纖維類型及用量對UHPFRC力學和抗滲性能影響

張妍　溫宏平

摘要：超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）憑借其出色的力學性能及耐久性能，已被應用到建筑行業的各個領域，特別是高層建筑、大跨度的橋梁、海底隧道等。然而，目前關于纖維類型、用量對UHPFRC抗滲性能的影響機理還未得到足夠的關注，缺乏統一的認識。為此，開展了不同纖維類型（玄武巖纖維、鋼纖維、聚乙烯醇纖維）及其用量（0，0.5%，1.0%，2.0%）對UHPFRC力學性能（單軸抗壓強度、彈性模量）和抗滲性能（滲透率）影響的研究。研究結果表明：① 添加不同類型纖維的UHPFRC力學性能和抗滲性能有較大的差異，其中添加金屬纖維的UHPFRC的力學參數明顯高于添加玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維的UHPFRC，而添加聚乙烯醇纖維的UHPFRC滲透率明顯高于添加金屬纖維和玄武巖纖維的UHPFRC。② 在當前用量范圍內，UHPFRC的力學性能隨鋼纖維含量的增加而逐漸增大，但隨玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維含量的增加而逐漸減小。③ 隨著聚乙烯醇纖維和玄武巖纖維含量的增加，UHPFRC的滲透率逐漸增大，但隨著鋼纖維含量的增加，UHPFRC的滲透率逐漸減小。

關 鍵 詞：超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）； 玄武巖纖維； 鋼纖維； 聚乙烯醇纖維； 力學性能； 抗滲性能

中圖法分類號： TV431

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.030

0 引 言

近幾年高層建筑、大跨度橋梁、海底隧道等混凝土結構工程需求的增加，對混凝土材料的力學性能和抗滲性能提出了更高的要求［1］。為此，擁有更高強度、更好耐久性的超高性能混凝土應運而生，相比于普通混凝土材料，它由高含量凝膠材料、細骨料、高效減水劑組成，具有低水膠比的特點［2］，但現有研究表明，高性能混凝土具有明顯的脆性破壞特征［3］，這對混凝土結構的安全性造成一定的威脅。向混凝土材料中加入纖維是克服這一明顯缺陷的一種有效手段，可以減少超高性能混凝土的收縮率、微裂紋的數量，并且明顯提高它的韌性［4］。

Mohammed等［5］研究了不同含量水灰比以及不同含量玻璃纖維對超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）力學性能以及延展性的影響研究，結果表明低含量水灰比能有效提高UHPFRC力學性能，隨著玻璃纖維含量的增加，UHPFRC力學性能呈現出先增加后緩慢減小的趨勢，在纖維含量為1.5%時力學性能最優。Yang等［6］研究了金屬纖維含量和縱橫比對UHPFRC抗壓行為的影響，研究結果表明UHPFRC抗壓強度和彈性模量隨金屬纖維含量和縱橫比的增加逐漸增大，但當纖維含量超過2%后，抗壓力學性能的增加速率放緩。Shin等［7］進一步研究了金屬纖維類型（直金屬纖維、3肋骨數金屬纖維、6肋骨數金屬纖維）對UHPFRC力學行為的影響，研究結果表明彎曲金屬纖維比直金屬纖維表現出更好的抗拉拔性能，并且其有效性隨著加強筋數量的增加而增加。Alaskar等［8］研究了玄武巖纖維含量對UHPFRC力學行為的影響，研究結果表明隨著玄武巖纖維含量的增加，UHPFRC單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢。Liu等［9］研究了金屬-聚合物混合纖維對UHPFRC力學性能的影響，研究結果表明，隨聚合物纖維含量的增加，UHPFRC的抗壓強度、抗拉強度和抗彎強度均呈現出先增大后減小的趨勢。此外，Abrishambaf等［10］通過室內試驗研究了纖維分布方向對UHPFRC抗拉行為的影響，研究結果表明相同纖維含量條件下，纖維方向與拉拔荷載方向一致時UHPFRC抗拉強度最大，其次為無定向纖維分布，而纖維方向與拉拔荷載方向垂直時UHPFRC抗拉強度最小。Zhang等［11］通過數值模擬的方法進一步研究了纖維含量和分布方向對UHPFRC抗拉強度的影響，研究結果表明纖維分布方向對拉伸應力-應變關系、破壞模式以及界面之間的粘結滑移行為均有所影響，而且只有當纖維方向與拉伸法向分布合理時，纖維含量的增加才有助于增強UHPFRC的抗拉性能。

通過對上述研究現狀的分析可知，關于不同纖維類型、用量以及分布方向對UHPFRC力學性能的研究得到了學者們廣泛的關注。但目前關于不同纖維類型之間的橫向對比還缺乏統一的認識，而且關于纖維類型、用量對UHPFRC抗滲性能的影響機理還未得到足夠的關注。為此，本文開展了不同纖維類型及其用量對超高性能纖維加強混凝土力學性能和抗滲性能影響的研究。其中，纖維選取了金屬纖維（鋼纖維）、礦物纖維（玄武巖纖維）以及聚合物纖維（聚乙烯醇纖維）等3種典型纖維類型，三者的用量均為0，0.5%，1.0%，2.0%。

1 超高性能纖維加強混凝土材料的配置

本文配制UHPFRC的材料主要包括：波蘭特水泥（CEMI 52.5N）、硅灰、碎石英粉、減水劑、細骨料、各種類型的纖維以及水。其中，波蘭特水泥的比重和細度分別為3.15 g/cm3和365.0 m2/kg；硅灰的平均顆粒直徑為8.0 μm，比表面積為17 000.0 m2/kg；碎石英粉的比重和細度分別為2.85 g/cm3和3 100.0 m2/kg；減水劑的型號為ViscoCrete-3425，密度為1.08 kg/L；細骨料的直徑范圍為0.15～4.75 mm，比重為2.60 g/cm3，細度模數為2.5；3種纖維的直徑和長度均分別為15.0 μm和20.0 mm，力學屬性見表1。UHPFRC的配比見表2，其中以每立方米混凝土中水泥質量為單位1，其余材料的配比參照水泥質量為依據。此外，為保證測試結果之間具有可對比性，本文所使用的試樣均為同一批次澆筑。首先，將波蘭特水泥、硅灰、碎石英粉、減水劑、細骨料以及水均勻地混合，之后在均勻混合的混凝土表面灑一層纖維并繼續緩慢攪拌，直至纖維均勻地分布在混凝土中，重復上述步驟直至所有纖維被均勻摻雜在混凝土中，然后將混合好的纖維混凝土倒入立方體模具（150 mm×150 mm×150 mm）中，并用振動棒進行振動，去除纖維混凝土中的氣泡。攪拌過程中并未觀察到明顯的纖維斷裂現象。將盛有纖維混凝土的模具放在恒溫（23 ℃）中靜置24 h，之后將纖維混凝土脫模并放在（20±2）℃恒溫、95%以上濕度條件下養護28 d。養護28 d后，150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體混凝土試樣就被制備出。然后，按照GB/T 50107-2010《混凝土強度檢驗評定標準》［12］對3個未添加纖維的超高性能混凝土立方體（SY-1、SY-2和SY-3） 進行單軸抗壓試驗，立方體試樣單軸抗壓強度見表3。之后，為了評價超高性能混凝土的抗滲性能，通過鉆取立方體試樣，得到直徑為50 mm、高度為100 mm的標準圓柱體試樣。

2 試驗方案及測試方法

2.1 力學參數測試方案及測試方法

首先，針對配置的立方體UHPFRC試樣，利用壓力試驗機測試它們的單軸抗壓強度，其中每種配比工況測試3個試樣，共計30塊立方體試樣。在測試過程中，加載方式采用位移控制，加載速度為0.12 mm/min，直至UHPFRC試樣發生宏觀破壞，獲得試樣的單軸抗壓強度及彈性模量，評價配制的UHPFRC試樣力學性能。每種工況下測試的3塊立方體試樣的力學參數取平均值作為最終的結果。

2.2 抗滲參數測試方案及測試方法

為了滿足滲透率測試設備的試驗要求，需要將立方體UHPFRC試樣鉆取出50 mm×100 mm（直徑×高度）的圓柱體試樣，其中每個立方體試樣可以鉆取出4個標準圓柱體試樣。每種工況配比測試3個圓柱體試樣的滲透率，共計需要10個立方體試樣。對每種工況下測試的3塊圓柱體試樣的滲透率，取平均值作為最終的結果。

由于UHPFRC屬于致密性較好的材料，因此采用考慮Klinkenberg效應的瞬時脈沖法對混凝土試樣的滲透率進行測量，見公式（1）。為了對比不同配比條件下UHPFRC圓柱體試樣的抗滲性能滲透率，測試時所施加的圍壓水平以及試樣上下游所施加氣體壓力均保持一致。詳細過程如下：首先，將鉆取的標準UHPFRC圓柱體試樣包裹在膠皮套中，然后施加2.0 MPa的靜水壓應力，以避免試樣與施加圍壓的液壓油介質接觸同時避免滲透率測量時漏氣；其次，靜水壓力保持不變，在UHPFRC圓柱體試樣的進出口分別注入應力為1.0 MPa的氮氣，均勻充滿試樣；然后，將進口壓力提高到1.5 MPa，在進口和出口之間施加0.5 MPa（ΔP0） 的壓力梯度；采集系統自動采集進出口的壓力變化，根據式（1）計算UHPFRC試樣的滲透率。瞬態脈沖法測量滲透率原理見圖1［13］。

式中：κ是混凝土試樣的氣體滲透率，m2；V1和V2分別表示試樣上下游氣體壓力容器的體積，分別為0.45 L和0.15 L；L是試樣的長度，m；μ和β分別表示氣體的黏度系數和壓縮系數，分別為1.89×10-5 Pa·s和0.99 Pa-1；A是試樣的橫截面面積，m2；Δti表示壓力數據點采樣的時間間隔，s；ΔPi是任意時間下試樣上下游氣體壓力差值，MPa；ΔP0為試樣上下游初始氣體壓力，為0.5 MPa。

3 試驗結果及分析

3.1 UHPFRC力學性能

圖2和圖3給出了不同纖維類型（鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維）及不同纖維含量（0，0.5%，1.0%，2.0%）下UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量演化規律。試驗結果表明：相較于無纖維增強的超高性能混凝土，添加鋼纖維的UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量有了整體提升，且隨著纖維含量的增加，單軸抗壓強度和彈性模量逐漸增大；在0.5%，1.0%，2.0%鋼纖維含量下，單軸抗壓強度的提升率分別為10.63%，22.58%，42.26%，彈性模量的提升率分別為9.25%，14.12%，37.70%。出現這種現象的主要原因是由于鋼纖維本身具有很高的強度（見表1），它可以延遲裂紋的擴展進程［14］，進而降低混凝土基體與鋼纖維之間的應力，因此鋼纖維的添加明顯增加了UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量，且隨著鋼纖維含量的增加呈現出逐漸增大的趨勢。相似的試驗現象在Raheem等［1］的研究中亦被觀察到，佐證了本文試驗結果的合理性。

對于添加玄武巖纖維的UHPFRC，隨著玄武巖纖維含量的增加，UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量呈現出逐漸下降的趨勢，但相較于無纖維增強的超高性能混凝土，在0.5%，1.0%玄武巖纖維含量下UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量僅得到了稍微的提升，其中單軸抗壓強度分別提升了6.92%，4.55%，彈性模量分別提升了8.86%，4.70%；但在2.0%玄武巖纖維含量下，單軸抗壓強度和彈性模量卻呈現出一定的弱化效應，其中單軸抗壓強度下降2.67%，彈性模量下降3.51%。對于在0.5%，1.0%玄武巖纖維含量下UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量的提升，可能的原因是由于玄武巖纖維能夠填充超高性能混凝土內部微裂紋、微孔隙［8］，并且能夠起到連接微裂紋、微孔隙的作用，進而限制了軸向壓力作用下UHPFRC試樣的側向變形，因此起到增強UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量的效應。Pickel等［15］的研究結果表明當玄武巖纖維含量超過最優水平后，混凝土內部包含的空氣體積會隨纖維含量的增加逐漸增多。這表明隨著玄武巖纖維含量的繼續增加，過多的玄武巖含量會導致水泥漿體與骨料之間形成空隙。而Mohammadhosseini等［16］的研究成果進一步表明水泥漿體與骨料之間差的膠結特性會弱化UHPFRC的力學特性。因此，隨著玄武巖纖維含量的增加，UHPFRC內部會形成弱化區，導致UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量呈現出逐漸下降的趨勢，甚至在2.0%玄武巖纖維含量下，UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量低于未添加纖維的超高性能混凝土。

對于添加聚乙烯醇纖維的UHPFRC，和添加玄武巖纖維的UHPFRC相似，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量呈現出逐漸下降的趨勢，但相較于無纖維增強的超高性能混凝土，在0.5%聚乙烯醇纖維含量下，UHPFRC單軸抗壓強度得到了4.64%的提升，而彈性模量得到了4.85%的提升。但在1.0%，2.0%聚乙烯醇纖維含量下單軸抗壓強度和彈性模量卻呈現出一定的弱化效應，其中單軸抗壓強度下降幅度分別為0.68%，10.33%，彈性模量的下降幅度分別為2.20%，12.88%。在0.5%聚乙烯醇纖維含量下，UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量得到小幅度提升，這主要是因為低含量聚乙烯醇纖維的添加會在混凝土基體中形成網絡，彌合裂縫并顯著提高強度［17］，但隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，由于聚乙烯醇纖維自身強度就很低（見表1），且聚乙烯醇纖維具有較強的吸水性［18］，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，更多的水分被吸收，從而使纖維與水泥基體之間產生更多孔隙［19］，導致1.0%，2.0%聚乙烯醇纖維含量下UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量低于無纖維增強的超高性能混凝土，并隨含量的增加逐漸降低。相似的試驗現象在Yan等［2］的試驗研究中也觀察到。

通過圖2和圖3可以看出，相同纖維含量下，添加鋼纖維UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量明顯高于添加玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維的UHPFRC，而添加玄武巖纖維UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量略高于添加聚乙烯醇纖維的UHPFRC。出現這種現象的主要原因是由于鋼纖維自身強度明顯高于玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維的強度，而玄武巖纖維自身的強度高于聚乙烯醇纖維的強度（見表1）。這表明鋼纖維配置的UHPFRC相較于玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維配置的UHPFRC具有更好的抗壓性能。

3.2 UHPFRC抗滲性能

圖4給出了不同纖維類型（鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維）及不同纖維含量（0，0.5%，1.0%，2.0%）下UHPFRC的滲透率演化規律。試驗研究結果表明：相較于無纖維增強超高性能混凝土的滲透率（7.45×10-18 m2），添加聚乙烯醇纖維的UHPFRC滲透率整體得到了明顯的提升，其中在0.5%，1.0%，2.0%聚乙烯醇纖維含量下，滲透率分別為1.70×10-17，3.57×10-17，8.25×10-17 m2。這表明隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，UHPFRC的滲透率逐漸增大，抗滲性能逐漸弱化。出現這種現象的主要原因是聚乙烯醇纖維具有較強的吸水性［18］，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，更多的水分被吸收，從而使纖維與水泥基體之間產生更多孔隙［19］，增加了孔隙之間的連通性，因此添加聚乙烯醇纖維UHPFRC的滲透率整體得到了明顯提升，且隨纖維含量的增加，滲透率提升效應更加明顯。

對于添加玄武巖纖維的UHPFRC，滲透率呈現出隨纖維含量增加而逐漸增大的趨勢，但在0.5%玄武巖纖維含量下，UHPFRC的滲透率明顯低于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率，而在2.0%玄武巖纖維含量下，UHPFRC的滲透率明顯高于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率。出現這種現象的原因如3.1節中揭示玄武巖纖維含量對UHPFRC力學性能影響機理時所解釋的，低含量玄武巖纖維能夠起到填充超高性能混凝土內部微裂紋、微孔隙的效應［8］，因此滲透率會明顯低于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率。但當玄武巖纖維含量超過最優水平后，混凝土內部包含的空氣體積會隨纖維含量的增加逐漸增多［15］，導致水泥漿體與骨料之間形成孔隙并相互溝通，因此增大UHPFRC的滲透率，弱化了抗滲性能。

對于添加金屬纖維的UHPFRC，滲透率呈現出隨纖維含量增加而逐漸減小的趨勢，其中在0.5%，1.0%金屬纖維含量下，UHPFRC的滲透率高于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率，而在2.0%金屬纖維含量下，UHPFRC的滲透率低于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率。出現這種現象的原因可能是：金屬纖維添加后，一方面，金屬纖維與水泥基體之間會形成含有孔隙結構的軟弱截面［19］，起到增大UHPFRC滲透率的效果；另一方面，金屬纖維的添加會起到填充超高性能混凝土內部微裂紋、微孔隙的效應［8］，起到減小UHPFRC滲透率的效果。在這兩方面相互競爭的機制之下，在低金屬纖維含量添加下，金屬纖維與水泥基體之間含有孔隙結構的軟弱截面增大滲透率的效應占到主導作用，因此UHPFRC的滲透率高于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率。但隨著金屬纖維含量的增加，金屬纖維填充超高性能混凝土內部微裂紋、微孔隙的效應逐步占據主導地位，因此添加金屬纖維導致UHPFRC的滲透率逐步降低，并且在2.0%金屬纖維含量下的UHPFRC滲透率呈現出低于未添加纖維超高性能混凝土的滲透率。試驗結果與Li等［20］的研究結果相似，其中添加金屬纖維混凝土的滲透率隨金屬纖維含量的增加而逐漸減小。

此外，從圖4可以進一步看出，在相同纖維含量添加下，添加聚乙烯醇纖維的UHPFRC滲透率明顯高于添加玄武巖纖維和金屬纖維UHPFRC的滲透率。主要原因就是聚乙烯醇纖維具有較強的吸水性［18］，從而使纖維與水泥基體之間產生更多孔隙［19］，增加了孔隙之間的連通性，進而增加了UHPFRC的滲透率。

4 結 論

本文開展了不同纖維類型及不同纖維用量下UHPFRC力學性能（單軸抗壓強度和彈性模量）和抗滲性能（滲透率）的演化規律研究，揭示了纖維類型和用量對UHPFRC力學性能和抗滲性能的影響機制，主要結論如下。

（1） 纖維類型對UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量有較大的影響。其中添加金屬纖維UHPFRC的力學參數明顯高于添加玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維UHPFRC的力學參數，這主要是由于鋼纖維自身強度明顯高于玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維的強度。而添加聚乙烯醇纖維UHPFRC的滲透率明顯高于添加金屬纖維和玄武巖纖維UHPFRC的滲透率，其原因是聚乙烯醇纖維具有較強的吸水性，從而使纖維與水泥基體之間產生更多孔隙，增加了孔隙之間的連通性，進而增加了UHPFRC的滲透率。

（2） 由于鋼纖維本身具有很高的強度，并且可以延遲裂紋的擴展進程，因此UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量隨金屬纖維含量的增加逐步增加；而由于混凝土內部包含的空氣體積會隨玄武巖纖維含量的增加逐漸增多，導致UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量隨玄武巖纖維含量的增加逐漸下降，甚至出現低于未添加纖維混凝土的力學性能；同樣，由于聚乙烯醇纖維自身強度較低，導致UHPFRC的單軸抗壓強度和彈性模量隨聚乙烯醇纖維含量的增加逐步下降，不過由于低含量聚乙烯醇纖維的添加會在混凝土基體中形成網絡，彌合裂縫并顯著提高強度，使得在0.5%聚乙烯醇纖維含量下，UHPFRC單軸抗壓強度和彈性模量得到小幅度提升。

（3） 由于聚乙烯醇纖維具有較強的吸水性，使纖維與水泥基體之間產生更多孔隙，導致UHPFRC的滲透率隨聚乙烯醇纖維含量的增加逐漸增大；而由于混凝土內部包含的空氣體積會隨玄武巖纖維含量的增加而逐漸增多，引起水泥漿體與骨料之間形成孔隙并相互溝通，導致UHPFRC的滲透率隨玄武巖纖維含量的增加逐漸增大，但由于低含量玄武巖纖維能夠起到填充超高性能混凝土內部微裂紋、微孔隙的效應，因此在0.5%玄武巖纖維含量下，UHPFRC的滲透率呈現低于未添加纖維混凝土滲透率的現象；同樣，金屬纖維的添加會起到填充超高性能混凝土內部微裂紋、微孔隙的效果，因此UHPFRC的滲透率隨纖維含量增加而逐漸減小。

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（編輯：胡旭東）

Influence of fiber type and amount on mechanical properties and anti-permeability performance of UHPFRC

ZHANG Yan，WEN Hongping

（School of Engineering Management，Shanxi Vocational University of Engineering and Technology，Taiyuan 030036，China）

Abstract：

Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete （UHPFRC） has been applied to various fields of the construction industry，especially high-rise buildings，long-span bridges，submarine tunnels，etc.，due to its excellent mechanical properties and durability.For this，the effects of fiber type （basalt fiber，steel fiber，and PVA fiber） and their amount （0，0.5%，1.0%，2.0%） on the mechanical properties （uniaxial compressive strength，elastic modulus） and the anti-permeability performance （permeability） of UHPFRC were studied.The research results showed that：① The mechanical properties and the anti-permeability performance of UHPFRC composed of different fiber types are different.The mechanical parameters of UHPFRC with steel fiber are significantly higher than those of UHPFRC with basalt fiber and PVA fiber.The permeability of UHPFRC with PVA fiber is significantly higher than that of UHPFRC with steel and basalt fiber.② Within the scope of this study，the uniaxial compressive strength and elastic modulus of UHPFRC gradually increase with the increasing of steel fiber content，and the overall mechanical parameters are greater than those of the non-fiber concrete.With the increasing content of basalt fiber and PVA fiber，the uniaxial compressive strength and elastic modulus of UHPFRC decrease gradually.③ With the increasing content of PVA fiber and basalt fiber content，the permeability of UHPFRC gradually increases，while the permeability of UHPFRC gradually decreases with the increasing of steel fiber content.

Key words： Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete；basalt fiber；steel fiber；PVA fiber；mechanical property；anti-permeability performance

收稿日期：2022-04-18

基金項目：貴州省交通運輸廳科技項目（2018-123-001）；山西長達交通設施有限公司技術研發項目（2021140711000066）

作者簡介：張 妍，女，講師，碩士，主要從事混凝土性能改進與提升方面的研究。E-mail：262128942@qq.com