纖維因素對(duì)超高性能混凝土的影響研究綜述

沈 城 周陽(yáng)陽(yáng) 于英俊 戴舒寧

揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院（25127）

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)的要求不斷增加，因此科學(xué)家們不斷研究如何進(jìn)一步提高混凝土的相關(guān)強(qiáng)度性能，促成了從高強(qiáng)混凝土再到超高強(qiáng)混凝土的發(fā)展。與普通混凝土材料相比，超高性能混凝土UHPC 在各方面性能上要遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土，特別是裝配式建筑應(yīng)用上具有很大的潛力。

2 UHPC 超高性能混凝土的性能

2.1 UHPC 超高性能混凝土的優(yōu)點(diǎn)

UHPC 強(qiáng)度極高，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到160 MPa，是常規(guī)混凝土強(qiáng)度的3 倍以上；UHPC 韌性優(yōu)異，最大斷裂能可達(dá)4 000 J/m2，使超高性能混凝土在超載或地震作用下具有較好可靠性，結(jié)構(gòu)耐久性好；UHPC 具有的高耐磨性和良好的耐腐蝕性，為在惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)提供了良好的保護(hù)。UHPC有效地減少對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋的使用，為建筑結(jié)構(gòu)提供了更大的可能性。

2.2 UHPC 超高性能混凝土的缺點(diǎn)

UHPC 的造價(jià)成本較高，與傳統(tǒng)混凝土相比，生產(chǎn)的原材料通常為水泥、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維等，這導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加；超高性能混凝土的生產(chǎn)通常采用蒸汽或蒸壓硬化等生產(chǎn)工藝，限制了超高性能混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用；UHPC的低流動(dòng)性，這在很大程度上限制了超高性能混凝土的澆筑；UHPC 具有體積不穩(wěn)定性。

3 UHPC 超高性能混凝土的制備原理及方法

3.1 UHOC 的制備原理

UHPC 是一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的高強(qiáng)度水泥基材料。混凝土是一種多孔、不均勻的材料，其孔結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度的主要因素。因此，UHPC 制備的基本原理是降低孔隙率，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，提高壓實(shí)度。

優(yōu)化細(xì)集料的分選，使細(xì)集料均勻分布在顆粒空間內(nèi)，以提高集料的密實(shí)度，達(dá)到最密實(shí)的狀態(tài)。

通過(guò)添加硅粉、粉煤灰等超細(xì)活性礦物混合物，對(duì)微波填充、化學(xué)反應(yīng)、降低孔隙率、減小孔徑、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)有良好的效果。

在硬化過(guò)程中，蒸汽或蒸壓硬化可以加速水泥脫水過(guò)程和火山灰的加載效應(yīng)，降低材料的化學(xué)收縮，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。

添加鋼纖維，可大幅提高材料的韌性和延性。

3.2 UHPC 的制備與養(yǎng)護(hù)

UHPC 制備過(guò)程中，使用外部和內(nèi)部能量，如真空混合、凝結(jié)前和凝結(jié)過(guò)程中加壓可以降低孔隙和獲得目標(biāo)力學(xué)性能。目前，UHPC 和普通混凝土一樣攪拌、澆筑和振動(dòng)成型。干粉組分混合約10 min，然后加入水和減水劑，攪拌5～10 min。當(dāng)砂漿基體表現(xiàn)出恰當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性后加入纖維（如果需要）。使用不同尺寸的混雜纖維時(shí)，應(yīng)先手工加入微纖維，然后加入長(zhǎng)纖維[1]。

對(duì)于UHPC 養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、常壓熱養(yǎng)護(hù)、壓蒸養(yǎng)護(hù)都常用于UHPC 生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)是最常見(jiàn)、環(huán)境友好的養(yǎng)護(hù)方式。20 ℃養(yǎng)護(hù)時(shí)，膠凝材料火山灰活性較弱，如果延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，UHPC 也能達(dá)到200 MPa。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后的UHPC 再24 h 常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，抗壓強(qiáng)度可提高15～30 MPa。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，所有的配比90 ℃養(yǎng)護(hù)12 d 后抗壓強(qiáng)度均可提高。壓蒸養(yǎng)護(hù)的UHPC 抗壓強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和90 ℃熱養(yǎng)護(hù)，摻有3%或4%纖維的UHPC 蒸養(yǎng)8 h 即能達(dá)到200 MPa。熱養(yǎng)護(hù)工藝復(fù)雜并且能源消耗大，發(fā)展室溫養(yǎng)護(hù)UHPC 生產(chǎn)將是主流并將廣泛應(yīng)用。

4 纖維因素對(duì)UHPC 超高性能混凝土的影響

4.1 鋼纖維摻量對(duì)于UHPC 性能的影響

增加鋼纖維含量可以降低UHPC 的流動(dòng)性。整體降低趨勢(shì)呈現(xiàn)先緩慢后突變。鋼纖維含量在2.0%～2.5%，流動(dòng)性就會(huì)顯著下降[2-3]。

增加鋼纖維含量，可以提高UHPC 的拉伸強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等性能。但是隨著鋼纖維含量的增加，特別是鋼纖維的含量提高了2%以上后，抗壓強(qiáng)度的增加幾乎保持不變。

隨著鋼纖維含量的增加，UHPC 中重疊纖維的數(shù)量增加，而不是重疊纖維的比例增加，特別是2.0%的纖維含量增加到2.5%，UHPC 中不重纖維的比例顯著增加。但是鋼纖維的分散性達(dá)到一定的臨界值，就會(huì)再次聚集和團(tuán)聚，從而降低纖維的有效利用率。

提高鋼纖維的纖維含量有助于改善UHPC 的干燥收縮率，如果超過(guò)纖維含量的臨界值，則干燥性能顯著改善。

4.2 鋼纖維外形及規(guī)格對(duì)于UHPC 性能的影響

同一形狀的鋼纖維，與線型鋼纖維相比，端鉤的鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響更好。形狀不同的鋼纖維中，規(guī)格較小的微細(xì)鋼纖維（長(zhǎng)度為 13 mm）對(duì)UHPC 增強(qiáng)效果比較粗的鋼纖維 （長(zhǎng)度為25 mm）好。鋼纖維和UHPC 基體之間有機(jī)械咬合力、摩擦力和黏結(jié)力3 種連接方式。端鉤型鋼纖維的形狀變化后，鋼纖維和基體之間的機(jī)械力增加。但是對(duì)于不同規(guī)格的鋼纖維，微細(xì)纖維強(qiáng)化效果好的主要原因是微細(xì)纖維比表面積大，可以從微觀力學(xué)的角度避免應(yīng)力集中，有更好的傳力路徑。因此鋼纖維的摻量小時(shí)，微細(xì)纖維比粗鋼纖維有更大的效果[4]。

單一混合物的情況下，不同規(guī)格的鋼纖維對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度影響較小，效果最好的端鉤短纖維和效果一般的長(zhǎng)直纖維只有15 MPa。結(jié)果表明，端鉤型鋼纖維的增強(qiáng)效果優(yōu)于直線型鋼纖維，微細(xì)鋼纖維的抗彎和抗拉強(qiáng)度比粗鋼纖維高28.7%。在復(fù)摻的情況下，鋼纖維能進(jìn)一步提高UHPC 的抗彎拉強(qiáng)度，比單摻強(qiáng)度提高10.4%。

4.3 鋼纖維取向角對(duì)于UHPC 性能的影響

用于水泥基復(fù)合材料的鋼纖維通常是隨機(jī)分布在水泥基材料上的短鋼纖維。可以通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)控制所有或大多數(shù)鋼纖維的方向。，在這個(gè)方向上鋼纖維的方向系數(shù)大幅增加，有效提高了水泥復(fù)合材料的韌性和斷裂性能，改善了水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能。

UHPC 拌和物中鋼纖維的取向隨著澆筑方向和速度的變化而變化，并且取向率高。沿拉伸方向澆筑的UHPC，沿軸向角度占比88%，極限拉伸強(qiáng)度為13 MPa，極限拉伸電壓為0.003 8 V。

UHPC 基體的流變性能、 纖維分散性能和力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。UHPC 基體的流變參數(shù)越小，纖維的軸向取向系數(shù)越高，纖維的有效利用率越高，對(duì)應(yīng)的UHPC 的力學(xué)性能越高。

4.4 不同材質(zhì)纖維混雜對(duì)于UHPC 性能的影響

聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維的摻入，有助于提高超高性能混凝土的抗折性能、 抗彎性能和韌性。聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維的摻入，有助于提高超高性能混凝土養(yǎng)護(hù)期間的抗裂性能和抗爆裂性能。

無(wú)機(jī)類(lèi)纖維的摻入，在一定程度上改善超高性能混凝土的有關(guān)性能，但改善效果不顯著，需要與有機(jī)類(lèi)纖維混雜摻入。

磷酸鋅添加入鋼纖維，有助于提高UHPC 的極限拉伸強(qiáng)度。添加了橡膠粒子的再生鋼纖維，不僅能提高UHPC 的斷裂性能，還能減少其高溫爆裂。

4.5 PVA 纖維對(duì)于UHPC 性能的影響

PVA 纖維含量的增加，導(dǎo)致立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的降低。當(dāng)纖維含量為0.6%時(shí)，纖維混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度下降20%，軸壓強(qiáng)下降18.1%。

PVA 纖維摻量的增加，有助于提高超高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，纖維混凝土抗折強(qiáng)度提高36.04%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高22.4%。經(jīng)研究表明，考慮到超高性能混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能，PVA 的最優(yōu)摻量為0.2%。

PVA 纖維的摻入，有效改善了超高強(qiáng)混凝土的脆性，阻止了混凝土中微裂縫的形成和發(fā)展，提高了超高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

UHPC 水泥基材料是一種具有超高強(qiáng)度和耐久性的特殊材料，在很多領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。其中，纖維是UHPC 超高性能混凝土的關(guān)鍵因素，摻量、規(guī)格及形狀、取向角、彈性模量為影響纖維因素的內(nèi)在因素，不同類(lèi)型的纖維混雜會(huì)導(dǎo)致UHPC 性能因摻入纖維的性能而發(fā)生改變。與鋼纖維相比，PVA 纖維材料具有其獨(dú)特的性能。對(duì)于UHPC 而言，纖維的摻入往往都會(huì)進(jìn)一步提升其力學(xué)性能。但是纖維的增加導(dǎo)致了其造價(jià)成本的提高，同時(shí)也進(jìn)一步限制了其的發(fā)展。但隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的逐漸重視，相信在不久將來(lái)的基本建設(shè)中UHPC 仍有著廣闊的應(yīng)用前景。