鋼纖維和鍍銅鋼纖維均能顯著提高UHPC的抗壓、抗彎強度可認為不銹鋼纖維和鍍銅鋼纖維對UHPC抗壓和抗彎性能具有相同的改善作用。

3) 綜合考慮UHPC的抗壓強度、彎拉韌性等指標，對直徑為0.2 mm、長度為13~20 mm范圍內的不銹鋼纖維，最佳體積摻量為2%，最佳長度為16 mm。

4) 摻不銹鋼纖維的UHPC與摻鍍銅鋼纖維的UHPC相比，具有優良的抗銹蝕性能。

[1] Richard P, Cheyrezy M. Composition of reactive power concretes[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(7): 1501?1511.

[2] 高緒明. 鋼纖維對超高性能混凝土性能影響的研究[D].長沙: 湖南大學, 2013: 1?2. GAO Xüming. Research on the performance of UHPC with steel fiber[D].Changsha: Hunan University, 2013: 1?2.

[3] 史才軍, 肖江帆, 曹張, 等. 材料組成對UHPC性能的影響[J]. 硅酸鹽通報, 2013, 32(6): 1005?1011. SHI Caijun, XIAO Jiangfan, CAO Zhang, et al. Effects of UHPC constituents on its properties[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2013, 32(6): 1005?1011.

[4] Shi C J, WANG D H, WU L M, et al. The hydration and microstructure of ultra-high-strength concrete with cement-silica fume-slag binder[J]. Cement Concrete Composites, 2015, 61(10): 44?52.

[5] WANG C, YANG C H, LIU F, et al. Preparation of ultra- high performance concrete with common technology and materials[J]. Cement ＆ Concrete Composites, 2012, 34(8): 538?544.

[6] ZHAO S J, FAN J J, SUN W. Utilization of iron ore tailings as fine aggregate in ultra-high performance concrete[J]. Construction and Building Materials, 2013, 50(10): 540?548.

[7] ZHANG Y S, SUN W, LIU S F, et al. Preparation of C200 green reactive powder concrete and its static- dynamic behaviors[J]. Cement ＆ Concrete Composites, 2008, 20(9): 831?838.

[8] RONG Z D, SUN W, ZHANG Y S. Dynamic compression behavior of ultra-high performance cement based composites[J]. International Journal of Impact Engineering, 2010, 37(30): 515?520.

[9] Kim D J, Naaman A E, EI—Tawil S. Comparative flexural behavior of four fiber reinforced cementitious composites[J]. Cement ＆Concrete Composites, 2008, 30(10): 916?917.

[10] 劉斯鳳, 孫偉, 林瑋, 等. 摻天然超細混合材料高性能混凝土的制備及其耐久性研究[J]. 硅酸鹽學報, 2003, 31(11): 1080?1085.LIU Sifeng, SUN Wei, LIN Wei, et al. Study on the preparation and durability of high performance concrete mixed with natural superfine mixture[J].J Chin Ceram Soc, 2003, 31(11): 1080?1085.

[11] Yves F H, Paul B, Francois P, et al. Design and function of novel superplasticizers for more durable high performance concrete (superlast project)[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(10): 1197?1209.

[12] 黃政宇, 李操旺. 聚乙烯纖維對超高性能混凝土性能的影響[J]. 材料導報, 2014, 28(20): 111. HUANG Zhengyu, LI Caowang. The effects of polyethylene fiber on the properties of UHPC[J].Materials Review, 2014, 28(20): 111.

[13] CECS 13—2009, 纖維混凝土試驗方法標準[S]. CECS 13—2009, Standard test methods for fiber reinforced concrete[S].

[14] Hooton R D, Titherington M P. Chloride resistance of high-performance concretes accelerated curing[J]. Cement Concrete Research, 2004, 34: 1561?1567.

[15] Roux N, Andrade C, Sanjuan M A. Experimental study of reactive powder concretes[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 1996(2): 1?6.

[16] 安明喆, 楊新紅, 王軍民, 等. RPC 材料的耐久性研究[J]. 建筑技術, 2007, 38(5): 367?368. AN Minghe, YANG Xinhong, WANG Junming, et al. Study on durability of RPC materials[J]. Building Technology, 2007, 38(5): 367?368.

Study on the effect of stainless steel fiber on the performance of ultra-high performance concrete

HUANG Zhengyu, LI Dan

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province, Changsha 410082, China)

The article studied the influence of stainless steel fiber on the mechanical properties of UHPC through compressive strength, flexural strength, elastic modulus and load deflection curve test. The influence of stainless steel fiber and copper plated steel fiber on corrosion resistance of UHPC was studied through drying-wetting cycles test in chlorine salt. The experimental results show that the stainless steel fiber has a significant effect on improving the compressive strength, flexural strength and flexural toughness of UHPC. When the stainless steel fiber content is 2%, the compressive strength of UHPC is the highest. Under the premise of meeting the working performance, the larger the stainless steel fiber content and the aspect ratio, the higher the compressive strength and flexural strength of UHPC, the better the flexural toughness. The stainless steel fiber, can improve the elastic modulus of UHPC. In chloride immersion dry wet cycling experiment, adding stainless steel fiber UHPC hardly corrode. In contrast, copper plated steel fiber UHPC after one cycle of dry and wet surface will appear rust stains, and with the increase of cycle times, UHPC of steel fiber will have the phenomenon of serious corrosion.

UHPC; stainless steel fiber; mechanical properties; corrosion resistance

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.013

TU528

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0376 ? 08

2018?01?30

國家自然科學基金資助項目(U1305243)

黃政宇(1959?)，男，湖南湘潭人，教授，從事高性能混凝土的研究；E?mail：zyhuang@hnu.edu.cn

(編輯 涂鵬)