基于流動誘導纖維取向的UHPC制備與性能研究

蘇安雙 黃煌煌 高小建

（1黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 前言

由于具有超高的力學強度和優異的耐久性，超高性能混凝土（UHPC）在近年來受到國內外研究者的普遍關注，并在實際工程中得到較多應用。UHPC通常由水泥、硅灰、細骨料等在較低水膠比條件下，基于最緊密堆積理論制備而成[1]。由于水膠比較低，為了獲得較高的流動性，UHPC中減水劑的用量一般較高。為了提高抗彎強度及韌性，UHPC中還經常摻入纖維，其中使用最多的是鋼纖維。由于纖維的抗拉強度高，當外部荷載作用使UHPC基體發生開裂時，搭接于裂縫兩端的纖維可以起到轉移應力的作用，從而阻止裂縫的進一步擴展[2]。一般來說，鋼纖維的摻量越高，UHPC的抗彎性能越好。同時，UHPC的抗彎強度還和纖維的空間分布和取向度直接相關[3-5]。傳統制備方法中，鋼纖維在UHPC中是隨機分布和取向的，因而對UHPC的力學性能提高有限，鋼纖維的利用效率并不高。據報道，UHPC中亂向分布的鋼纖維，破壞時沿主要受力方向的利用效率僅為30%左右[6]。因此，如果通過制備工藝改進使纖維取向與主要受力方向一致，可以使纖維利用效率大幅度提高，最大限度地提高UHPC的抗彎性能。

近年來，國內外學者開發了多種方式改善混凝土中的鋼纖維取向。Qian等人通過擠壓的方式使混凝土中纖維定向排列，從而顯著提高了混凝土的抗拉性能[7]。林澤文等研究了優化澆筑方式對混凝土內纖維的分散和取向的影響規律[8]。慕儒等采用磁場誘導的方式實現了混凝土內鋼纖維的單向分布，并顯著提高了混凝土的抗彎強度[9]。本文利用UHPC拌合物流動性大的特點，提出一種流動誘導纖維取向的新方法，實現UHPC中鋼纖維的定向排列，并研究這種制備方法對UHPC內纖維取向及常溫和高溫后抗彎性能等的影響規律。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

試驗所用原材料包括普通硅酸鹽水泥、硅灰、粗細石英砂、鋼纖維和高性能減水劑。硅灰粒徑為0.1～1μm，粗細石英砂粒徑范圍分別為0.109～0.212mm和0.212～0.380mm，鋼纖維抗拉強度為2850MPa，高性能減水劑減水率大于30%，含固量約為40%。試驗用配合比見表1。

1.2 試驗方法

表1 UHPC配合比 Tab.1 Mix proportion of UHPC水膠比水泥（kg/m3）硅灰（kg/m3）細石英砂（kg/m3）粗石英砂（kg/m3）鋼纖維（%混合物體積）減水劑（%膠凝材料質量）0.22920276202810 1 1.8 2 2.5

圖1為本研究開發的基于流動誘導纖維取向的L型裝置。該裝置由有機玻璃制成，包括垂直容器和水平通道。操作時，先封住水平通道的出口，新拌的漿體由垂直容器頂端澆入，待垂直容器中的混凝土高度達到一定高度時，移開水平通道的遮擋物，混凝土由水平通道出口流出，鋼纖維在此過程中被逐漸定向。成型時，試件由該L型裝置層層澆筑，每層厚度近似于其水平通道高度，并同時將L型裝置由模具一端移至另外一端。澆筑完成時，利用振動臺輕微振動以消除層間的氣泡。傳統澆筑方法則是直接將新拌的漿體倒入模具中央，讓混凝土通過自身的流動性填滿模具，最后刮平，由此澆筑的UHPC具有隨機的纖維取向。

圖1 L型流動誘導纖維取向裝置 Fig.1 L-shape device for flow-induced fiber orientation

利用該L型裝置和傳統澆筑方法分別成型70×70×230mm的試件，并進行三點彎曲測試。在試件破壞主裂縫附近切取截面進行圖像分析，經過粗磨、細磨和超聲清洗，利用超景深顯微鏡獲取截面的高分辨率圖像（RGB），再對RGB圖像進行二值化，從而增大鋼纖維和基體的對比度，整個流程見圖2。

為探究纖維取向對高溫后UHPC力學性能的影響，40×40×160mm的UHPC試件先在100℃下預干燥2小時，去除毛細水，以防止試件在高溫作用下爆裂。爐內溫度以10℃/min的速率升高，待溫度升至200、400、600和800℃時，將已冷卻至室溫的UHPC試件移入高溫爐內受熱2小時。最后使UHPC試件在爐內自然冷卻至室溫，取出進行力學測試。

2 結果與討論

2.1 荷載-位移曲線

圖2 纖維取向圖像分析過程 Fig.2 Image analysis for fiber orientation

圖3為不同鋼摻量下流動誘導纖維取向UHPC的荷載-位移曲線。一方面，隨著纖維摻量的增加，UHPC峰值荷載顯著提高。另一方面，通過流動誘導纖維取向，UHPC的峰值荷載也明顯提高。比例極限（LOP）和彎曲極限強度（MOR）可以用來描述荷載-位移曲線的初裂點和峰值點[11]。由圖3可以發現，不管鋼纖維摻量多少和取向差異，比例極限基本一致，這是因為試件的初裂點主要取決于基體的強度而不是鋼纖維的摻量和取向。

2.2 抗彎強度和韌度

不同鋼纖維摻量下流動誘導纖維取向UHPC的抗彎強度、韌度和峰值荷載下位移SMOR如表2所示。一方面，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗彎強度、韌度和SMOR都顯著提高，當纖維摻量由1%增加到2.5%時，UHPC的抗彎強度、韌度和SMOR分別提高118.1%、93.4%和118.8%。另一方面，通過流動誘導，UHPC的抗彎性能也顯著改善，且鋼纖維摻量越低，改善效果越明顯。當纖維摻量為1%時，抗彎強度、韌度和SMOR分別提高64.3%、52.9%和76.8%。

2.3 纖維取向

圖3 流動誘導纖維取向UHPC荷載-位移曲線 Fig.3 Load-deflection curves of UHPC with flowinduced fiber orientation

圖4為傳統澆筑和流動誘導澆筑下纖維取向角的概率密度分布。明顯可見，隨機取向時，纖維取向角概率密度分布是右偏的，而流動誘導的纖維取向角概率密度分布是左偏的，表明更多的鋼纖維具有較小的取向角。因此，通過流動誘導的方式可以改善纖維取向，從而提高UHPC的抗彎性能。

圖4 纖維取向角概率密度分布 Fig.4 Probability density distribution of fiber orientation angle

表2 UHPC抗彎強度、韌度和SMOR匯總 Tab.2 Summary of flexural strength，toughness and SMOR of UHPC纖維摻量（%）澆筑方法抗彎強度（MPa）韌度（kN·mm）sMOR（mm）1傳統澆筑14.9436.620.69流動誘導24.5455.991.22 2傳統澆筑26.3855.951.30流動誘導35.7480.041.71 2.5傳統澆筑32.5870.841.51流動誘導42.2593.961.90

圖5為不同鋼纖維摻量下流動誘導取向系數。對于隨機分散和取向的纖維，其取向系數約為0.5，這與其他文獻中報道的一致[12]。通過流動誘導，纖維取向系數明顯提高。對于纖維摻量1%、2%和2.5%，纖維取向系數為0.74、0.63和0.66，分別提高41.3%、32.6%和39.4%。纖維摻量為1%時，流動誘導纖維取向效果最好，這可能是因為纖維含量高時，纖維相互搭接形成網絡結構，纖維相互作用增強，這阻礙了其在流動誘導下的旋轉和取向，降低了流動誘導纖維取向效率。當纖維摻量進一步增加到3%時，因纖維之間搭接嚴重，最終導致UHPC在L型裝置出口堵塞。

2.4 高溫后抗彎性能

選取鋼纖維摻量為2%的UHPC進行高溫后抗彎性能試驗。圖6為流動誘導纖維取向UHPC受不同溫度作用后的荷載-位移曲線。圖7為流動誘導纖維取向UHPC受不同溫度作用后的抗彎強度和韌度。由圖可見，在200℃作用后，UHPC的抗彎強度和韌度略有提升，這是因為200℃作用可以促進UHPC中水泥水化及硅灰與氫氧化鈣的火山灰反應，產生的水化產物使UHPC形成更加致密的結構，從而提高其彎曲性能[13-14]。超過200℃以后，不管是傳統澆筑還是流動誘導澆筑，UHPC的彎曲強度和韌度都顯著下降，且溫度越高，彎曲性能劣化的越嚴重。這是因為在高溫作用下，UHPC內部熱應力和水蒸氣壓力不斷增長，導致裂縫產生擴展。同時水化產物不斷分解，喪失膠結作用[15]。

圖6 流動誘導纖維取向UHPC高溫后荷載-位移曲線 Fig.6 Load-deflection curves of UHPC with flow-induced fiber orientation after exposures to high temperatures

圖5 流動誘導纖維取向系數 Fig.5 Flow-induced fiber orientation coefficient

圖7 流動誘導纖維取向UHPC高溫后抗彎強度和韌度 Fig.7 Flexural strength and toughness of UHPC with flow-induced fiber orientation after exposures to high temperatures

相對于常溫下的抗彎性能，傳統澆筑的UHPC經過800℃作用后，其抗彎強度和韌度分別降低了82.5%和84.6%。對于流動誘導澆筑的UHPC，抗彎強度和韌度分別降低了81.1%和80.2%。同時，通過流動誘導澆筑的UHPC，在經過相同的高溫作用后，具有比傳統澆筑的UHPC更高的抗彎強度和韌度，最大提高了63.8%和43.9%。因此，通過流動誘導纖維取向，可以顯著改善UHPC高溫后抗彎性能。通過對比發現，雖然流動誘導澆筑的UHPC比傳統澆筑的UHPC具有更高的高溫后抗彎強度和韌度，但其提升比例卻隨著溫度的升高逐漸降低。這是因為UHPC作為一種纖維增強復合材料，其抗彎性能是由基體和纖維以及基體-纖維界面共同決定的，而隨著溫度的升高，UHPC基體和鋼纖維以及基體-鋼纖維界面的性能均發生明顯退化[15]，最終導致流動誘導澆筑UHPC的抗彎性能提升效果降低。

3 結論

1）通過流動誘導纖維取向，可以顯著改善UHPC的抗彎性能，相對于傳統澆筑方法，流動誘導纖維取向可使UHPC的抗彎強度、韌度和SMOR分別提高64.3%、52.9%和76.8%。

2）流動誘導制備方法可以顯著改善UHPC內纖維取向，鋼纖維摻量在1%、2%和2.5%時，纖維取向系數可分別提高41.3%、32.6%和39.4%。

3）通過流動誘導纖維取向，可以顯著提高UHPC高溫后抗彎性能，相同高溫作用后UHPC的抗彎強度和韌度相比于傳統方法澆筑的UHPC分別提高了63.8%和43.9%。