鋼纖維摻量及規格對橋梁用超高性能混凝土性能影響的研究

歐 忙,任玉英,謝蕓菲

(1.鄭州工業應用技術學院建筑工程學院,河南 鄭州 451100；2.大連理工大學 建設工程學院,遼寧 大連 116024)

混凝土作為目前世界上應用最多的一類建筑材料，被廣泛應用在各類建筑結構中。近年來，全球范圍的混凝土用量始終保持在50億m3/a以上[1]。隨著各類高聳建筑和大跨橋梁的設計修建頻頻出現，對混凝土性能的使用要求也逐漸提高，普通混凝土的性能已難以滿足。鑒于普通混凝土本身存在的抗拉強度低、抗裂性能差等缺陷，研制使用性能更佳的優質混凝土成為新的研究方向[2-4]。

1994年，Larrard 和Sedran首次提出“超高性能混凝土”這一概念[5]。超高性能混凝土作為一類新型復合材料的誕生，能夠有效改善混凝土的均勻性和密實度，韌性、抗拉、抗彎等力學性能及耐久性均得到提升，得到業內的廣泛認可，但受生產條件和養護條件的制約，同時考慮經濟性的情況下，尚未進行大規模推廣應用。

國內外在超高性能混凝土方面已進行一定程度的研究，雖然國內這方面研究起步較晚，但已取得一定成果。趙軍[6]等人研究發現，摻入剪切波紋型鋼纖維時，當摻量不超過2%，對提高混凝土抗壓強度有幫助；朱海棠[7]等人研究發現，隨著鋼 纖維摻量的增加，能夠提供混凝土的彎曲韌性；黃承逵[8]等人研究發現，鋼纖維混凝土在抗沖擊性能和耐疲勞性能方面的提高效果顯著；梁興文[9]等人研究發現，摻入長鋼纖維的超高性能混凝土的力學性能優于摻入短鋼纖維，且效果顯著；YOO[10]等人研究發現，隨著鋼纖維摻量的提高，超高性能混凝土的抗壓性能是先提高后降低，表明應合理選擇鋼纖維的摻量。可見，鋼纖維摻量及規格對超高性能混凝土的性能有很大程度的影響，為進一步探究這一問題，在前人研究的基礎上，本文將通過對比試驗進行施工性能和力學性能方面研究。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，具體成分見表1；砂：精制石英砂，粒徑20目～50目；微硅粉：深灰色，具體指標及成分見表2；礦粉：白色，具體指標及成分見表3；減水劑：瑞士西卡530P聚羧酸減水劑，白色粉末狀；鋼纖維：鍍銅平直型，長度分別為13、16、18、20 mm共4種規格，具體指標見表4；水：普通礦泉水。

表1 水泥組成成分表Table 1 Composition of cement材料類型水泥不同成分占比/%CaO+MgOSiO2Al2O3Fe2O3K2O+Na2OTiO2水泥60.8318.957.115.961.340.00

表2 微硅粉組成成分表Table 2 Composition of micro silica powder材料類型燒失量/(g·m-2)活性指數/(g·m-2)比表面積/(g·m-2)微硅粉不同成分占比/%SiO2CaO+MgOK2O+Na2OAl2O3Fe2O3TiO2微硅粉2.81252096.370.360.220.180.120.00

表3 礦粉組成成分表Table 3 Composition of mineral powder材料類型粒徑/μm礦粉不同成分占比/%SiO2CaO+MgOK2O+Na2OFe2O3TiO2/%Al2O3礦粉1.695.831.861.790.330.090.00

表4 鋼纖維物理及力學指標表Table 4 Physical and mechanical indexes of steel fiber規格長度/mm容重/(g·cm-3)直徑/mm長徑比彈性模量/MPa抗拉強度/MPa外觀類型137.800.20652.05×1052 850平直型167.800.20802.05×1052 850平直型187.800.20902.05×1052 850平直型207.800.201002.05×1052 850平直型

(a) 長度13 mm

1.2 試驗設計

a.試驗分組[11-13]。

在本試驗中共設置2個組別，分別為：

① 試驗1：A1～A9為0%～4%的不同鋼纖維摻量試驗組，選用13 mm長、Φ 0.2 mm的鋼纖維；

② 試驗2：A6、B1～B3為不同長徑比的鋼纖維試驗組，本組試驗選用2.5%的鋼纖維體積摻量，長度分別為13、16、18、20 mm共4種。

在上述試驗中，試驗1中僅設置鋼纖維摻量為變量，試驗2中僅設置鋼纖維長徑比為變量，其余各組分相對比例保持不變，混凝土的水膠比設置為0.18，分組情況詳見表5。

表5 試驗分組表Table 5 Test grouping table組號鋼纖維規格/mm鋼纖維體積摻量/%組號鋼纖維規格/mm鋼纖維體積摻量/%A1130 A7133 A2130.5A8133.5A3131A9134A4131.5B1162.5A5132B2182.5A6132.5B3202.5

b.試驗儀器。

游標卡尺: 150 mm×0.02 mmⅡ型，哈爾濱量具集團有限責任公司；數顯式液壓萬能試驗機：BJWE-S300B，濟南鉑鑒測試技術有限公司；微機控制電液伺服萬能試驗機：WAW-2000，上海華龍測試儀器有限公司。

c.試驗方法。

根據《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)和《活性粉末混凝土》(GB T 31387-2015)的試驗要求，抗壓強度試件采用100 mm×100 mm×100 mm標準立方體，每組3個，抗折強度試件采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，每組3個。按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)在注模前進行擴展度試驗，然后將試件在標準養護條件下養護28 d后，進行抗壓強度、抗折強度試驗。其中，抗壓強度試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機(WAW-2000)，最大量程2 000 kN，試驗過程中控制加載速度為5 kN/s；抗折強度試驗采用數顯式液壓萬能試驗機(BJWE-S300B)，量程為300 kN，試驗過程中控制加載速度為0.05 mm/min。

圖2 擴展度試驗

圖3 抗壓強度試驗

圖4 抗折強度試驗

2 鋼纖維摻量對超高性能混凝土性能影響試驗結果與分析

不同摻量鋼纖維對超高性能混凝土的擴展度、抗壓強度、抗折強度[14-15]的影響如下：

從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的擴展度呈降低趨勢，特別是當摻量超過1%后，擴展度降低量特別顯著，這是因為鋼纖維摻量增加使得鋼纖維與混凝土之間的摩擦增強而降低了混凝土的流動性。當摻量到達1%之前，隨著鋼纖維摻量增加，擴展度變化幅度較大，約為-6.5%；當摻量到達1%之后，隨著鋼纖維摻量增加，擴展度變化幅度顯著降低，約為-1.0%。

圖5 擴展度測試結果圖

從表6和圖6、圖7可以看出：① 當鋼纖維摻量為0時，超高性能混凝土的抗壓強度為107.13 MPa，當摻量為4%時，超高性能混凝土的抗壓強度為166.84 MPa，增幅達55.7%，可見，鋼纖維的摻入對改善超高性能混凝土抗壓強度有顯著作用。同時，隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的抗壓強度在整體上呈增加趨勢，試驗結果表明，鋼纖維增加了混凝土內部的粘結性，對混凝土內部微裂縫的發展起到了很好的抑制作用。鋼纖維摻量自0.5%遞增至4%過程中，相鄰組之間抗壓強度增加幅度相近。② 隨著鋼纖維摻量的逐級遞增，抗折強度變化幅度相差較大。當摻量在3.5%以下時，隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的抗折強度整體上呈增加趨勢，最大值為43.74 MPa，而當摻量超過3.5%時，抗折強度出現陡降，變化幅度為-22.5%。試驗結果表明，當鋼纖維摻量達到4%時，混凝土內部鋼纖維出現“結團”現象，對內部的密實度造成影響，對混凝土的抗折強度有負面作用。

表6 抗壓強度與抗折強度測試結果Table 6 Test results of compressive strength and flexural strength鋼纖維體積摻量/%抗壓強度試驗值/MPa抗壓強度平均值/MPa抗折強度試驗值/MPa抗折強度平均值/MPa101.622.30107.3107.1321.421.57112.521.0125.720.10.5135.6131.1823.221.45132.321.1133.320.41137.3137.3020.922.43141.325.9143.124.31.5147.1146.7328.026.35150.026.8143.035.22159.4149.3832.635.00145.737.1154.736.42.5162.3157.2439.936.80154.734.1154.442.13162.6160.1338.939.45163.337.3162.045.93.5161.2161.1243.143.74160.242.2170.633.34164.3166.8433.533.91165.735.0

圖6 抗壓強度測試結果圖

圖7 抗折強度測試結果圖

綜上所述，不同摻量的鋼纖維對超高性能混凝土擴展度、抗壓強度、抗折強度的影響不同，且在確定鋼纖維合理摻量時，應綜合考慮鋼纖維摻量對抗壓強度和抗折強度的影響存在差異性，同時考慮施工時對混凝土流動性的要求。

3 鋼纖維長徑比對超高性能混凝土性能影響試驗結果與分析

不同長徑比鋼纖維對超高性能混凝土的擴展度、抗壓強度、抗折強度的影響如下：

圖8 擴展度測試結果圖

從圖8可以看出，在保持鋼纖維摻量在2.5%的情況下，隨著鋼纖維長徑比的增加，超高性能混凝土的擴展度呈降低趨勢。試驗結果表明，鋼纖維長徑比越大，鋼纖維與超高性能混凝土之間的相互作用越顯著，摩擦力越大，從而引起超高性能混凝土的流動性降低，擴展度變小。當長徑比為65時，擴展度為613 m；當長徑比為100時，擴展度為508 mm，長徑比的增加共引起變化幅度為-17.1%。

從表7和圖9、圖10可以看出：在保持鋼纖維摻量在2.5%的情況下，隨著鋼纖維長徑比的增加，超高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度整體上呈增加趨勢，但變化幅度均較小。當鋼纖維長徑比為100時，超高性能混凝土的抗壓強度最大值為164.89 MPa，抗折強度最大值為42.05 MPa。試驗結果表明，隨著鋼纖維長徑比的增加，鋼纖維與混凝土內部的接觸作用更加顯著，應力作用距離增加，對混凝土內部裂縫發展的抑制作用提高，從而引起超高性能混凝土的抗壓強度、抗折強度等性能有所提高。

表7 抗壓強度與抗折強度測試結果Table 7 Test results of compressive strength and flexural strength長徑比抗壓強度試驗值/MPa抗壓強度平均值/MPa抗折強度試驗值/MPa抗折強度平均值/MPa154.736.465162.3157.2439.936.80154.734.1162.037.080168.4162.4137.939.11156.942.4166.640.090164.1164.2034.438.70162.041.8167.544.6100156.0164.8938.742.05171.142.8

圖9 抗壓強度測試結果圖

圖10 抗折強度測試結果圖

綜上所述，不同長徑比的鋼纖維對超高性能混凝土擴展度、抗壓強度、抗折強度的影響不同。當鋼纖維摻量確定后，考慮施工時混凝土流動性的前提下，適當提高鋼纖維長徑比有助于提高超高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度。

4 結論

本文針對鋼纖維摻量及規格在超高性能混凝土中的應用展開了研究，探究了兩種參數變化對超高性能混凝土的擴展度、抗壓強度、抗折強度等方面性能的影響，得到如下結論：

a.當鋼纖維長徑比為65時，隨著摻量的增加，超高性能混凝土擴展度呈降低趨勢，抗壓強度呈增加趨勢，抗折強度呈先增加后降低的趨勢，抗壓強度、抗折強度最大值分別為166.84、43.74 MPa，對應的鋼纖維摻量分別4%和3.5%。因此，在確定鋼纖維合理摻量時，應綜合考慮鋼纖維摻量對超高性能混凝土抗壓強度和抗壓強度的影響存在差異性，同時考慮施工時對混凝土流動性的要求。

b.當鋼纖維為2.5%時，隨著長徑比的增加，超高性能混凝土擴展度呈降低趨勢，抗壓強度、抗折強度均呈增加趨勢，抗壓強度、抗折強度最大值分別為164.89、42.05 MPa。因此，在選擇鋼纖維長徑比時，鋼纖維摻量確定后，考慮施工時混凝土流動性的同時，適當提高鋼纖維長徑比有助于提高超高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度。

c.鋼纖維摻量和規格對改善超高性能混凝土的施工流動性和力學性能存在一定差異性，兩者之間相互影響，鋼纖維的最佳摻量并不唯一，因此，應在滿足混凝土工作性能的前提下，適當提高鋼纖維的長徑比，從而改善超高性能混凝土在橋梁工程中的應用，較少裂縫的出現，提高耐久性。