含粗骨料聚乙烯超高性能混凝土力學性能研究

龍珂炎LONG Ke-yan；孫潔SUN Jie；高佳欣GAO Jia-xin；孫夢欣SUN Meng-xin；朱盈潔ZHU Ying-jie

（武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢 430074）

0 引言

隨著社會經濟和基礎設施建設的飛速發展，工程界對混凝土性能的要求越來越高，經過各國專家研究，超高性能混凝土（UHPC）于1994 年應運而生。超高性能混凝土有遠大于普通混凝土的抗壓性能及韌性、耐久性和耐磨性。上世紀90 年代，湖南大學黃政宇[1]通過將活性摻合料加入到525 硅酸鹽水泥中，并加入高效減水劑和短鋼纖維，制配得到了抗壓強度超過200MPa 的超高性能混凝土。

然而UHPC 膠凝材料用量大、成本較高，因此國內有學者[2-3]考慮在UHPC 中加入粗骨料，一定程度上減少膠凝材料用量，且由于骨料間的咬合作用和骨料與纖維間的錨固作用，提高了混凝土整體性。國內外學者研究了粗骨料對UHPC 力學性能的影響，J.Ma 等[4]研究了有無粗骨料對UHPC 力學性能的影響，發現粗骨料摻入可減少攪拌時間，含有粗骨料的UHPC 與無粗骨料的UHPC 間抗壓強度差別不明顯。黃維蓉等[5]采用河砂替代石英砂并添加粗骨料的方式研究了不同粗骨料摻量和粒徑對UHPC 力學性能的影響。

隨著纖維混凝土優越的力學性能不斷被發現，將各類纖維引入混凝土中以提高混凝土抗裂、韌性等性能的研究越來越受到國內外學者[4、6、7]關注。目前國內外有關將PE纖維摻入含骨料超高性能混凝土的研究還較少。本文采用抗壓及劈裂抗拉試驗研究含粗骨料的PE 纖維超高性能混凝土力學性能，進而選出纖維最優配比。

1 試驗部分

1.1 原材料

水泥：P.O 5.25 級普通硅酸鹽水泥，性能指標見表1、表2；硅灰：由河南鉑潤鑄造材料有限公司生產，比表面積21m2/g，其他指標見表3；粉煤灰：由河南鉑潤鑄造材料有限公司生產，密度2.55g/cm3，其他指標見表4；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%以上；石英砂：粒徑1～2mm；鋼纖維：鍍銅細微鋼纖維，直徑0.2mm，長度13mm，密度7.85g/cm3；聚乙烯纖維：由深圳特力新材科技有限公司生產，長度10mm，密度970kg/m3；粗骨料：粒徑為4.5mm～16mm 人工碎石。

表1 水泥物理性能

表2 水泥化學成分及燒失量

表3 白色（98 含量）進口微硅灰

表4 一級粉煤灰

1.2 試驗設計

試驗制備32 組超高性能混凝土立方體試塊，根據GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[8]和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[9]，確定UHPC 基準配合比，見表5。文獻[10-11]研究表明鋼纖維長徑比對UHPC 力學性能影響不明顯。因此本試驗不考慮鋼纖維長徑比對UHPC 力學性能影響，統一選取鋼纖維長徑比為65，體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。選取聚乙烯纖維體積率為0%、0.3%、0.6%、0.9%，粗骨料體積率為0%、15%、30%、40%。根據試驗因素與水平數，確定采用L16（45）正交表，正交試驗因素與水平表見表6。

表5 試驗用基準配合比

表6 正交試驗因素與水平表

1.3 試件制作及試驗方法

試驗采用強制式單臥軸混凝土攪拌機，經前期適配，按以下步驟進行攪拌：①將水泥、石英砂、硅灰和粉煤灰在內全部干料倒入攪拌機干拌60s；②將75%溶有減水劑的水倒入攪拌機中，攪拌2～3min；③將PE 均勻撒入混合料中，加入剩余減水劑和水攪拌2min，并在攪拌時均勻撒入鋼纖維，直到達到較好流動性；攪拌完成后裝入100mm×100mm×100mm 的三聯模具中進行成型，在振動臺上振搗30s 后抹平。室溫下靜置24h 后脫模并對試件進行編號；放入標準養護室養護28d。

立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度按照GB/T50081－2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[12]采用SYE-2000A 壓力試驗機進行測試。正交試驗試驗方案及試驗結果見表7。

表7 正交試驗方案與試驗結果

2 試驗結果與討論

2.1 極差分析

對混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度結果進行極差分析，分析結果見表8、表9。

表8 抗壓強度極差分析結果表

表9 劈裂抗拉強度極差分析結果表

根據極差分析結果，繪制因素指標趨勢圖（圖1-圖6）。

圖1 抗壓強度與鋼纖維體積率關系

圖2 抗壓強度與PE 纖維體積率關系

圖3 抗壓強度與粗骨料體積率關系

圖4 劈裂抗拉強度與鋼纖維關系

圖5 劈裂抗拉強度與PE 纖維關系

圖6 劈裂抗拉強度與粗骨料關系

由表7 可直觀分析，抗壓強度最大值組為16，對應配比為A4B4C1，即鋼纖維體積率2.0%，聚乙烯纖維體積率0.9%，粗骨料體積率0%；劈裂抗拉強度最大值組為11，對應配合比為A3B3C2，即鋼纖維體積率1.5%，聚乙烯纖維體積率0.6%，粗骨料體積率0%。

由表8 和表9 極差分析可知，三因素對抗壓強度的影響順序均為：A＞B＞C，即鋼纖維＞聚乙烯纖維＞粗骨料，抗壓強度最優配比為A4B4C2；劈裂抗拉強度的影響順序均為：A＞C＞B，即鋼纖維＞粗骨料＞聚乙烯纖維，劈裂抗拉強度最優配比為A3B1C1。

由因素指標趨勢圖可分析，對抗壓強度三因素Re值：A＞B＞C，對劈裂抗拉強度三因素Re 值：A＞C＞B，即三因素對UHPC 力學性能影響與上述極差分析結果相同。

2.2 方差分析

為更精確地得出試驗因素和誤差對結果的影響，在極差分析基礎上，進行方差分析。立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的方差分析見表10 和表11。

給出判定標準，若Fj＞f0.01（2，6）=10.92，則表示影響非常顯著，用***表示；若f0.01（2，6）=10.92＞Fj＞f0.05（2，6）=5.14時，則表示影響顯著，用**表示；若f0.01（2，6）=10.92＞Fj＞f0.10（2，6）=3.46 時，則表示有一定影響，用*表示；若Fj＜f0.10（2，6）=3.46 時，則表示無顯著影響。

由于立方體抗壓強度中MSB＜MSE，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度中MSC＜MSE，即PE 纖維和粗骨料的均方均小于誤差均方，須將該因素并入誤差項e 記作新誤差項e△后作方差分析計算。

由表10 和表11 知，對立方體抗壓強度，f0.01（2，6）=6.42＞FA＞f0.05（2，6）=5.14，鋼纖維體積率對立方體抗壓強度有顯著影響；對于劈裂抗拉強度，f0.05（2，6）=5.14＞FA＞f0.10（2，6）=3.46，f0.10（2，6）=3.46＞FB，鋼纖維對劈裂抗拉強度有一定影響，粗骨料對劈裂抗拉強度無顯著影響，由立方體抗壓強度中的MSB＜MSE及立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度中的MSC＜MSE，即PE 纖維和粗骨料的均方均小于誤差均方，可知粗骨料和PE 纖維對超高性能混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均無明顯影響。

表10 立方體抗壓強度方差分析結果表

表11 立方體劈裂抗拉強度方差分析結果表

2.3 PE 纖維對破壞形態的影響

抗壓強度試驗中，對試塊施加壓縮荷載，未加入聚乙烯纖維的立方體試塊在達到破壞荷載時，試塊突然破碎并伴隨裂塊迸濺，為脆性破壞，而對于加入聚乙烯纖維的試塊，在施加荷載過程中，試塊先產生微裂縫，并逐漸擴展，在達到破壞荷載后，試塊無裂塊迸濺，基體保持原有完整性，由脆性破壞轉為塑性破壞；劈裂抗拉強度試驗中，未加入聚乙烯纖維的試塊在達到破壞強度后試件沿破裂面直接劈裂成兩塊，并發出巨大響聲，為顯著脆性破壞，加入聚乙烯纖維的試塊在加壓過程中不斷發出響聲，在達到破壞強度后未破碎，保持整體性。

2.4 原因分析

①查閱文獻[13]知，加入聚乙烯纖維后，由于纖維的橋接作用，在試件承受壓力時，橋架于裂縫之間的纖維在拉斷過程中消耗大量能量，抑制了混凝土基體中裂縫的生成和發展，使混凝土由脆性破壞轉為塑性破壞，減小了試塊的損傷破壞程度，提高了其抵抗變形的能力，使其在達到破壞荷載后仍不破碎，維持試塊整體性。②由因素指標趨勢圖可知，在0%至15%范圍內，試塊抗壓強度隨粗骨料體積率增大而增大，當體積率大于15%后，抗壓強度逐漸降低。經查閱文獻[5]后分析，粗骨料在混凝土中作為剛性骨架與鋼纖維在錨固作用下增強混凝土整體性，增大立方體抗壓強度，而當粗骨料體積率超過15%后，多余骨料造成聚乙烯纖維和鋼纖維結團，導致漿體內結構缺陷增多，立方體抗壓強度降低。③考慮因素指標趨勢圖中聚乙烯纖維對劈裂抗拉強度增強不明顯，結合方差分析的結論，并參考有關文獻[14-15]知，在摻有粗骨料的情況下，部分纖維包裹于粗骨料外層，未均勻分散在混凝土內，造成離散性較大，強度無法保證。

3 結論

本文研究了聚乙烯纖維和粗骨料對超高性能混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響，分析作用機理，得出如下結論：①聚乙烯纖維有較好的阻裂作用，能使超高性能混凝土在受壓情況下由脆性破壞轉為塑性破壞，保持試塊整體性。②聚乙烯纖維對超高性能混凝土抗壓強度有一定的增強作用，當聚乙烯纖維體積率為0.9%時平均抗壓強度最大提高了7.9%。③粗骨料在體積率為0%～15%范圍內對超高性能混凝土抗壓強度有增強作用，當體積率大于15%后，增強作用降低并出現降低抗壓強度的影響。