鋼-聚丙烯混雜纖維增強超高性能混凝土強度試驗研究

陳 倩，徐禮華，吳方紅，曾彥欽，梁旭宇

(武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一種新型水泥基復合材料，其超高性能主要表現在良好的工作性能、超高的物理力學性能和優異的耐久性能。迄今，超高性能混凝土大致分為兩類：一類是活性粉末混凝土(RPC)，不含粗骨料；另一類是含粗骨料的超高性能混凝土(CA-UHPC)。纖維增強混凝土是在混凝土復合的基礎上(粗骨料、細骨料、水泥化合物等)再次復合的材料，通過摻入單相纖維或者同時摻加不同種類、不同含量或不同尺度的纖維來改善混凝土固有的抗拉強度低、脆性差等缺點。研究表明[1-2]，將聚丙烯纖維和鋼纖維混雜加入混凝土后，兩種纖維協同工作，纖維相互空間作用得到加強，能夠形成工作性能良好的空間整體，進而使UHPC力學性能得到一定程度的改善和提高。然而，國內現有UHPC相關規范[3-4]僅對UHPC原材料、配合比設計、試驗方法和結構設計與施工技術進行了規定，并未給出含纖維UHPC與基體混凝土強度的理論關系以及纖維增強UHPC本構模型。對于鋼-聚丙烯混雜纖維增強超高性能混凝土這樣一種相當復雜的多相復合材料而言，其本構關系的研究無疑將成為其整體發展的重要制約因素，而基本強度為本構模型建立的基礎，因此，系統地研究鋼纖維和聚丙烯纖維各參數對UHPC拉壓基本強度的影響以及混雜纖維UHPC與基體混凝土強度之間的關系對于推進UHPC的工程實踐應用具有重要意義。

自1994年“超高性能混凝土”的概念[5]提出以來，國內外學者對超高性能混凝土材料制備與力學行為進行了大量研究，陳寶春[6]、閣培渝[7]、馮乃謙[8]、Shi[9]等學者都對其進行了系統的綜述分析。目前，國內外研究學者對超高性能混凝土力學性能的研究主要集中在抗壓性能[10-12]、抗拉性能[13]、彎曲韌性[14-15]、抗沖擊性能[16]等方面，普遍考慮了纖維摻量、長徑比，纖維形狀及類型，養護方式，溫度等因素的影響。文獻[1,14,17-19]通過試驗研究了鋼纖維摻量對RPC和超高強混凝土(UHSC)力學性能的影響。研究表明，高模量的鋼纖維對提高RPC和UHSC力學性能具有顯著效果，鋼纖維的摻入提高了RPC抗壓和抗折強度，尤其對抗折強度的提高非常明顯。文獻[20-25]在混凝土中加入聚丙烯纖維，通過試驗研究表明，由于聚丙烯纖維彈性模量較低，在混凝土中不能起到承力骨架作用，因而單摻聚丙烯纖維對混凝土強度無明顯提升作用，但聚丙烯纖維可橋接微裂紋，抑制裂紋擴展，從而增強混凝土延性。文獻[1-2]將聚丙烯纖維和鋼纖維混雜加入RPC中，研究表明，在適當摻量的條件下，鋼纖維與聚丙烯纖維混雜RPC的力學性能要優于單摻任何一種纖維的RPC，更優于不摻纖維的RPC。以上研究對指導UHPC力學性能研究方向具有重要意義，但也有著試驗數據較少、數據點較離散、模型通用性不夠的問題。

本文通過立方體抗壓強度試驗、軸心抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗，系統地分析鋼纖維體積率、聚丙烯纖維體積率和長徑比等參數對UHPC強度的影響，并基于試驗結果運用多元回歸分析，建立了考慮纖維參數的UHPC立方體抗壓強度預測模型，提出了UHPC軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的關系式，為工程設計提供參考。

1 實 驗

1.1 配合比設計

文獻[26-27]研究表明，鋼纖維長徑比對UHPC力學性能的影響不明顯，體積率小于1.50%的鋼纖維對UHPC增強增韌效果不明顯，體積率大于2.00%的鋼纖維不易分散且造成UHPC流動性較差。因此，本文試驗不考慮鋼纖維長徑比對UHPC力學性能的影響，統一選取鋼纖維長徑比為60，鋼纖維體積率Vsf分別為1.50%、1.75%、2.00%。選取聚丙烯纖維體積率Vpf為0.05%、0.10%、0.15%，長徑比為167、280、396。根據GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[3]和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[28]，確定了UHPC基準配合比，見表1。

表1 基準配合比Table 1 Designed concrete mix proportions

為研究鋼纖維體積率、聚丙烯纖維體積率和長徑比對UHPC力學性能指標的影響，本次試驗共設計了19種配合比，各配合比主要參數見表2。每個配合比設計3個100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊用于軸心抗壓試驗，3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊用于立方體抗壓試驗，3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊用于劈裂抗拉試驗。

表2 試塊主要參數Table 2 Main parameters of specimens

Note: S represents steel fiber; PA, PB, PC represents polypropylene fiber with aspect ratio of 167, 280, 396, respectively.

1.2 試驗材料

圖1 纖維外形圖Fig.1 Pictures of fibers shape

采用武漢新途工程纖維制造有限公司生產的鋼纖維和聚丙烯纖維，其物理力學性能見表3，外觀特征見圖1。基體混凝土材料組成為：P·O 52.5級的普通硅酸鹽水泥、河砂(中砂，最大粒徑為5 mm)、硅粉(二氧化硅含量大于95%，平均粒徑為0.1～0.2 μm，堆積密度為2.626 g/cm3)、粉煤灰(Ⅰ級，比表面積800 m2/kg，堆積密度為1.9 g/cm3)、高效減水劑(聚羧酸系高性能減水劑，減水率>37%)。經X射線熒光光譜儀分析，水泥、硅灰、粉煤灰的主要化學成分見表4。

表3 纖維參數及物理力學性能Table 3 Parameters, physical and mechanical properties of fibers

表4 膠凝材料的主要化學成分Table 4 Main chemical composition of the cementitious materials /%

1.3 試塊制作

為使SF和PF均勻分散，采用強制式單臥軸混凝土攪拌機，經過前期試配，UHPC按照以下步驟進行攪拌：(1)將包括中砂、水泥、硅灰、粉煤灰在內的全部干料倒入攪拌機攪拌2 min；(2)將70%的高效減水劑加入全部水中攪拌均勻，隨后倒入攪拌機中攪拌5 min，使膠凝材料全部成為可流動的漿體；(3)將SF和PF均勻地撒入混合料中，持續攪拌2 min；(4)根據拌合物的流動性適量加入剩余的高效減水劑，直到達到較好的流動性。攪拌完成后，將混凝土裝入塑料混凝土試模中，在振動臺上振搗30 s后抹平，在試模表面覆蓋一層保鮮膜。在室溫下靜置養護24 h后脫模并對試件進行編號，放入標準養護室中養護28 d。

1.4 加載裝置與加載制度

立方體抗壓強度試驗依據規范[3]，在量程為3 000 kN的YAW-3000微機控制電液伺服壓力試驗機上進行，加載速率為1.3 MPa/s。劈裂抗拉強度試驗參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[29]，在量程為300 kN的SHT5605-P微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，加載速率為0.09 MPa/s。軸心抗壓強度試驗參考CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》[30]，在量程為1 500 kN的RMT-301巖石與混凝土力學試驗機上進行。正式加載前先進行預壓，預壓荷載約為破壞荷載的40%(300 kN)，以5 kN/s的加荷速率進行兩次反復加卸載后，再次調整位移傳感器位置使其讀數不超過1 mm。正式加載采用變形控制，加載速率為0.001 mm/s，直到試塊完全破壞或軸向位移達到3.5 mm停止試驗。

2 結果與討論

2.1 纖維對立方體抗壓強度的影響

各試塊強度試驗結果見表2。摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后，UHPC立方體抗壓強度有所提高。相比于素UHPC，當摻入鋼纖維體積率為1.50%～2.00%、聚丙烯纖維體積率為0.05%～0.15%時，立方體抗壓強度提高幅度最高可達36.3%。

2.1.1 鋼纖維體積率的影響

圖2所示為鋼纖維長徑比(lsf/dsf)為60、聚丙烯纖維長徑比(lpf/dpf)為167的UHPC中，鋼纖維體積率(Vsf)對UHPC立方體抗壓強度(fcu)的影響。由圖可知，摻入適量鋼纖維可以提高UHPC立方體抗壓強度。試驗參數范圍內隨著Vsf增加，fcu略有減小。分析其原因為，盡管鋼纖維的加入可以通過阻止裂縫發展而起到增強作用，但鋼纖維不易攪拌均勻，易出現纖維成團現象而降低混凝土密實性，使混凝土內部缺陷增多，當鋼纖維摻量越大時，越易出現纖維成團現象(見圖3)，從而使鋼纖維的特性沒有得到充分發揮，導致高摻量的UHPC強度反而低于較低摻量。圖2中所示摻入鋼纖維和0.10%聚丙烯纖維的PA10組fcu高于P0組，這表明與單一鋼纖維相比，由鋼纖維和0.10%聚丙烯纖維組成的混雜纖維對UHPC立方體抗壓強度增強效果更好。

圖2Vsf對UHPC立方體抗壓強度的影響
Fig.2 Effect of steel fiber volume fraction on cubic compressive strength of UHPC

圖3 鋼纖維成團現象
Fig.3 Picture of fiber cluster

2.1.2 聚丙烯纖維的影響

圖4所示為聚丙烯纖維 (Vpf、lpf/dpf)對fcu的影響。由圖4(a)可知，Vpf=0.10%的聚丙烯纖維對UHPC立方體抗壓強度的效果為提高，提高幅度為1.2%～9.0%；Vpf=0.05%和Vpf=0.15%的聚丙烯纖維會略微降低UHPC立方體抗壓強度，降低幅度分別為0.8%～3.8%和3.6%～6.9%。故按照Vpf對fcu提高幅度排序為：0.10%>0%>0.05%>0.15%。0.10%聚丙烯纖維和鋼纖維混摻對UHPC立方體抗壓強度有正混雜效應。文獻[2,23,31-32]對混雜纖維混凝土的研究也得出了將鋼纖維與0.10%聚丙烯纖維進行混摻可獲得較好力學性能的結論。由圖4(b)可知，lpf/dpf=167的聚丙烯纖維可提高UHPC的立方體抗壓強度，提高幅度為1.2%～9.0%；lpf/dpf=280和lpf/dpf=396的聚丙烯纖維會降低UHPC立方體抗壓強度，降低幅度分別為8.5%～11.6%和12.7%～22.3%。故按照lpf/dpf對fcu提高幅度排序為：167>0>280>396。長徑比為167的聚丙烯纖維和鋼纖維混摻對UHPC立方體抗壓強度有正混雜效應。文獻[33]對鋼-聚丙烯混雜纖維普通混凝土的研究也得出了長徑比為167的聚丙烯纖維對混凝土軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響優于396的結論。綜上可以得出對UHPC立方體抗壓強度最優的聚丙烯纖維配比為PA10(長徑比167，體積率0.10%)。

圖4 聚丙烯纖維對UHPC立方體抗壓強度的影響
Fig.4 Effect of polypropylene fiber on the cubic compressive strength of UHPC

2.2 纖維對軸心抗壓強度的影響

各試塊強度試驗結果見表2。摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后，UHPC軸心抗壓強度有所提高。相比于素UHPC，當摻入鋼纖維體積率為1.50%～2.00%、聚丙烯纖維體積率為0.05%～0.15%時，軸心抗壓強度提高幅度最高可達31.9%。

2.2.1 鋼纖維體積率的影響

圖5 鋼纖維體積率對UHPC軸心抗壓強度的影響Fig.5 Effect of steel fiber volume fraction on the axial compressive strength of UHPC

圖5所示為lsf/dsf=60、lpf/dpf=167的UHPC中，鋼纖維體積率(Vsf)對UHPC軸心抗壓強度(fc)的影響。可以看出，摻入適量鋼纖維可以提高UHPC軸心抗壓強度，Vsf為1.50%、1.75%和2.00%的UHPC比素UHPC的fc分別提高了13.1%～31.9%、11.2%～15.6%和0.7%～3.9%。Vsf對fc提高幅度排序為：1.50%>1.75%>2.00%>0%。這一規律與立方體抗壓強度相同。

2.2.2 聚丙烯纖維的影響

圖6所示為聚丙烯纖維(Vpf、lpf/dpf)對軸心抗壓強度(fc)的影響。由圖6(a)可知，摻入0.10%聚丙烯纖維可提高UHPC軸心抗壓強度，提高幅度為2.2%～4.5%；摻入0.05%和0.15%聚丙烯纖維會略微降低UHPC軸心抗壓強度，降低幅度分別為0.7%～6.6%和0.5%～10.4%。故按照Vpf對fc提高幅度排序為：0.10%>0%>0.05%>0.15%。由圖6(b)可知，摻入長徑比為167的聚丙烯纖維可以提高fc，提高幅度為2.2%～4.5%；摻入lpf/dpf為280和396的聚丙烯纖維會降低fc，降低幅度分別為4.5%～11.4%和17.3%～27.1%。按照lpf/dpf對fc提高幅度排序為：167>0>280>396。故對UHPC軸心抗壓強度最優的聚丙烯纖維配比為PA10(長徑比167，體積率0.10%)。這一結論與立方體抗壓強度相同。

圖6 聚丙烯纖維對UHPC軸心抗壓強度的影響
Fig.6 Effect of polypropylene fiber on the axial compressive strength of UHPC

2.3 纖維對劈裂抗拉強度的影響

各試塊強度試驗結果見表2。摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后，UHPC劈裂抗拉強度有顯著提高。相比于素混凝土，當摻入鋼纖維體積率為1.50%～2.00%、聚丙烯纖維體積率為0.05%～0.15%時，劈裂抗拉強度提高了378%～539%(9.48～13.52 MPa)。

2.3.1 鋼纖維體積率的影響

圖7 鋼纖維體積率對UHPC劈裂抗拉強度的影響Fig.7 Effect of steel fiber volume fraction on the splitting tensile strength of UHPC

圖7所示為lsf/dsf=60、lpf/dpf=167的UHPC中，鋼纖維體積率(Vsf)對UHPC劈裂抗拉強度(ft,s)的影響。由圖可知，摻入適量鋼纖維可顯著提高UHPC劈裂抗拉強度。Vsf為1.50%、1.75%和2.00%的UHPC比素混凝土ft,s分別最大提高了506%(約12.69 MPa)、539%(約13.52 MPa)和523%(約13.11 MPa)。這主要得益于鋼纖維較高的彈性模量和抗拉強度以及鋼纖維與水泥基體之間良好的粘結作用。在等拉應變情況下，鋼纖維對混凝土有較強約束作用，進而阻止UHPC裂縫形成及發展[34]，同時，鋼纖維可以起到橋接裂縫的作用，鋼纖維與水泥基體之間的粘結可以將開裂面荷載傳遞至未開裂面，進而有利于UHPC劈裂抗拉強度的提升。按照Vsf對ft,s提高幅度排序：1.75%>2.00%>1.50%>0%。試驗參數范圍內隨著Vsf增加，ft,s顯著提高，在Vsf為1.75%時達到最高，超過1.75%后略有下降。分析其原因，當Vsf超過1.75%達到2.00%時，鋼纖維摻量較大，攪拌時容易成團，造成混凝土密實度下降、和易性降低，內部缺陷增多，而導致鋼纖維增強增韌特性沒有得到充分發揮。

2.3.2 聚丙烯纖維的影響

圖8所示為聚丙烯纖維(Vpf、lpf/dpf)對UHPC劈裂抗拉強度(ft,s)的影響。由圖8(a)可知，摻入體積率為0.10%的聚丙烯纖維可以提高UHPC劈裂抗拉強度，而另兩個摻量聚丙烯纖維作用為降低，降低幅度分別為0%～8.7%和1.4%～10.8%。故按照Vpf對ft,s提高幅度排序為：0.10%>0%>0.05%>0.15%。文獻[20,35]對RPC的研究也得出了摻入Vpf為0.10%的聚丙烯纖維可以提高ft,s的結論。由圖8(b)可知，摻入lpf/dpf為167的聚丙烯纖維可以提高ft,s，摻入lpf/dpf為280和396的聚丙烯纖維會降低ft,s，降低幅度分別為7.6%～8.8%和13.0%～19.7%。故按照lpf/dpf對ft,s提高幅度排序為：167>0>280>396。綜上可以得出對UHPC劈裂抗拉強度最優的聚丙烯纖維配比為PA10。綜合拉壓強度，試驗參數范圍內最佳纖維配比為，體積率為1.50%的鋼纖維和長徑比為167、體積率為0.10%的聚丙烯纖維混摻，即本文編號為S15PA10的UHPC試塊，其標準養護條件下立方體抗壓強度可達124.3 MPa，軸心抗壓強度可達122.8 MPa，劈裂抗拉強度可達15.19 MPa。

圖8 聚丙烯纖維對UHPC劈裂抗拉強度的影響
Fig.8 Effect of polypropylene fiber on the splitting tensile strength of UHPC

3 強度預測模型與強度轉換式

3.1 立方體抗壓強度預測模型

由試驗結果可知，鋼纖維和聚丙烯纖維對UHPC立方體抗壓強度均有影響。根據復合材料力學混合律，將UHPC看作由基體相、鋼纖維相和聚丙烯纖維相組成的三相復合材料，建立鋼-聚丙烯混雜纖維UHPC立方體抗壓強度計算公式為：

fcu=fcu0(1+α1λsf+α2λpf)

(1)

式中，fcu、fcu0為含纖維UHPC和素UHPC的立方體抗壓強度值；α1、α2為鋼纖維和聚丙烯纖維影響系數；λsf、λpf為鋼纖維和聚丙烯纖維特征參數，λsf=Vsflsf/dsf，λpf=Vpflpf/dpf；Vsf、Vpf為鋼纖維和聚丙烯纖維體積率；lsf/dsf、lpf/dpf為鋼纖維和聚丙烯纖維長徑比。

圖9 UHPC立方體抗壓強度預測模型Fig.9 Prediction model of UHPC cubic compressive strength

鑒于文獻[26]中試塊養護條件與本文類似，均為標準養護條件，為拓寬本文研究范圍，使試驗數據具有更高的可靠性，基于本文和文獻[26]所測UHPC立方體抗壓強度試驗值，利用Origin軟件多元線性回歸分析模塊對式(1)進行回歸，結果為：

fcu=fcu0(1+0.138λsf+0.002 1λpf)

(2)

將式(2)強度預測值與本文和文獻[26]中試驗值進行了對比，見圖9，相關系數R2=0.983，說明擬合效果較好。用本文強度預測模型對文獻[2,36]試驗值進行預測，文獻[2]中fcu0取93.16 MPa，文獻[36]中fcu0取136.43 MPa。模型預測值與試驗值的相對誤差見表5，表中序號1～15數據來源于文獻[2]，序號16～22數據來源于文獻[36]。相對誤差均在15%以內，表明本文建立的UHPC立方體抗壓強度預測模型在一定范圍內能較好地驗證其他學者的試驗結果。

3.2 強度轉換式

參考GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[37]中混凝土軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度關系式形式，根據本文試驗實測值，利用Origin軟件對UHPC立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度與軸心抗壓強度之間的關系進行線性回歸擬合得到下式：

fc=0.92fcu

(3)

(4)

將式(3)、式(4)計算值與本文試驗值進行了對比，擬合效果見圖10。

表5 UHPC立方體抗壓強度預測模型驗證Table 5 Model verification of fcu of UHPC

圖10 UHPC強度轉換式
Fig.10 Strength relation of UHPC

4 結 論

(1)鋼纖維對UHPC立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度均有提高作用，試驗參數范圍內對抗壓強度最優體積率為1.50%，對劈裂抗拉強度最優體積率為1.75%。

(2)聚丙烯纖維對UHPC強度的影響較弱，試驗參數范圍內最佳配比為長徑比167，體積率0.10%。

(3)綜合拉壓強度，試驗參數范圍內最佳纖維配比為，體積率為1.50%的鋼纖維和長徑比為167、體積率為0.10%的聚丙烯纖維混摻，其標準養護條件下立方體抗壓強度可達124.3 MPa，軸心抗壓強度可達122.8 MPa，劈裂抗拉強度可達15.19 MPa。

(4)基于本文試驗結果數據，建立了考慮纖維參數影響的UHPC立方體抗壓強度預測模型，提出了UHPC軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的關系式，預測模型和公式適用于本文纖維參數范圍內含鋼纖維和聚丙烯纖維的UHPC。