纖維及砂種類對超高性能混凝土抗壓強度的影響

陳博洋，劉鑫，李卓珅，劉馳，葛文杰

（揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州225127）

0 引言

UHPC是一種具有超高力學性能、高耐久性及高韌性的新型水泥基復合材料。與傳統高性能混凝土相比，UHPC水膠比低，并且通過剔除粗骨料使其密實性以及均質性得到提升，從而使UHPC具有超高的力學性能及較低的孔隙率；高效減水劑的摻入使其具有良好的施工性能；纖維的摻入使其韌性和延性都有很大提升。

目前配制UHPC大多使用石英砂作為原料，但由于石英砂的供應并不能滿足市場需求，且許多工程受環境及地理位置等因素的制約，若僅采用石英砂會增加成本。一些沿海沿江城市海砂與江砂資源豐富，因此可將海砂與江砂用于UHPC以取代石英砂，而山區則可采用生產建設時產生的巖石制作機制砂以取代石英砂。因此，在研究不同配合比對UHPC抗壓強度的影響基礎上，研究不同種類纖維及砂對UHPC抗壓強度的影響，對于促進纖維以及海砂、江砂與機制砂在UHPC中的應用具有推動作用。

1 試驗原材料及試驗過程

1.1 試驗原材料

水泥：P·O 42.5級，揚州綠揚有限責任公司；硅灰：400目，SiO2質量分數為96.74%，河南鞏義市恒嵩濾材有限公司；礦渣粉：S95級，SiO2質量分數為32.80%，河南鞏義市恒嵩濾材有限公司；粉煤灰：Ⅱ級，河南鞏義市恒嵩濾材有限公司；石英砂：40～80目，SiO2質量分數＞99%，安徽勝利石英砂廠；海砂：細度模數1.849，過4.75 mm篩，江蘇揚建集團有限公司；江砂：細度模數1.978，過4.75 mm篩，江蘇揚建集團有限公司；機制砂：細度模數1.978，過4.75 mm篩，江蘇揚建集團有限公司；玄武巖纖維：規格BCS16-198；鍍銅鋼纖維：直徑0.22 mm、長13 mm，長徑比59.1，端部不帶彎鉤，抗拉強度＞2 850 MPa，河北德絲網制品廠；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率32%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司；拌合水：自來水。

1.2 UHPC制備步驟及試驗設計

1.2.1 制備步驟

由于UHPC剔除了粗骨料，其體系更接近于水泥砂漿，故攪拌裝置選用行星式砂漿攪拌機，具體制備過程如下：①稱料，根據設計的配合比稱量所需的各類材料。②攪拌，將稱量好的水泥、砂、硅灰、礦渣粉、粉煤灰依次倒入JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機，干拌3 min，然后將稱好的水與高效減水劑混合均勻后倒入攪拌機，先慢轉3 min，再快轉2 min至混合物出漿，混合均勻并觀察其流動度，之后慢轉3 min，這期間將體積分數為1%的鋼纖維或玄武巖纖維緩緩加入攪拌鍋，攪拌均勻并保證漿體完全包裹住纖維，最后快轉2 min，將漿體倒出。③成型，使用40 mm×40 mm×160 mm的鋼制模具澆筑成型，之后再放在振搗機上振搗1 min，確保UHPC試塊密實，減小UHPC試塊中的孔隙率，然后用保鮮膜包住，防止養護期間水分蒸發，導致水膠比改變。④養護，放入養護室養護24 h后拆模，將UHPC試塊放入水箱中，讓水完全浸沒UHPC試塊，將水箱放入標準養護室養護。

1.2.2 試驗設計

采用三種配比（A1、A2、A3）研究不同配比對UHPC抗壓強度的影響并確定最佳配比，在此基礎上進一步研究不同纖維及不同砂對UHPC抗壓強度的影響。試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[1]進行，具體配比及試驗結果見表1。

表1 UHPC配合比及抗應強度

2 試驗結果與分析

2.1 最佳配合比的確定

選取表1中的a.SF組，在A1、A2、A3三種配比下同時加入等量的石英砂及鋼纖維，分別對其3 d、7 d、28 d的試塊進行抗壓強度試驗以確定最佳配合比，如圖1所示。

從圖1中可以看出，三種配比下UHPC 28 d抗壓強度均達到125 MPa以上。硅灰摻量為30%時，UHPC的抗壓強度高于摻量為25%時的強度，摻入粉煤灰會使UHPC的抗壓強度略微降低。由此可見，A1配合比下的UHPC抗壓強度明顯高于A2和A3配合比下的強度，所以選定A1配合比為最佳配合比。

圖1 不同配合比的UHPC抗壓強度

2.2 纖維種類對UHPC力學性能的影響

選取表1中的A1a組，在最佳配合比A1下，以石英砂為基礎，分別選用不摻纖維、摻入1%鋼纖維以及摻入1%玄武巖纖維的組別，研究纖維類型對UHPC抗壓強度的影響，如圖2所示。

圖2 不同纖維類型的UHPC抗壓強度

由圖2可以看出，與不摻纖維的混凝土相比，在UHPC中摻入體積分數為1%的鋼纖維有助于提高UHPC的抗壓強度；當摻入體積分數為1%的玄武巖纖維時，在混凝土齡期較短時，抗壓強度相較于同時間未摻纖維的UHPC有所提高。隨著混凝土齡期的增加，摻入玄武巖纖維的UHPC抗壓強度反而相較于原來有所下降，說明摻入玄武巖纖維的UHPC早期抗壓強度較高，但會降低最終的抗壓強度。

2.3 砂種類對UHPC力學性能的影響

選取表1中的A1a.SF組，在最佳配合比A1下摻入1%的鋼纖維，以石英砂為基礎，分別用海砂、江砂、機制砂取代石英砂，研究不同類型砂對UHPC抗壓強度的影響，如圖3所示。

圖3 不同砂類型的UHPC抗壓強度

從圖3可以看出，摻石英砂UHPC的28 d抗壓強度達到144.73 MPa，而用海砂和江砂取代石英砂配制的UHPC抗壓強度只能達到129.14 MPa和137.45 MPa，均低于用石英砂配制的UHPC。可能原因在于海砂中的氯離子含量較高，大量氯離子的存在會在水泥的水化過程中產生不利影響，從而降低UHPC的抗壓強度[2]；江砂自身的強度較低，含有雜質會對強度產生不利影響。用機制砂配制的UHPC，其28 d抗壓強度高達153.92 MPa，高于其他三種砂配制的UHPC，原因在于機制砂的石料是由人工破碎而成的，表面不規則、比較粗糙，可以增加顆粒之間的相互咬合力[3]，進而提高UHPC的抗壓強度。

3 結論

通過對采用不同配合比、摻入不同纖維類型以及不同砂類型的超高性能混凝土進行抗壓性能試驗，分析了不同配合比、不同纖維類型以及不同砂類型對超高性能混凝土抗壓強度的影響，得到如下結論。

（1）在一定范圍內，增加硅灰摻量可以改善UHPC的抗壓強度，而用粉煤灰取代水泥會降低其抗壓強度。采用30%硅灰、15%礦渣粉以及不摻粉煤灰的配合比所配制的超高性能混凝土抗壓強度較高。

（2）加入體積分數為1%鋼纖維相較不摻加纖維的UHPC，抗壓強度明顯提高。而加入體積分數為1%玄武巖纖維的UHPC的抗壓強度低于不加纖維和摻入等量鋼纖維的UHPC。

（3）與石英砂相比，海砂、江砂用于超高性能混凝土會降低其抗壓強度，機制砂用于超高性能混凝土會提升其抗壓強度。將海砂、江砂以及機制砂用于超高性能混凝土仍待進一步研究。