纖維因素對超高性能混凝土的影響研究綜述

沈 城 周陽陽 于英俊 戴舒寧

揚州大學建筑科學與工程學院（25127）

1 研究背景

隨著科學技術的不斷進步，人們對于混凝土強度等級的要求不斷增加，因此科學家們不斷研究如何進一步提高混凝土的相關強度性能，促成了從高強混凝土再到超高強混凝土的發展。與普通混凝土材料相比，超高性能混凝土UHPC 在各方面性能上要遠優于普通混凝土，特別是裝配式建筑應用上具有很大的潛力。

2 UHPC 超高性能混凝土的性能

2.1 UHPC 超高性能混凝土的優點

UHPC 強度極高，抗壓強度可達到160 MPa，是常規混凝土強度的3 倍以上；UHPC 韌性優異，最大斷裂能可達4 000 J/m2，使超高性能混凝土在超載或地震作用下具有較好可靠性，結構耐久性好；UHPC 具有的高耐磨性和良好的耐腐蝕性，為在惡劣環境下的混凝土結構提供了良好的保護。UHPC有效地減少對于預應力鋼筋的使用，為建筑結構提供了更大的可能性。

2.2 UHPC 超高性能混凝土的缺點

UHPC 的造價成本較高，與傳統混凝土相比，生產的原材料通常為水泥、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維等，這導致了生產成本的增加；超高性能混凝土的生產通常采用蒸汽或蒸壓硬化等生產工藝，限制了超高性能混凝土在實際工程中的應用；UHPC的低流動性，這在很大程度上限制了超高性能混凝土的澆筑；UHPC 具有體積不穩定性。

3 UHPC 超高性能混凝土的制備原理及方法

3.1 UHOC 的制備原理

UHPC 是一種高強度、高韌性、低孔隙率的高強度水泥基材料。混凝土是一種多孔、不均勻的材料，其孔結構是影響其強度的主要因素。因此，UHPC 制備的基本原理是降低孔隙率，優化孔隙結構，提高壓實度。

優化細集料的分選，使細集料均勻分布在顆粒空間內，以提高集料的密實度，達到最密實的狀態。

通過添加硅粉、粉煤灰等超細活性礦物混合物，對微波填充、化學反應、降低孔隙率、減小孔徑、優化孔結構有良好的效果。

在硬化過程中，蒸汽或蒸壓硬化可以加速水泥脫水過程和火山灰的加載效應，降低材料的化學收縮，改善材料的微觀結構。

添加鋼纖維，可大幅提高材料的韌性和延性。

3.2 UHPC 的制備與養護

UHPC 制備過程中，使用外部和內部能量，如真空混合、凝結前和凝結過程中加壓可以降低孔隙和獲得目標力學性能。目前，UHPC 和普通混凝土一樣攪拌、澆筑和振動成型。干粉組分混合約10 min，然后加入水和減水劑，攪拌5～10 min。當砂漿基體表現出恰當的流動性后加入纖維（如果需要）。使用不同尺寸的混雜纖維時，應先手工加入微纖維，然后加入長纖維[1]。

對于UHPC 養護，標準養護、常壓熱養護、壓蒸養護都常用于UHPC 生產。標準養護是最常見、環境友好的養護方式。20 ℃養護時，膠凝材料火山灰活性較弱，如果延長養護時間，UHPC 也能達到200 MPa。標準養護28 d 后的UHPC 再24 h 常壓蒸汽養護后，抗壓強度可提高15～30 MPa。相對于標準養護，所有的配比90 ℃養護12 d 后抗壓強度均可提高。壓蒸養護的UHPC 抗壓強度高于標準養護和90 ℃熱養護，摻有3%或4%纖維的UHPC 蒸養8 h 即能達到200 MPa。熱養護工藝復雜并且能源消耗大，發展室溫養護UHPC 生產將是主流并將廣泛應用。

4 纖維因素對UHPC 超高性能混凝土的影響

4.1 鋼纖維摻量對于UHPC 性能的影響

增加鋼纖維含量可以降低UHPC 的流動性。整體降低趨勢呈現先緩慢后突變。鋼纖維含量在2.0%～2.5%，流動性就會顯著下降[2-3]。

增加鋼纖維含量，可以提高UHPC 的拉伸強度或拉伸強度、耐壓強度、沖擊強度等性能。但是隨著鋼纖維含量的增加，特別是鋼纖維的含量提高了2%以上后，抗壓強度的增加幾乎保持不變。

隨著鋼纖維含量的增加，UHPC 中重疊纖維的數量增加，而不是重疊纖維的比例增加，特別是2.0%的纖維含量增加到2.5%，UHPC 中不重纖維的比例顯著增加。但是鋼纖維的分散性達到一定的臨界值，就會再次聚集和團聚，從而降低纖維的有效利用率。

提高鋼纖維的纖維含量有助于改善UHPC 的干燥收縮率，如果超過纖維含量的臨界值，則干燥性能顯著改善。

4.2 鋼纖維外形及規格對于UHPC 性能的影響

同一形狀的鋼纖維，與線型鋼纖維相比，端鉤的鋼纖維對抗壓強度的影響更好。形狀不同的鋼纖維中，規格較小的微細鋼纖維（長度為 13 mm）對UHPC 增強效果比較粗的鋼纖維 （長度為25 mm）好。鋼纖維和UHPC 基體之間有機械咬合力、摩擦力和黏結力3 種連接方式。端鉤型鋼纖維的形狀變化后，鋼纖維和基體之間的機械力增加。但是對于不同規格的鋼纖維，微細纖維強化效果好的主要原因是微細纖維比表面積大，可以從微觀力學的角度避免應力集中，有更好的傳力路徑。因此鋼纖維的摻量小時，微細纖維比粗鋼纖維有更大的效果[4]。

單一混合物的情況下，不同規格的鋼纖維對UHPC 抗壓強度影響較小，效果最好的端鉤短纖維和效果一般的長直纖維只有15 MPa。結果表明，端鉤型鋼纖維的增強效果優于直線型鋼纖維，微細鋼纖維的抗彎和抗拉強度比粗鋼纖維高28.7%。在復摻的情況下，鋼纖維能進一步提高UHPC 的抗彎拉強度，比單摻強度提高10.4%。

4.3 鋼纖維取向角對于UHPC 性能的影響

用于水泥基復合材料的鋼纖維通常是隨機分布在水泥基材料上的短鋼纖維。可以通過施加磁場來控制所有或大多數鋼纖維的方向。，在這個方向上鋼纖維的方向系數大幅增加，有效提高了水泥復合材料的韌性和斷裂性能，改善了水泥復合材料的力學性能。

UHPC 拌和物中鋼纖維的取向隨著澆筑方向和速度的變化而變化，并且取向率高。沿拉伸方向澆筑的UHPC，沿軸向角度占比88%，極限拉伸強度為13 MPa，極限拉伸電壓為0.003 8 V。

UHPC 基體的流變性能、 纖維分散性能和力學性質密切相關。UHPC 基體的流變參數越小，纖維的軸向取向系數越高，纖維的有效利用率越高，對應的UHPC 的力學性能越高。

4.4 不同材質纖維混雜對于UHPC 性能的影響

聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維的摻入，有助于提高超高性能混凝土的抗折性能、 抗彎性能和韌性。聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維的摻入，有助于提高超高性能混凝土養護期間的抗裂性能和抗爆裂性能。

無機類纖維的摻入，在一定程度上改善超高性能混凝土的有關性能，但改善效果不顯著，需要與有機類纖維混雜摻入。

磷酸鋅添加入鋼纖維，有助于提高UHPC 的極限拉伸強度。添加了橡膠粒子的再生鋼纖維，不僅能提高UHPC 的斷裂性能，還能減少其高溫爆裂。

4.5 PVA 纖維對于UHPC 性能的影響

PVA 纖維含量的增加，導致立方體抗壓強度和軸心抗壓強度的降低。當纖維含量為0.6%時，纖維混凝土立方體的抗壓強度下降20%，軸壓強下降18.1%。

PVA 纖維摻量的增加，有助于提高超高強混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度。當纖維摻量為0.6%時，纖維混凝土抗折強度提高36.04%，劈裂抗拉強度提高22.4%。經研究表明，考慮到超高性能混凝土各項力學性能，PVA 的最優摻量為0.2%。

PVA 纖維的摻入，有效改善了超高強混凝土的脆性，阻止了混凝土中微裂縫的形成和發展，提高了超高強混凝土抗折強度和劈裂抗拉強度。

5 結語

UHPC 水泥基材料是一種具有超高強度和耐久性的特殊材料，在很多領域有良好的應用前景。其中，纖維是UHPC 超高性能混凝土的關鍵因素，摻量、規格及形狀、取向角、彈性模量為影響纖維因素的內在因素，不同類型的纖維混雜會導致UHPC 性能因摻入纖維的性能而發生改變。與鋼纖維相比，PVA 纖維材料具有其獨特的性能。對于UHPC 而言，纖維的摻入往往都會進一步提升其力學性能。但是纖維的增加導致了其造價成本的提高，同時也進一步限制了其的發展。但隨著我國對環保、可持續發展的逐漸重視，相信在不久將來的基本建設中UHPC 仍有著廣闊的應用前景。