鋼纖維形狀對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響

王 歡

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200031）

0 引言

摻有一定比例鋼纖維或有機(jī)纖維的超高性能混凝土（UHPC）是近年來混凝土發(fā)展的重要方向之一，是一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。纖維是提高UHPC性能的關(guān)鍵材料，能使其具有超高強(qiáng)、高韌、高耐久性能，已經(jīng)在公路工程、橋梁工程等多項(xiàng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著UHPC研究的發(fā)展，鋼纖維的形狀種類也逐漸增多，其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響已成為研究的主要方向。梁興文等[4]研究了長、短鋼纖維對(duì)UHPC受彎力學(xué)性能的影響，得出長、短鋼纖維在一定搭配比例下的UHPC比單一型UHPC的抗折強(qiáng)度高。陳從春等[5]研究了鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，得出了鋼纖維在一定摻量下對(duì)混凝土力學(xué)性能有很大提高作用的結(jié)論。

近年來，也有諸多學(xué)者通過對(duì)鋼纖維進(jìn)行改性來提高混凝土力學(xué)性能。張麗輝等[6]研究了鋼纖維在磷酸鋅改性下對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明改性鋼纖維能使UHPC的單軸拉伸性能有很大的提高。也有學(xué)者通過探尋鋼纖維和骨料粒徑的關(guān)系，來提高混凝土的力學(xué)性能[7]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響已有不少研究成果，但關(guān)于鋼纖維形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能影響方面的研究相對(duì)較少。為了進(jìn)一步分析鋼纖維形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，本文選用平直形、扭曲形和彎鉤形3種形狀的鋼纖維進(jìn)行混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，以期為超高性能混凝土的力學(xué)性能研究發(fā)展提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 UHPC原材料

UHPC由水泥、硅灰、水、細(xì)集料和鋼纖維等組成。水泥選用P·O 52.5級(jí)水泥，比表面積為373 m2/kg。硅灰中SiO2含量93%，比表面積28 000 m2/kg。細(xì)集料選用潔凈的河砂，最大粒徑為1.25 mm。減水劑采用高性能聚羧酸減水劑，減水率大于30%。鋼纖維選用鍍銅鋼纖維，等效直徑0.2 mm，長度13 mm，形狀分別是平直形、扭曲形、彎鉤形3種。鋼纖維外形見圖1。試驗(yàn)所用的超高性能混凝土配合比見表1。

試驗(yàn)采用60 L標(biāo)準(zhǔn)臥軸式攪拌機(jī)。在最初的試驗(yàn)過程中，采用一次性投料的方式進(jìn)行混凝土的攪拌，發(fā)現(xiàn)鋼纖維在試驗(yàn)拌和過程中容易結(jié)團(tuán)，影響混凝土的均勻性和力學(xué)性能，所以改變投料方式，先將除鋼纖維之外的所有材料加入攪拌機(jī)中，等到漿體出現(xiàn)后，采用9 mm的篩網(wǎng)將鋼纖維分散投入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間5 min以上，出料。

1.2 試件成型

混凝土直接澆筑成型。在澆筑過程中，澆筑的方式和速度應(yīng)保持一致，以消除鋼纖維排布因素的影響。用每種形狀的鋼纖維各成型10組UHPC試件。成型好的試件在室溫下放置24 h后脫模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×100mm,抗折強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

圖1 3種鋼纖維外形

表1 超高性能混凝土配合比

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照 T/CBMF37—2018/TCCPA7—2018[8]的要求，選用YAW4306型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試UHPC試件的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)加載速度0.8 MPa/s。抗壓試驗(yàn)機(jī)及試件外形見圖2。

圖2 抗壓試驗(yàn)機(jī)及試件外形

按照GB/T50081—2002[9]的要求，采用YAM-200型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行UHPC試件的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率0.1 MPa/s。抗折試驗(yàn)機(jī)及試件外形見圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3種形狀鋼纖維對(duì)應(yīng)的UHPC試件抗壓、抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表2。

圖3 抗折試驗(yàn)機(jī)及試件外形

表2 3種形狀鋼纖維對(duì)應(yīng)的UHPC試件抗壓、抗折強(qiáng)度

2.1 鋼纖維形狀對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

在抗壓試驗(yàn)過程中，從外觀看試件的破壞形狀呈現(xiàn)一致，側(cè)面都有崩壞性的裂紋，但都沒有完全斷裂散開，而是由鋼纖維相互連接在一起，試件都比較完整。由表2可以看出：3種鋼纖維都可使試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到150 MPa左右，其中摻平直形鋼纖維試件的表現(xiàn)最好，有80%的試件可以達(dá)到150MPa，并且有40%的試件可以突破160MPa；摻扭曲形鋼纖維試件的抗壓強(qiáng)度有60%可以達(dá)到150 MPa，20%可以突破160 MPa；摻彎鉤形鋼纖維試件只有40%可以達(dá)到150 MPa，10%達(dá)到160 MPa以上，其中還有10%跌到了130 MPa。可以判斷出彎鉤形鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不是很穩(wěn)定，數(shù)據(jù)偏差較大。王強(qiáng)的研究[10]表明，不同的澆筑方向會(huì)對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響，而且存在明顯的線性關(guān)系。那么造成混凝土抗壓強(qiáng)度不穩(wěn)定的因素有可能是鋼纖維的外形對(duì)混凝土攪拌和澆筑成型過程產(chǎn)生了一定的影響，具體原因需要進(jìn)一步的研究。但整體而言，摻3種鋼纖維試件的抗壓強(qiáng)度基本上都可以達(dá)到150 MPa，說明鋼纖維的外形對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的影響，但從施工需求方面來說影響不是很明顯。

2.2 鋼纖維形狀對(duì)超高性能混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由表2可以看出，鋼纖維的形狀對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有較大的影響，其中以摻平直形鋼纖維試件的表現(xiàn)最差，摻扭曲形鋼纖維試件次之，而彎鉤形鋼纖維對(duì)試件抗折強(qiáng)度有顯著的提升效果，呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢(shì)（見圖4）。摻扭曲形和彎鉤形鋼纖維試件的抗折強(qiáng)度較平長直形鋼纖維試件分別高出11%和23%。這主要是因?yàn)樵谡麄€(gè)抗折試驗(yàn)的過程中，混凝土基體未開裂前，鋼纖維與混凝土共同處于彎拉階段，此時(shí)主要由鋼纖維和混凝土共同提供抗折強(qiáng)度，材料的變形都比較小；在UHPC準(zhǔn)備開裂的臨界點(diǎn)，起主要作用的是鋼纖維與混凝土間的粘結(jié)力以及鋼纖維的外形在混凝土中所形成的機(jī)械阻力；隨著UHPC的不斷開裂，在這個(gè)過程中鋼纖維被不斷拔出，在拔出時(shí)，因鋼纖維的外形在混凝土基體中形成了一種機(jī)械抗力，提供了一定的抗折強(qiáng)度，從而起到了一定的阻斷作用，減緩了混凝土的斷裂。而粘結(jié)力的形成主要取決于鋼纖維摻量，在同樣摻量下，彎鉤形和扭曲形這種異形鋼纖維在混凝土中額外地提供了一定的機(jī)械抗力，在整個(gè)試驗(yàn)過程中提升了UHPC的抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)語

（1）3種形狀鋼纖維對(duì)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度都有一定影響，但其影響主要表現(xiàn)在強(qiáng)度的不穩(wěn)定性上。其中摻彎鉤形鋼纖維試件的抗壓強(qiáng)度偏差最大，其強(qiáng)度保證率較低，而摻平直形鋼纖維試件的抗壓強(qiáng)度最為穩(wěn)定。引起差異的原因可能是鋼纖維的形狀不同，使混凝土在攪拌和澆筑過程中發(fā)生了某種變化，故需要開展更加細(xì)致的研究。

圖4 鋼纖維形狀對(duì)試件抗折強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖

（2）在混凝土抗折強(qiáng)度方面，3種形狀鋼纖維都有較大的影響。在保證相同的摻量下，彎鉤形鋼纖維在提高混凝土抗折強(qiáng)度上的表現(xiàn)最優(yōu)，較摻平直形鋼纖維試件提升了23%，較摻扭曲形鋼纖維試件提升了10%。在施工方面可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的鋼纖維形狀。