超高韌性纖維混凝土配合比設(shè)計及力學(xué)性能研究

林華明

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)往往無法滿足一些特殊要求，例如在地震、爆炸或大型機械作用下需要更高的抗震性能和韌性。因此，人們對于開發(fā)出具有超高韌性的纖維混凝土產(chǎn)生了濃厚興趣。黃博滔[1]認(rèn)為超高韌性纖維混凝土材料（UHTCC）具有顯著的應(yīng)變硬化和多縫開裂特征。劉澤立[2]以UHTCC為研究對象，使用聚乙烯醇纖維（PVA）和改性聚丙烯纖維（PP）作為自變量，設(shè)計了20組配合比，并評估了UHTCC混凝土的耐久性能。另外，文韜[3]等改性PP纖維摻入量與超高韌性混凝土的抗折性能成正比。然而，在纖維含量較低時，整體材料可能缺乏足夠的纖維支撐來承受拉應(yīng)力。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)混凝土流動狀態(tài)，按照2.06:1的質(zhì)量比復(fù)配20～40目和40～120目的石英砂，維持0.2的水膠比，摻入聚丙烯纖維1 kg/m3、鋼纖維200 kg/m3，不僅能賦予混凝土更強抗折性能，且能保障混凝土內(nèi)鋼纖維分布均勻。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的配合比，混凝土28d時能達(dá)到不低于130 MPa的抗壓強度和不低于35 MPa的抗折強度，滿足實際工程需要。

1 超高韌性纖維混凝土概述

超高韌性纖維混凝土是一種新型的復(fù)合材料，是通過在混凝土中添加特定類型的纖維材料來增強其韌性和耐久性。此類纖維包含鋼纖維、玻璃纖維、聚合物纖維等，它們與水泥基質(zhì)形成有效的協(xié)同作用，提供了優(yōu)異的力學(xué)性能[4]。該材料具有出色的抗裂性能和高強度，相比傳統(tǒng)混凝土，在抗拉、抗彎、抗沖擊等方面表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。

該材料的特點包含：（1）高韌性。通過添加纖維材料，使得混凝土在受力時能夠克服裂縫擴展的傾向，從而提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和延展性。（2）抗裂性。由于添加了纖維材料，在混凝土內(nèi)部形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地阻止了裂縫的擴展。即使在受到大幅度荷載時，UHTFRC也能夠保持較小的裂縫寬度。（3）高強度。纖維材料的添加不僅提高了混凝土的韌性，還增加了其整體強度。與傳統(tǒng)混凝土相比，具有更高的抗壓和抗彎強度，能夠承受更大的荷載。（4）耐久性。由于纖維材料的存在，超高韌性纖維混凝土具有出色的耐久性。能夠有效地抵御化學(xué)侵蝕、凍融循環(huán)和疲勞等外界環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)造成的損害。

2 超高韌性纖維混凝土配合比設(shè)計

2.1 主要原材料選擇

（1）水泥。常見的水泥類型包括硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥等。在配合比設(shè)計中，根據(jù)所需的強度等級和工程要求，選擇適當(dāng)類型和品種的水泥。（2）礦物摻合料。礦物摻合料是指將一定量的粉狀或顆粒狀非金屬無機物加入超高韌性纖維混凝土中，用于改善其力學(xué)性能和耐久性能[5]。常用的礦物摻合料包括粉煤灰、硅灰、礦渣粉等。在配合比設(shè)計中，根據(jù)超高韌性纖維混凝土的使用環(huán)境和要求，選擇適當(dāng)類型和摻量的礦物摻合料。（3）石英砂。石英砂是超高韌性纖維混凝土中常用的細(xì)集料，其主要作用是填充膠凝材料之間的空隙，增加混凝土的密實性和強度。在配合比設(shè)計中，根據(jù)所需的流動性、工作性能和力學(xué)性能等要求，選擇適當(dāng)級配和含水率的石英砂。（4）鋼纖維。鋼纖維是超高韌性纖維混凝土中重要的增強材料，其主要作用是增加混凝土的韌性和抗裂性能。常見的鋼纖維類型包括直徑0.2～1.0mm的鋼絲或鋼筋。在配合比設(shè)計中，根據(jù)所需的韌性指標(biāo)和力學(xué)性能等要求，確定適當(dāng)長度、直徑和摻量的鋼纖維。（5）聚丙烯纖維。聚丙烯纖維是超高韌性纖維混凝土中常用的增強材料之一，其主要作用是增加混凝土的韌性和抗裂性能。聚丙烯纖維具有良好的耐堿性和耐久性，在混凝土中分散均勻，并與水泥基體形成協(xié)同增強效應(yīng)。在配合比設(shè)計中，根據(jù)所需的韌性指標(biāo)和力學(xué)性能等要求，確定適當(dāng)摻量的聚丙烯纖維[6]。（6）減水劑。減水劑是超高韌性纖維混凝土中常用的添加劑，其主要作用是調(diào)節(jié)混凝土的流動性和工作性能。通過使用適當(dāng)類型和摻量的減水劑，可以降低混凝土的黏稠度，提高流動性，從而方便施工操作，并保證混凝土內(nèi)部纖維分散均勻。在配合比設(shè)計中，根據(jù)所需的流動性、工作性能和力學(xué)性能等要求，選擇適當(dāng)類型和摻量的減水劑。

2.2 配合比設(shè)計

2.2.1 石英砂緊密堆積模型

圍繞3種石英砂開展緊密堆積計算，其中石英砂1為20～40目、表觀密度2.626 kg/m3、緊密密度1.448 kg/m3、孔隙率0.448；石英砂2為80～120目，表觀密度2.368 kg/m3、緊密密度1.589 kg/m3、孔隙率0.339；石英砂3為40～120目、表觀密度2.474 kg/m3、緊密密度1.565 kg/m3、孔隙率0.367。

以式（1）為依據(jù)，參考3種石英砂表觀與緊密密度進行最緊密堆積用量比的計算。

式中：ρ1、ρ2代表較粗、細(xì)砂表觀密度，kg/m3。經(jīng)理論推導(dǎo)后，以2.08:1的質(zhì)量比進行石英砂1和2的復(fù)摻；以2.06:1的質(zhì)量比進行石英砂1和3的復(fù)摻。

2.2.2 三元膠材體系組分用量比例的確定

為了確定復(fù)合膠凝材料的最緊密堆積特性，開展最小需水量試驗。試驗中，選定水泥和礦粉作為膠凝材料，使用硅灰來替代部分膠凝材料，探索不同取代量能轉(zhuǎn)變原本潮濕、固體狀態(tài)的拌合物為平坦均勻的漿體所需要最低用水量。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以觀察到，在硅灰分別為10%和15%的摻量時，有著基本相同的最小用水量。因此后續(xù)試驗中選擇這兩組摻量展開進一步的研究。

表1 水泥、礦粉、硅灰體系最小用水量

以下兩種膠凝材料比例進行試驗：

（1）m（水泥）: m（礦粉）: m（硅灰）=72 : 18 : 10

（2）m（水泥）: m（礦粉）: m（硅灰）=68 : 17 : 15

然而，該方法只考慮了物理方面的最緊密堆積特性，并沒有考慮硅灰摻量對水泥水化過程的影響。在綜合考慮水化影響時，還需調(diào)整水泥與硅灰比例。

2.2.3 鋼纖維摻量

在實際工程中應(yīng)用超高韌性纖維混凝土?xí)r，需要考慮其抗壓和抗折等力學(xué)性能。使用高彈模的鋼纖維可以有效提升超高韌性纖維混凝土的力學(xué)特性。然而，并過多的鋼纖維也會帶來一些問題。例如，隨著鋼纖維摻量的增加，超高韌性纖維混凝土的流動性會變差，并出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。這是因為鋼纖維的存在會干擾混凝土的流動性，使其變得更加黏稠[7]。可能會影響施工過程和材料的均勻性，且增加鋼纖維摻量也會導(dǎo)致成本上升。

基于以上考慮，最終選擇將鋼纖維體積摻量控制在2%。該摻量既能夠在一定程度上提升超高韌性纖維混凝土的力學(xué)性能，又不會對流動性產(chǎn)生過大影響，并且相對成本較為合理。這樣可以確保超高韌性纖維混凝土在實際工程中發(fā)揮出最佳作用。

2.2.4 水膠比

在混凝土制備中，水膠比是一個重要的參數(shù)。如果水膠比過低，會影響混凝土的流動性，影響水泥的水化。相反，如果水膠比過高，會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部密實性下降，并對強度發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響[8]。基于此，本次試驗中選擇三種不同的水膠比進行研究，分別為0.16、0.18和0.20。

2.3 初始配合比確定

表2列出超高韌性纖維混凝土初始配合比，其中摻加的鋼纖維為總體積2%的量，即200kg/m3，摻加的減水劑為膠凝材料質(zhì)量2.5%的量。

表2 超高韌性纖維混凝土配合比初步設(shè)計（kg/m3）

3 配合比設(shè)計結(jié)果及力學(xué)性能測試

3.1 工作性能測試

超高韌性纖維混凝土的配合比設(shè)計中，骨料只包含超細(xì)砂。為了判斷所設(shè)計的配合比是否滿足工程現(xiàn)場澆筑需求，參考GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度試驗標(biāo)準(zhǔn)》進行了流動性試驗。根據(jù)試驗結(jié)果得知，3#、4#、7#和8#初始工作狀態(tài)不佳，基本上沒有流動性，拌合物成團粘聚在一起，無法通過重力直接倒出攪拌鍋，因此并沒有獲得跳桌擴展度數(shù)據(jù)。

通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，選用連續(xù)級配的石英砂1和石英砂2導(dǎo)致了流動性變差。復(fù)配這兩種骨料后整體粒徑偏小（即細(xì)度偏大），影響級配連續(xù)性，從而導(dǎo)致拌合物流動性下降。1#、2#、5#和6#由于復(fù)配石英砂1和3，級配連續(xù)性可觀，隨著水膠比的增大，流動性明顯改善。尤其是0.20的水膠比時，流動性非常好，能夠達(dá)到不低于250mm的跳桌擴展度，且加入鋼纖維基本不會影響流動性。

基于以上分析結(jié)果，配合比設(shè)計中，按2.06 : 1的質(zhì)量比復(fù)配使用石英砂1和3。

3.2 力學(xué)性能測試

為了評估超高韌性纖維混凝土的力學(xué)性能，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)試件進行測試。其中，正方體試件尺寸為100mm×100mm×100mm，長方體試件尺寸為150mm×150mm×600mm。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002），對試件進行抗壓和抗折強度測試。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以看出，采用石英砂1和石英砂2復(fù)配的試樣在強度方面普遍較低，而采用石英砂1和石英砂3復(fù)配的試樣則具有更高的強度表現(xiàn)。這是因為較小粒徑的石英砂無法提供足夠的強度。另外，含氣量小于3.0%的試樣密實性更高，抗壓強度也有所提升。表明成型中，足夠的振動時間是減少試塊內(nèi)部氣泡的決定性因素之一。

表3 不同配合比設(shè)計結(jié)果的力學(xué)性能

3.3 配合比優(yōu)化

根據(jù)上述試驗確定優(yōu)化后的超高韌性纖維混凝土配合比9#為：水泥730 kg/m3、硅灰157 kg/m3、礦粉157 kg/m3、石英砂1 800 kg/m3、石英砂3 388 kg/m3、鋼纖維200 kg/m3、聚丙烯纖維1 kg/m3、用水208 kg/m3。摻加的減水劑為膠凝材料總質(zhì)量2.5%的量。

測試結(jié)果顯示，摻加較少的聚丙烯纖維，并不會對超高韌性纖維混凝土的工作性能產(chǎn)生顯著影響。工作性能測試確定相關(guān)參數(shù)為：220mm的坍落度、620mm的擴展度，含氣量2.5%，倒坍時間1.9s。力學(xué)性能測試中，依照0.20的水膠比，選取初始配合比1#、5#以及優(yōu)化配合比9#進行評估。具體的測試結(jié)果如表4所示。

表4 超高韌性纖維混凝土配合比優(yōu)化后的強度比對

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可以看出，從強度發(fā)展方面來看，超高韌性纖維混凝土密切關(guān)聯(lián)著水泥用量，增加膠凝體系中使用的水泥量時，會迅速提升混凝土強度。相較于初始配合比5#配比，9#水泥用量減少了22kg。然而，在各齡期的強度測試中，并沒有顯著差異。在對經(jīng)濟社會效益予以考慮的基礎(chǔ)上，確定為低水泥用量[9]。根據(jù)流動性試驗結(jié)果，確定最佳用水量中的水膠比為0.19～0.20，施工實際中以具體情況為根據(jù)酌情調(diào)整。

4 結(jié)論

本文提出抗裂性能、延展性和能量吸收能力更強的超高韌性纖維混凝土配合比方案，在抗震、防爆以及修復(fù)老化結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)出了巨大的潛力，為進一步推動超高韌性纖維混凝土在工程實踐中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。研究主要得到以下結(jié)論：通過調(diào)整最小用水量法試驗結(jié)果，確定膠凝材料中水泥：礦粉：硅灰=70 : 15 : 15的最佳質(zhì)量比。依據(jù)混凝土流動狀態(tài)，按照2.06:1的質(zhì)量比復(fù)配20～40目和40～120目的石英砂，維持0.2的水膠比，摻入聚丙烯纖維1kg/m3、鋼纖維200kg/m3，不僅能賦予混凝土更強抗折性能，且能保障混凝土內(nèi)鋼纖維分布均勻。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的配合比，混凝土28d時能達(dá)到不低于130 MPa的抗壓強度和不低于35 MPa的抗折強度，滿足實際工程需要。

綜上所述，本研究通過對超高韌性纖維混凝土配合比設(shè)計和力學(xué)性能研究，為該材料在工程實踐中的應(yīng)用提供了一定的理論和實驗基礎(chǔ)。