鋼纖維摻量及石英砂級配對超高性能混凝土性能的影響

周玉娟，王全超，徐文冰，占 文，舒騰飛

(1.寧波市高等級公路建設管理中心,寧波 315192; 2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司,武漢 430040;3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室,武漢 430040)

混凝土作為當今社會用量最大的建筑材料，已被廣泛應用于各種工程建設中，混凝土對城市及交通工程的建設起著極其重要的作用。然而，普通水泥基材料存在脆性大、氯鹽條件下耐腐蝕性差、高力學性能要求下自重大等缺點，盡管纖維的引入對水泥基復合材料具有一定的增強增韌[1-2]，但纖維的摻入并不能阻止粗集料-水泥石間微裂紋的產生，對水泥基材料的密實度并沒有改善。

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)由于其致密的微觀結構、優良的力學性能及耐久性能有效地解決了普通水泥基材料的現存問題。超高性能混凝土發展至今已取得了不少研究成果及工程應用[3-4]，但現在仍存在一些問題[5-8]，如拌合物粘稠工作性能較差、養護工藝復雜、成本較高等。該研究依據最緊密堆積原理，采用常規養護制度配制出自流平且力學性能非常優異的超高性能混凝土，研究了鋼纖維摻量、石英砂的細度及其級配等因素對所制超高性能混凝土力學性能的影響，以解決現存超高性能混凝土工作性差、養護工藝復雜等問題。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥：海螺水泥股份有限公司生產的52.5級普通硅酸鹽水泥，3 d抗折強度7.2 MPa、抗壓強度38.0 MPa，28 d抗折強度10.8 MPa、抗壓強度60.2 MPa；硅灰：上海亨創化工有限公司生產，比表面積18 680 m2/kg，粒徑0.1～0.15 μm；粉煤灰漂珠：鞏義市歐尚耐材有限公司生產，粒徑200目。化學成分組成見表1。

表1 原材料的化學組成 /%

石英砂：佛山玉峰粉體材料有限公司生產，粒徑分別為16-26目、26-40目、40-70目、70-120目，其物理參數如表2所示。鍍銅帶鉤鋼纖維：上海真強纖維有限公司生產，長徑比65，直徑0.2 mm，長度13 mm。減水劑：為減水率35%粉末狀固體減水劑。拌合水為普通自來水。

表2 石英砂的物理參數

1.2 試驗方法

依據實驗室前期探索試驗結果，確定了最優基準配合比，見表3，其中鋼纖維摻量為體積摻量，其余原材之間比例為質量百分比。

表3 研究所用基準配合比

依照配合比將稱量好的水泥、硅灰、粉煤灰漂珠、粉體減水劑、石英砂，倒入攪拌鍋中慢攪1 min混合均勻，將稱量好的水倒入攪拌鍋中慢攪3 min，然后緩慢加入稱量好的鍍銅鋼纖維再慢攪3 min，繼續快速攪拌1 min即可成型，所制UHPC砂漿可實現自流平。將攪拌好的砂漿倒入40 mm×40 mm×160 mm的試模中振動25次成型。試樣成型一天后拆模，標準養護室養護至相應齡期，進行力學性能測試。

2 結果與討論

2.1 鋼纖維摻量對UHPC性能的影響

在基準配合比的基礎上，首先研究了鋼纖維摻量對UHPC試樣性能的影響，帶鉤鋼纖維的體積摻量為0.33%至3%，上述配比中所用石英砂的粒徑為16-26目。由圖1可知，當鋼纖維摻量大于1%時，隨著帶鉤鋼纖維體積摻量的增加，所制UHPC試樣的工作性能會相應降低；當鋼纖維體積摻量大于2%時，UHPC試樣的工作性能已不能滿足自流平，這將會增加其實際工程應用中的泵送難度，并增加UHPC試樣的成本。當帶鉤鋼纖維體積摻量為2%時，所制UHPC試樣的抗折強度增幅最大，其28 d的抗折強度可達38.0 MPa，相較于帶鉤鋼纖維體積摻量為0.33%和1.67%的UHPC試樣分別增加了12.7 MPa和7.4 MPa，繼續增加帶鉤鋼纖維體積摻量，所制UHPC試樣的抗折強度增加并不明顯(如圖2所示)。并且，如圖3所示，隨帶鉤鋼纖維體積摻量的增加，所制UHPC試樣的抗壓強度逐漸增加，較帶鉤鋼纖維體積摻量為0.33%的UHPC試樣，當帶鉤鋼纖維體積摻量為2%時，其抗壓強度增加了47.4 MPa，達到170.1 MPa，其力學性能得到了大幅提升。綜合考慮所制UHPC試樣的成本及工作性能，論文選定帶鉤鋼纖維的最佳體積摻量為2%。

鋼纖維的摻入能夠改善所制UHPC試樣力學性能的主要原因為均勻雜向分布的鋼纖維能使混凝土基體形成環箍效應[9]，能夠約束UHPC基體收縮所產生的微裂紋并阻止其發展，且UHPC基體在受力時，均勻分布的鋼纖維搭接環箍效應可以阻止UHPC基體的橫向膨脹發展，從而提高UHPC試樣力學性能。

2.2 石英砂的細度對UHPC性能的影響

分別采用粒徑范圍為16-26目、26-40目、40-70目、70-120目的石英砂為骨料制備UHPC試樣，并對所制UHPC試樣的工作性能及力學性能進行測試，探究石英砂的細度對所制UHPC試樣性能的影響。

結果如圖4所示，采用16-26目、26-40目、40-70目石英砂為骨料的試樣均具有較優異的工作性能；隨著石英砂粒徑的減小，所制UHPC試樣工作性能逐漸降低，且采用70-120目石英砂為骨料時，所制UHPC試樣工作性能降低明顯(圖4(a))，故不宜單獨采用粒徑范圍小于70目(0.212 mm)的石英砂為骨料制備UHPC試樣。由圖4(b)、圖4(c)可知，所制UHPC試樣具有非常優異的力學性能，28 d抗折抗壓強度最低也可達到34.2 MPa、161.3 MPa。所制UHPC試樣的力學性能并非隨石英砂粒徑的減小而增大，單一粒徑范圍石英砂中，以26-40目石英砂為骨料的UHPC試樣工作性及力學性能最優，其28 d抗折抗壓強度分別為40.1 MPa、170.1 MPa。

2.3 石英砂的級配對UHPC性能的影響

根據2.2中實驗結果，剔除70-120目石英砂，將16-26目、26-40目、40-70目石英砂以不同質量比例進行級配以確定三者混合的最大緊密堆積密度。首先，將26-40目的石英砂摻入16-26目的石英砂中以測定兩者的最佳比例，結果由表4可知，當16-26目和26-40目石英砂的混合比例為1∶1時，緊密堆積密度最大，可達1 450.1 kg/m3。然后在16-26目和26-40目石英砂的最佳混合比(1∶1)的基礎上，將40-70目石英砂以不同質量比摻入前兩者的混合物中以測定三者的最佳比例。結果如表5所示，當16-26目和26-40目最佳比混合物與40-70目石英砂的比例為7∶3時，緊密堆積密度最大(1 551.8 kg/m3)，因此，16-26目、26-40目和40-70目石英砂最佳混合比例為7∶7∶6。

表4 不同比例的16-26目和26-40目石英砂的緊密堆積密度

表5 不同比例的16-26目、26-40目和40-70目石英砂的緊密堆積密度

將表5中所示的不同比例的石英砂進行進一步試驗，以探究石英砂的級配對UHPC性能的影響。由圖4(a)和圖5可知，級配后的UHPC試樣工作性能得到大幅提升，明顯優于單一粒徑的UHPC試樣(摻單一粒徑范圍石英砂的UHPC試樣最大工作性為225 mm)。

由圖6、圖7可知，較摻單一粒徑范圍石英砂的UHPC試樣(28 d抗折最大值為40.1 MPa，抗壓最大值為170.1 MPa)，級配后的UHPC試樣抗壓值得到一定提高，抗折值并無提高，造成此現象的原因在于UHPC工作性的明顯提高利于粉料及纖維的流動堆積而使基體更加緊密，但會導致鋼纖維的過多下沉而不利于其發揮環箍增韌效果，因此在制備UHPC試樣時在滿足工作性能的前提下盡量減少UHPC成型時的震動次數使其自流平。級配后的UHPC試樣3 d抗折和抗壓強度最低可達26.6 MPa和115.1 MPa，28 d抗折和抗壓強度最低可達32.4 MPa和173.8 MPa，其中最佳混合比例(16-26目、26-40目、40-70目石英砂質量比例為7∶7∶6)的石英砂UHPC試樣力學性能最優，其28 d抗折抗壓強度可達40.2 MPa、187.0 MPa，可解決超高性能混凝土工作性差、養護工藝復雜的問題。

3 結 論

a.UHPC隨帶鉤鋼纖維的摻入量的增加力學性能得到顯著提高，但隨帶鉤鋼纖維摻量的增加，所制UHPC試樣的工作性能會有所降低，這將會增加其在實際工程應用中的泵送難度，并增加UHPC試樣的成本，論文帶鉤鋼纖維的最佳體積摻量為2%。

b.UHPC試樣的力學性能并非隨骨料粒徑的減小而逐漸增大，而應綜合考慮骨料的堆積密度和摻入骨料后UHPC試樣的工作性能，優異的工作性能更易于鋼纖維的均勻分布，但應減少UHPC成型時的震動次數以避免纖維下沉，較大的緊密堆積密度則更利于發揮最緊密堆積原理。

c.不同粒徑石英砂的合理級配可以提高UHPC試樣的工作性能及力學性能，當16-26目∶26-40目∶40-70目石英砂質量比例為7∶7∶6，所制UHPC試樣的力學性能最優，且其采用常溫養護制度滿足自流平的性能特點，可提高工程施工效率，降低工程成本。