鋼纖維直徑及組合對UHPC性能的影響

陳 競，周紅梅，謝正元，彭昱翔，黃華甫

（1.柳州歐維姆結構檢測技術有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006）

0 引言

UHPC作為一種纖維增強型混凝土被廣泛應用于橋梁、市政、建筑等工程中，與普通混凝土相比其膠凝材料用量、水膠比、骨料類型、摻雜纖維的種類等方面存在較大差異，具有高強度、高韌性、高耐久性的特點，能夠增強結構強度與耐久性[1-4].但目前而言，對于UHPC的研究不夠充分，導致其性能差異較大，應用推廣緩慢[5].

由于不同原材料的種類及原材料的物理、力學性能的影響以及摻量的不同都會對超高性能混凝土的性能產生極大影響；鋼纖維作為主要原材料之一，其具有增強斷裂韌性、提高抗拉強度、阻止裂紋開裂的效果.鋼纖維的加入，阻止了混凝土裂縫的擴展，試件受壓后整體性較好[6].岳國柱[7]的研究表明：鋼纖維的摻量與超高性能混凝土的各項性能呈現正相關性，但對抗壓強度與抗折強度而言，鋼纖維摻量具有使這兩項力學性能指標達到最高強度的臨界值.陳寶春等[8]的研究表明：鋼纖維摻量達到轉折點時，抗壓強度及韌性的提高不大甚至降低，且鋼纖維的形狀、長度、直徑等會對其增強增韌效果具有很大影響.高育欣等[9]的研究表明：不同尺寸的纖維混摻能互相牽制并阻礙其旋轉，增加工作性.

綜上所述，適當鋼纖維的摻入可以改善混凝土的各項性能，但鋼纖維摻入的分布狀態、纖維間距、纖維摻量等具體機理影響的研究并不詳細.根據董健苗等[10-13]對其機理的研究表明：鋼纖維具有復合增強與阻裂作用，在纖維間距相同下，增強效果與纖維直徑有關，并且鋼纖維的亂向分布效果低于順向排列，因此，傳統的復合理論不夠完善.在此基礎上選用4種直徑的鋼纖維，設計了不同鋼纖維直徑、直徑組合及摻量的22組試驗，在干粉配比及水灰比都相同的條件下配制常溫養護型超高性能混凝土，并進行流動度、抗壓強度、抗折強度、抗拉強度試驗，以研究不同直徑、直徑組合及摻量的鍍銅微絲鋼纖維對UHPC性能的影響.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

水泥：柳州產P.O52.5普通硅酸鹽水泥，主要物理性能見表1.硅灰：半加密硅灰，灰色粉末，SiO2含量≥92%，比表面積23 m2/g.礦粉：柳州產S95?；郀t礦渣粉.石英砂：SiO2含量≥99%，20～70目（0.850 mm～0.212 mm）連續集配石英砂.減水劑：聚羧酸減水劑，白色粉末，減水率≥30%.鋼纖維：選用4種不同尺寸的平直型鍍銅微絲鋼纖維，直徑分別為0.18 mm、0.22 mm、0.26 mm、0.30 mm，長度都為13.00 mm，抗拉強度2 000 MPa，外形見圖1.

表1 水泥主要性能指標Tab.1 Main performance indexes of cement

圖1 不同直徑平直型鍍銅微絲鋼纖維Fig.1 Different diameter flat copper plated microfilament steel fiber

1.2 試驗方法

為研究鋼纖維直徑及摻量對常溫養護型超高性能混凝土性能的影響，利用相同配合比的UHPC干粉及水膠比，摻加不同大小直徑及摻量的鋼纖維進行試驗；為研究不同直徑鋼纖維復摻（組合）對UHPC性能的影響，將鋼纖維總體積摻量設定為2.0%，在4種鋼纖維中選擇直徑0.30 mm分別與直徑0.18 mm、0.22 mm進行復摻試驗，詳細配合比見表2.

表2 試驗配合比設計Tab.2 Experimental mix design

1.3 試件制備及測試方法

攪拌前根據攪拌機的2/3體積容量換算原材料總質量，根據質量配合比計算各組分，并將各組分質量稱量準備，用水量按水膠比計算稱量.攪拌時，首先將所有干粉和水投入HJW-60單臥軸強制式混凝土攪拌機中，開機攪拌3 min，停機，投入備好的鋼纖維，重新開機攪拌2 min，完成UHPC拌合物的制備.

流動度試驗參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》標準進行測定，采用上口內徑70 mm，下口內徑100 mm，高60 mm的截錐圓模，底板為500 mm×500 mm的玻璃板.將攪拌好的UHPC倒入截錐圓模并刮平，之后提起截錐圓模，讓UHPC在玻璃板上無擾動自由流動，流動停止后測其擴展度，如圖2所示.

抗折強度（如圖3所示）及抗壓強度（如圖4所示）試驗按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行，使用40 mm×40 mm×160 mm試模，置于標準養護箱內養護28 d后進行試驗（如圖5所示）.

抗拉強度試驗參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規程》中軸心抗拉強度試驗方法進行，試模采用600 mm×196 mm軸向拉伸試模，在標養室養護28 d后測試試件抗拉強度.

圖2 流動度試驗Fig.2 Fluidity test

圖3 抗折強度試驗Fig.3 Flexural strength test

圖4 抗壓強度試驗Fig.4 Compressive strength test

圖5 抗拉強度試驗Fig.5 Tensile strength test

2 試驗結果及分析

2.1 鋼纖維對UHPC流動度的影響

2.1.1 單摻

通過試驗測量不同摻量配合比流動度發現，鋼纖維體積摻量為1.0%時，單摻4種直徑鋼纖維在漿體中都相對較為分散，對UHPC拌合物的流動度基本不產生影響，特別是較小直徑鋼纖維在摻量不高的情況下，可在黏稠的UHPC漿體中順著流動方向旋轉，使得多數纖維的軸向與漿體流動方向基本一致，對漿體流動性影響較小；但隨著摻量的增加，鋼纖維在漿體內相互交錯形成的三維骨架增多，越密集，對漿體流動的阻礙越大，且直徑越大，對流動度的影響程度越大，試驗數據見表3.直徑0.30 mm鋼纖維對流動度的影響更大，摻量分別增加到1.5%、2.0%、2.5%時，相對1.0%摻量的流動度分別降低了1.8%、6.8%、13.9%.試驗數據如圖6所示.

表3 在各直徑及摻量下的流動度Tab.3 Fluidity under each diameter and dosage mm

圖6 不同直徑鋼纖維單摻流動度試驗Fig.6 Single mixing fluidity test of steel fiber with different diameters

2.1.2 復摻

選擇鋼纖維總體積摻量2.0%的條件進行試驗，試驗基礎為直徑0.18 mm、0.22 mm兩種鋼纖維，分別按25.0%、50.0%、75.0%的比例復摻直徑0.30 mm鋼纖維，然后與之單摻的流動度進行比較，當摻入比例小于50.0%，復摻鋼纖維的流動度均大于單摻鋼纖維的流動度，試驗數據見表4.其中，直徑0.30 mm鋼纖維占比25.0%的提升幅度最大，相對單摻0.18 mm、0.22 mm的UHPC漿體，流動度分別提升了2.5%、2.2%；但隨著0.30 mm鋼纖維摻量的增大，其在漿液中形成剛度較高的交聯鋼纖維網，降低了漿液的流動度，摻量100%時，降幅分別為6.1%、4.7%.測量數據如圖7所示.

表4 不同鋼纖維直徑組合的流動度Tab.4 Fluidity of different combinations of steel fiber diameters mm

圖7 不同直徑鋼纖維復摻流動度試驗Fig.7 Fluidity test of steel fiber mixed with different diameters

2.2 鋼纖維對UHPC抗壓強度的影響

2.2.1 鋼纖維直徑及摻量對UHPC抗壓強度的影響

鋼纖維摻量不超過2.0%時，單摻入直徑為0.22 mm、0.26 mm、0.30 mm的鋼纖維，多組試驗數據驗證其試塊28 d抗壓強度隨著纖維直徑的增加而逐漸降低，表明在一定摻量范圍內，鋼纖維體積摻量一致時，隨著直徑的增加，個體鋼纖維的總數量相應減少，UHPC基體中鋼纖維間距增大，鋼纖維對基體的約束阻裂作用降低，導致抗壓強度呈下降趨勢，見表5.從表5還可以看出，所有摻量中除單摻直徑0.18 mm鋼纖維試件28 d抗壓強度低于單摻直徑0.22 mm鋼纖維試件抗壓強度外，摻加其他直徑鋼纖維抗壓強度卻與“隨著直徑增加而降低”的規律相悖，這表明過細直徑不利于鋼纖維對超高性能混凝土基體的增強.

表5 不同直徑鋼纖維單摻及復摻的混凝土抗壓強度Tab.5 The compressive strength of concrete mixed with steel fiber of different diameters

2.2.2 不同直徑的鋼纖維組合對UHPC抗壓強度的影響

當鋼纖維總體積摻量為2.0%的條件下，將直徑0.30 mm鋼纖維分別按25.0%、50.0%、75.0%的比例替換直徑為0.18 mm和0.22 mm鋼纖維，將復摻纖維與單摻纖維的抗壓強度進行對比，見表5試驗數據.由圖8可以看出，摻入復摻鋼纖維試塊抗壓強度相對于單摻鋼纖維各組試塊均有不同程度提高，還大幅縮小了抗壓強度標準差，均勻性得到提高.復摻增強效果對于單摻直徑0.18 mm以及單摻直徑0.30 mm鋼纖維的UHPC試塊尤為明顯.直徑0.30 mm鋼纖維彌補了單摻直徑0.18 mm鋼纖維復合增強作用有限的不足，同時直徑0.18 mm鋼纖維彌補了單摻直徑0.30 mm鋼纖維導致纖維間距過大的缺陷，兩者復摻獲得了良好的耦合效應.

圖8 不同直徑鋼纖維復摻的抗壓強度Fig.8 The compressive strength of concrete single mixed with steel fibers of different diameters

2.2.3 鋼纖維直徑對摻量的影響

如表5所示，摻不同直徑鋼纖維的UHPC試塊28 d抗壓強度，基本都隨著鋼纖維體積摻量的增加而增加.單摻直徑0.18 mm鋼纖維抗壓強度：當體積摻量超過1.5%之后，繼續提高鋼纖維摻量，強度增長不明顯；體積摻量由1.5%提升至2.0%，抗壓強度增長3.2%；體積摻量由2.0%提升至2.5%，抗壓強度僅增長1.4%.單摻直徑0.30 mm鋼纖維試塊抗壓強度：體積摻量從1.0%提高至2.5%，抗壓強度分別增長了13.9%、6.7%、5.2%，其抗壓強度都隨著鋼纖維摻量的提高而獲得較明顯的增長.此結果表明：當鋼纖維間距達到一個閾值時，繼續提高鋼纖維摻量也不會使UHPC的強度獲得增長.

同體積摻量條件下，直徑0.30 mm鋼纖維的單根總數量僅為直徑0.18 mm鋼纖維單根總數量的60.0%，其纖維間距大幅提高，達到纖維間距閾值的體積摻量也相應提高，顯示鋼纖維間距相同時，鋼纖維對基體的增強作用與直徑成正比，鋼纖維的有效摻量上限與直徑成正比.

2.3 鋼纖維對UHPC抗折強度的影響

2.3.1 單摻

不同直徑鋼纖維的UHPC試塊28 d抗折強度，隨著鋼纖維摻量的增加而提高，試驗數據見表6.摻量低于1.5%，不同直徑對UHPC試塊抗折強度的增強幅度相近；摻量由1.5%提高至2.0%，不同直徑抗折強度的增幅分別為5.4%、7.2%、10.1%、12.9%；由2.0%提高至2.5%，增幅分別為2.5%、4.0%、5.9%、8.3%；可以看出，摻量達1.5%以上時，鋼纖維摻量對UHPC試塊抗折強度的提升幅度表現出與鋼纖維直徑成正比的關系，試驗數據如圖9所示.

表6 各直徑鋼纖維在不同摻量下的抗折強度Tab.6 Flexural strength of steel fibers of various diameters under different dosages MPa

圖9 不同直徑鋼纖維單摻抗折強度Fig.9 The flexural strength of concrete single mixed with steel fibers of different diameters

2.3.2 復摻

鋼纖維總摻量設定為2.0%，分別以直徑0.18 mm、0.22 mm鋼纖維為基礎復摻直徑0.30 mm鋼纖維，隨著復摻中0.30 mm鋼纖維占比的提高，UHPC抗折強度也分別從31.5 MPa、32.6 MPa提高至34.9 MPa，見表7試驗數據.同時可得出直徑越小，提高鋼纖維摻量對于UHPC試塊抗折強度的增幅越小，且通過增加鋼纖維摻量來提高UHPC抗折強度的摻量上限也越低，復摻鋼纖維UHPC的抗折強度如圖10所示.

表7 各鋼纖維直徑組合的抗折強度Tab.7 Flexural strength of each steel fiber diameter combination MPa

圖10 不同直徑鋼纖維復摻抗折強度試驗Fig.10 The flexural strength of concrete mixed with steel fibers of different diameters

2.4 鋼纖維對UHPC抗拉強度的影響

2.4.1 單摻

直徑0.18～0.30 mm鋼纖維在相同摻量下，UHPC試件的抗拉強度隨著直徑的增大而降低，見表8試驗數據；在鋼纖維摻量1.0%～2.5%的范圍內，抗拉強度隨著摻量的增加而提高，在摻量超過2.0%后，提高的幅度開始減小，2.5%時，抗拉強度分別為12.8 MPa、12.6 MPa、12.2 MPa、11.4 MPa，不同直徑鋼纖維單摻的抗拉強度如圖11所示.

表8 各直徑鋼纖維在不同摻量下的抗拉強度Tab.8 Tensile strength of steel fibers of different diameters under different dosages MPa

圖11 不同直徑鋼纖維在不同摻量下的抗拉強度Fig.11 Tensile strength of steel fibers of different diameters with different contents

2.4.2 復摻

摻入總體積2.0%的復摻纖維時，隨著直徑0.30 mm鋼纖維在直徑0.18 mm及0.22 mm鋼纖維中占比的提升，抗拉強度逐漸從12.1 MPa及11.8 MPa降低至10.3 MPa（圖12），說明當UHPC摻入平直型鍍銅微絲鋼纖維時，抗拉強度的提高主要靠UHPC漿料與鋼纖維的粘結力，同摻量條件下，鋼纖維直徑越大，比表面積越小，粘結力也越小，不利于抗拉強度的提高，其試驗數據見表9.

圖12 不同直徑鋼纖維復摻的抗拉強度Fig.12 Tensile strength of steel fiber mixed with different diameters

表9 各鋼纖維直徑組合的抗拉強度Tab.9 Tensile strength of each steel fiber diameter combination MPa

3 結論

1）UHPC流動度與鋼纖維直徑及摻量呈負相關性.單摻時，直徑0.18 mm及0.30 mm鋼纖維摻量從1.0%增加到2.5%，流動度降幅分別為6.7%、13.9%；復摻時，隨著直徑0.30 mm鋼纖維占比提高，流動度先增大后減小，在25.0%摻量時增幅最大，為2.5%；之后流動度開始下降，最大降幅為6.1%.

2）隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC抗壓、抗折、抗拉強度都逐漸增大，其最大分別為173.5 MPa、37.8 MPa、12.8 MPa，抗壓強度標準差逐漸減小，最低為7.4 MPa.

3）隨著鋼纖維直徑的增大，UHPC抗折強度逐漸提高，最高為37.8 MPa；抗拉強度逐漸降低，最低為7.1 MPa；抗壓強度在摻量從1.0%提升至2.0%的過程中呈降低趨勢，超過2.0%后，呈升高趨勢，最大值為173.5 MPa.

4）綜合UHPC流動度、力學性能及經濟性，建議UHPC中鋼纖維直徑為0.22 mm，摻量為1.5%～2.0%.