聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土（UHPC）工作性、力學(xué)性能的影響

王宇杰

（中國機(jī)械工業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100045）

1 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）也稱作活性粉末混凝土，是過去30 年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一，作為20 世紀(jì)后期誕生的新一代建筑材料，其具有超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性等優(yōu)異性能，UHPC 在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了土木工程材料性能的大跨越。UHPC同時(shí)也是一種力學(xué)性能優(yōu)越的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，已逐漸應(yīng)用于各類工程中，并擁有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間[1-3]。

由于UHPC 生產(chǎn)成本高昂，其大范圍的推廣應(yīng)用備受限制。現(xiàn)行UHPC 在配制的過程中摻入的纖維原材料主要為鋼纖維，這也是UHPC 生產(chǎn)成本較高的原因之一，而關(guān)于其他纖維類制品在UHPC 中應(yīng)用效果的相關(guān)研究還較少。因此，在原材料上找到降本增效之路，積極探索研究其他纖維類制品在UHPC 中的應(yīng)用，對(duì)降低UHPC 成本和今后UHPC 進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用具有重要意義[4-5]。

聚甲醛是一種高密度、高結(jié)晶的線形高聚物，具有優(yōu)異的綜合性能。用其制備的纖維能夠繼承聚甲醛的大部分優(yōu)點(diǎn)并能發(fā)揮聚甲醛潛在的優(yōu)勢(shì)，具有高密度、高模量以及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性[6]。并且，聚甲醛纖維的摩擦系數(shù)小，與鋼纖維相比，其質(zhì)量較輕，耐久性十分優(yōu)異[7]。為探索除鋼纖維外的其他纖維制品在超高性能混凝土中的應(yīng)用效果，本文采用了不同摻量聚甲醛纖維配制UHPC 試件，研究了聚甲醛纖維對(duì)UHPC 工作性和力學(xué)性能的影響，對(duì)聚甲醛纖維在UHPC 中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中采用重慶云天化天聚新材料有限公司生產(chǎn)的聚甲醛纖維，按照廠家的建議摻量為0.9 kg/m3，本文試驗(yàn)過程中選取了廠家提供聚甲醛纖維建議摻量的0 倍、0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍和2 倍分別制備相關(guān)不同的UHPC 試樣。試驗(yàn)所用的膠凝材料分別是華潤水泥（陽春）有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5 水泥，河北金泰成公司的I 級(jí)粉煤灰以及成都東藍(lán)星有限公司生產(chǎn)的硅灰，骨料是選取了0～0.6 mm 的石英砂和0.6～1.25 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)所用減水劑為高性能減水劑，減水率35%，固含量26%。為保證UHPC 在高強(qiáng)度、高韌性的基礎(chǔ)上還具有良好的工作性，試驗(yàn)中統(tǒng)一采用水膠比0.18，并嚴(yán)格控制外加劑用量一致。通過試配確定實(shí)驗(yàn)配合比如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)配合比kg/m3

3 實(shí)驗(yàn)方法

UHPC 試樣的制備按GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)將各種原材料分批稱量好后倒入攪拌機(jī)中攪拌，在機(jī)器攪拌過程中將聚甲醛纖維均勻撒入，待試樣攪拌完畢后裝入試模中振搗成型。而后裝入試模，待試件成型后，統(tǒng)一放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定齡期進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，UHPC 流動(dòng)度的測(cè)定采用坍落度法，按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》中的截錐金屬圓模進(jìn)行。在測(cè)定流動(dòng)度的試驗(yàn)過程中，按照規(guī)范要求，將試樣放置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，控制好每組試樣過程所用時(shí)間和所采取操作的一致性，避免人為因素導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差出現(xiàn)。抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的測(cè)定按GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行，采用40 mm×40 mm×160 mm 試件，測(cè)試試樣的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d 抗壓強(qiáng)度值和抗折強(qiáng)度值。在試驗(yàn)過程中利用秒表計(jì)時(shí)控制每組試件在配制過程中的攪拌時(shí)間一致。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 工作性能

不同體積摻量的聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土（UHPC）工作性的影響如表2 所示。

表2 聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土（UHPC）工作性的影響

從表2 中可以看出，隨著聚甲醛纖維摻量的增大，UHPC的流動(dòng)度不斷變化，總的來看，聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的工作性有明顯的改善作用。其中，當(dāng)聚甲醛纖維摻量為0.45 kg/m3時(shí)，UHPC 的工作性最好。分析原因是當(dāng)聚甲醛纖維摻量在0.45 kg/m3時(shí)，UHPC 整個(gè)體系的均勻性最好，內(nèi)部的黏聚性有一定程度的降低，從而工作性最好。當(dāng)摻量過大時(shí)，UHPC 體系內(nèi)部的黏聚性增加，導(dǎo)致工作性變差。從而也能看出，當(dāng)聚甲醛纖維在超高性能混凝土中的摻量適宜時(shí)，UHPC 的工作性能得到一定程度的改善，從而有利于施工。

4.2 力學(xué)性能

不同體積摻量的聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土（UHPC）力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度）的影響分別如表3 和表4所示。

表4 聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土（UHPC）抗折強(qiáng)度的影響

從表3 可以看出，隨著聚甲醛纖維摻量的變化，UHPC 的抗壓強(qiáng)度值變化很小，說明聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不大。分析原因是聚甲醛纖維摻入后，在UHPC受壓破壞過程中不能起到有效的阻抗作用，從而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度變化不大。

表3 聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土（UHPC）抗壓強(qiáng)度的影響

從表4 中可以看出，聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度具有明顯的改善作用。其中，與工作性相似，當(dāng)聚甲醛纖維的摻量為0.45 kg/m3時(shí)，UHPC 的抗折強(qiáng)度最高。說明聚甲醛纖維在UHPC 中能發(fā)揮增強(qiáng)、增韌和阻裂的效果[8-10]。當(dāng)UHPC受到抗折破壞的過程中，能觀察和聽到UHPC 中聚甲醛纖維拉斷的聲響，說明體系內(nèi)部的聚甲醛纖維能協(xié)同體系一起承擔(dān)拉應(yīng)力，從而在一定程度上提高了UHPC 的抗折強(qiáng)度。

5 結(jié)論

為探索聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土工作性和力學(xué)性能的影響，為聚甲醛纖維在超高性能混凝土中的應(yīng)用提供參考，本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了相關(guān)結(jié)論如下：

1）聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的工作性有明顯的改善作用，并且，當(dāng)聚甲醛纖維摻量為0.45 kg/m3時(shí)，UHPC 的工作性最好；

2）聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不大；

3）聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度具有明顯的改善作用，與工作性相似，當(dāng)聚甲醛纖維的摻量為0.45 kg/m3時(shí)，UHPC 的抗折強(qiáng)度最高。

總的來看，聚甲醛纖維對(duì)改善UHPC 的工作性和力學(xué)性能具有重要意義，聚甲醛纖維能在一定程度上替代鋼纖維在UHPC 的應(yīng)用，從而起到降低超高性能混凝土生產(chǎn)成本和促進(jìn)超高性能混凝土進(jìn)一步推廣應(yīng)用的作用。