纖維對抗沖磨超高性能混凝土性能的影響

丁慶軍，耿雪飛，彭程康琰，張 恒，譙理格，趙明宇

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院， 武漢 430070；2.中建商品混凝土有限公司， 武漢 430200； 3.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，沈陽 110168)

0 引 言

我國西部山區地勢復雜，多深溝峽谷，橋梁建設量巨大，而山區多發泥石流、洪水等自然災害，泥沙和石塊等固體碎屑物流速快、流量大、破壞力強，橋梁墩柱和水工結構在山洪、泥石流沖磨和動荷載耦合作用下，服役一到兩年，普遍出現鋼筋保護層混凝土沖磨脫落和裂縫，造成巨大安全隱患和較高的維修成本。普通混凝土材料無法滿足西部山區橋梁墩柱和水工建筑物嚴酷的服役環境，迫切需要開發高強度、高耐磨蝕性能和抗沖擊韌性的混凝土材料，以用于橋墩等水工建筑物的新建和修補加固工程，提高嚴酷環境下橋墩和水工建筑物抗沖磨/沖擊性能，延長服役壽命，降低后期維護成本，超高性能混凝土由于其優異的力學性能、抗沖擊韌性和耐磨蝕性能而備受關注。提升混凝土抗沖磨性能的研究主要集中在集料、摻合料、外加劑、纖維等方面，其中纖維是影響其抗沖磨性能的重要因素，目前主流的纖維增強理論有Romualdi等提出的“纖維阻裂理論”和“纖維混合定律”[1]。Wille等[2]研究發現纖維能抑制混凝土早期水分流失和后期干燥收縮而產生的微裂紋，提升混凝土基體強度，進而改善混凝土的抗沖擊韌性和耐磨蝕性能；宋文浚等[3]研究了不同種類纖維對混凝土抗沖磨性能的影響，發現聚乙烯醇纖維(PVA纖維)對混凝土的抗沖磨強度提升較為顯著；Shen等[4-5]研究發現端鉤鋼纖維可有效改善混凝土開裂問題，為研究UHPC沖擊開裂性能提供理論參考。目前，關于纖維混凝土抗沖磨材料的組成、結構與性能，國內外已有大量研究并應用于工程實踐[6]，然而在我國西部山區強洪水泥石流沖擊沖刷環境下，傳統的混凝土抗沖磨材料在實際工程應用過程中抗沖磨強度不足的缺點日益凸顯，C120及以上強度等級的超高性能混凝土抗沖磨研究相對缺乏。因此，基于纖維增強理論，進一步研究纖維對超高性能混凝土抗沖磨性能的影響規律和機制，開發高抗沖擊韌性和高耐磨蝕性能的抗沖磨UHPC材料，具有實用價值。

選取鍍銅長鋼纖維、鍍銅短鋼纖維、多錨點鋼纖維和PVA纖維，研究纖維種類、摻量和混摻方式對超高性能混凝土工作性能、力學性能和抗沖磨/沖擊性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：華新水泥股份有限公司P·O 52.5，表觀密度3 070 kg/m2，其主要化學組成見表1，性能指標見表2。

表1 原材料主要化學組成Table 1 Main chemical composition of raw materials /wt%

表2 水泥性能指標Table 2 Performance indicators of cement

(2)硅灰：比表面積19 500 m2/kg，其主要化學組分見表1。

(3)粉煤灰微珠：28 d活性指數>90%，物理性能指標見表3。

表3 粉煤灰微珠的物理性能Table 3 Physical properties of fly ash microbeads

(4)纖維：纖維外觀見圖1，性能指標見表4。

(5)減水劑：聚羧酸高效減水劑，固含量30%，減水率30%。

(6)集料：機制砂，細度模數2.8，石粉含量5%，亞甲藍值1.0。

(7)水：普通自來水。

圖1 不同種類纖維圖片
Fig.1 Different kinds of fiber pictures

表4 纖維主要性能指標
Table 4 Main performance indicators of fiber

Performance indicatorCopper plated short steel fiberCopper plated long steel fiberMulti-anchor steel fiberPVA fiberModelCW01-02/06CW01-02/13CW07-09/60-ExteriorMonofilamentMonofilamentEnd hooks-Density/(g/cm3)8.028.057.961.28Elastic modulus/GPa200-220200-220210-230-Nominal length/mm13222612Equivalent diameter/mm0.250.250.502dtexBreaking strength/MPa≥2 200≥2 000≥1 000cn/dtex ≥12Elongation at break/%≥10≥8≥106-8

1.2 試驗方法

混凝土試樣成型、脫模后，標準養護28 d，進行各項性能測試。

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)和《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)進行超高性能混凝土力學性能測試，抗壓強度試樣尺寸100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試樣尺寸100 mm×100 mm×400 mm。

圖2 抗沖擊試驗示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of impact resistance test(unit：mm)

參照《水工混凝土試驗規程》(DLT 5150—2001)中水下鋼球法進行超高性能混凝土抗沖磨性能測試，試驗儀器為SJA-1混凝土抗沖磨(水下鋼球法)測試儀，試樣尺寸φ300 mm×100 mm，如圖2所示。(1)試驗前，將試樣浸泡至少48 h；(2)試驗時，取出后擦干明水，稱其質量M1；(3)試樣放入抗沖磨試驗機中沖磨T=72 h，取出擦干明水，稱其質量M2；(4)計算試樣磨失量MT/kg，MT=M1-M2；(5)測定抗沖磨強度Ra/(h/(kg/m2))，Ra=T×A/MT，其中A為試樣受沖磨面積/m2。

參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13：2009)進行抗沖擊性能試驗，抗沖擊試樣尺寸φ100 mm×50 mm。選用質量m=1 kg鋼球在高度h=1 m的平臺進行自由降落沖擊混凝土試樣，統計混凝土試樣出現明顯裂縫或開裂時的試驗次數n，沖擊功W=m×g×h×n。計算沖擊功對抗沖擊性能進行評價。

2 結果與討論

2.1 纖維種類

分別制備單摻鍍銅短鋼纖維、鍍銅長鋼纖維、多錨點鋼纖維和PVA纖維的超高性能混凝土試樣，各組試驗配合比如表5所示，試驗結果如圖3所示。

表5 試驗配合比Table 5 Experimental mix ratio

圖3 試樣工作性能、力學性能、抗沖磨/沖擊試驗結果
Fig.3 Sample work performance, mechanical properties, anti-wear/impact test results

由圖3可知，試驗摻量下，鍍銅短鋼纖維制備的混凝土試樣工作性能最優，擴展度為600 mm，坍落度為245 mm，而摻加鍍銅長鋼纖維、多錨點鋼纖維和PVA纖維的試樣工作性能依次降低。這是由于長鋼纖維較短鋼纖維與膠凝漿體的連接更緊，而多錨點鋼纖維兩端為波浪狀，與平直狀鋼纖維相比，其與膠凝漿體的錨固連接作用更強。PVA纖維相對于鋼纖維其本身密度小，較軟且不易分散，在成型試樣時，極易將膠凝漿體聚集于一體，影響試樣的工作性能，故PVA纖維制備的試樣工作性能低于其他各組鋼纖維制備的試樣的工作性能。

試驗摻量下，多錨點鋼纖維制備的試樣力學性能、抗沖磨/沖擊性能最優，其28 d抗壓強度達144.5 MPa，28 d抗折強度達29.7 MPa，28 d抗沖磨強度達161.7 h/(kg/m2)，沖擊功1 580 J。纖維在混凝土基體內三維亂向分布，與基體產生錨固粘結作用，形成纖維網絡結構，限制微裂縫的發展以及宏觀裂縫的產生，提升試樣的力學性能。多錨點鋼纖維由于其兩端為波浪狀，對裂縫的產生和發展有著更好的約束作用[5]，所以相比于平直型鋼纖維，摻入多錨點鋼纖維的混凝土抗壓、抗折強度更高。并且多錨點鋼纖維與基體的錨固粘結作用更好，在鋼球的沖磨沖擊作用下，混凝土磨蝕損耗最小，抗沖磨/沖擊性能最優。PVA纖維對基體的作用主要體現在受壓破壞時對試樣表層脹裂的約束[7]，但PVA纖維本身強度過低，單摻PVA纖維混凝土試樣的力學性能和抗沖磨/沖擊性能低于單摻鋼纖維的試樣。

2.2 纖維摻量

試驗選擇多錨點鋼纖維來探究纖維摻量對抗沖磨超高性能混凝土性能的影響，試驗配合比如表6所示，試驗結果如圖4所示。

表6 試驗配合比Table 6 Experimental mix ratio

由圖4可知，試樣的工作性能隨多錨點鋼纖維摻量的增加而降低。纖維摻量為2.0vol%時，擴展度、坍落度分別為580 mm、240 mm；而當纖維摻量為3.0vol%時，擴展度、坍落度分別僅為490 mm、220 mm，已難以滿足常規泵送密實施工要求。多錨點鋼纖維摻量越高，其與膠凝漿體的連接越強，形成的三維網絡結構越緊密，且其摻量達3.0vol%時，纖維分散度小，分散均勻性差，導致工作性能降低。

圖4 試樣工作性能、力學性能、抗沖磨/沖擊試驗結果
Fig.4 Sample work performance, mechanical properties, anti-wear/impact test results

多錨點鋼纖維摻量為2.5vol%以下時，隨著其摻量的增加，混凝土力學性能和抗沖磨/沖擊性能提升；纖維摻量由2.5vol%提升至3.0vol%時，混凝土試樣力學性能提升幅度較小，抗沖磨/沖擊性能反而下降。這是由于在試驗范圍內，纖維摻量較低時，纖維網絡約束混凝土基體，極大地阻礙微觀裂紋產生與宏觀裂縫發展，纖維變形拔出和滑移可降低混凝土受力時的應力集中，進而提升混凝土力學性能，降低混凝土基體的沖磨磨損，提升其抗沖擊韌性。但纖維摻量達到3.0vol%時，纖維分散度低，分散均勻性差，易結團，鋼纖維與基體之間的界面粘結強度較低，對混凝土力學性能提升不顯著，反而會降低混凝土抗沖磨性能[8]。

2.3 纖維混摻方式

制備長短混摻、長與多錨點混摻、短與多錨點混摻以及短與PVA混摻混凝土試樣，研究不同混摻方式對試樣的工作性能、力學性能和抗沖磨/沖擊性能的影響規律，試驗配合比如表7所示，試驗結果如圖5所示。

表7 試驗配合比Table 7 Experimental mix ratio

圖5 試樣工作性能、力學性能、抗沖磨/沖擊試驗結果
Fig.5 Sample work performance, mechanical properties, anti-wear/impact test results

由圖5和圖3可知，混摻纖維試樣的工作性能介于同摻量下兩者單摻的試樣之間，具有良好的力學性能和抗沖磨性能，混摻纖維試樣較同摻量下單摻試樣的抗沖擊性能提升尤為顯著。鍍銅長鋼纖維與多錨點鋼纖維混摻制備的試樣坍落度、擴展度分別為235 mm、560 mm，28 d抗壓、抗折強度和抗沖磨強度達147.5 MPa、30.1 MPa和162.8 h/(kg/m2)，沖擊功1 690 J，在具備良好力學、抗沖磨/沖擊性能的同時，還具有良好的工作性能。

多錨點鋼纖維和其他纖維混摻后與基體的勾連錨固粘結效果更佳，在混凝土受外力時，不同纖維的變形拔出和滑移釋放局部應力[9]，混凝土整體吸能性能提升，減緩混凝土沖擊破壞，混摻纖維的協同效應抑制了裂縫的產生和發展[10]。而鍍銅長鋼纖維與鍍銅短鋼纖維混摻，長纖維抑制宏觀裂縫的發展，短纖維橋接微裂縫[11]，雖然沒有多錨點鋼纖維與基體的錨固粘結作用強，但長短混摻纖維相互耦合作用仍強于單一纖維作用。基于微觀力學上的不同作用機制，將鍍銅短鋼纖維與PVA纖維混摻，當試樣內部結構中出現微裂縫后，裂縫部位的兩面基體退出承受荷載，改由橫貫裂縫的鍍銅短鋼纖維和PVA纖維共同承擔荷載，當鍍銅短鋼纖維與PVA纖維混摻時，纖維在成型過程中彼此纏繞在一起，形成一種支撐結構體系，從而減少基體的收縮和受到荷載作用前的初始內部缺陷以及內部存在的附加拉應力[9]，因此，鍍銅短鋼纖維與PVA纖維混摻試樣的力學性能和抗沖磨/沖擊性能優于單摻PVA纖維的試樣。

3 結 論

(1)在摻量2.5vol%下，單摻鍍銅短鋼纖維時抗沖磨UHPC工作性能較優，單摻多錨點鋼纖維時試樣的力學性能和抗沖磨/沖擊性能較優，單摻PVA纖維時試樣的工作性能、力學性能和抗沖磨/沖擊性能均低于單摻鋼纖維的試樣。

(2)在試驗范圍內，隨多錨點鋼纖維摻量的增加，混凝土抗沖磨/沖擊性能先提升后降低，較優摻量為2.5vol%。

(3)纖維混摻可提升抗沖磨超高性能混凝土力學性能和抗沖磨/沖擊性能。鍍銅長鋼纖維與多錨點鋼纖維混摻時，抗沖磨UHPC的28 d抗壓、抗折強度、抗沖磨強度和沖擊功分別達147.5 MPa、30.1 MPa、162.8 h/(kg/m2)和1 690 J，且具有良好的工作性能。