定向分布纖維增強混凝土的制備和力學性能分析

劉志勇，謝 娟

（1.石家莊理工職業學院，河北 石家莊 050228；2.河北科技大學化學與制藥工程學院，河北 石家莊 050018）

1 引言

超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）[1-5]是新型水泥基復合材料，鋼纖維有效改善了混凝土的脆性，增強了混凝土的機械強度。在UHPFRC 中，鋼纖維通過吸收裂紋擴展能和橋接作用，有效阻礙了混凝土內部微裂紋的伸展，從而提高混凝土的抗壓、抗彎和抗扭等機械性能[3-5]。然而，常規制備方法中，由于澆筑時混凝土中鋼纖維雜亂無章，僅有部分鋼纖維起到了增強作用[6，7]。

在前人的報道中，混凝土中纖維的分布與取向對混凝土的性能有著重要影響，使得纖維增強混凝土的機械性能出現各向異性，沿鋼纖維方向的抗壓強度遠遠大于沿纖維垂直方向，這有利于充分利用鋼纖維[8-10]。Lee[11-13]等人通過恒定磁場控制混凝土拌合物中的鋼纖維方向，制備出單向分布鋼纖維混凝土，并初步提出纖維取向統一系數和纖維方向效應系數。國內慕儒團隊[14-18]對此開展了大量研究，對單向鋼纖維混凝土的制備和性能做了大量研究。然而，他們都是利用恒定磁場磁化方法，耗時長，單次成品量低，遠遠達不到工業生產的要求。

本研究中提出了新的制備方法。首先通過添加超塑劑，制備了超高流動性混凝土。在此基礎上通過漿體流動時的內摩擦力，使鋼纖維方向趨于一致，制備定向分布混凝土。通過制備鋼纖維不同摻量的普通和定向分布混凝土，比較其纖維取向系數和力學性能，研究定向分布鋼纖維的性能。為此，本文設計了不同鋼纖維摻量（0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8Vol.%）不同鋼纖維分布和取向（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）的混凝土，分析了UHPFRC 中抗壓強度、抗折強度與鋼纖維摻量、分布和取向的相關性。

2 試驗

2.1 原材料和配合比

本試驗所采用的原料和外加劑符合國家標準《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB/T 175-2007）的規定。水泥為堡壘牌P.O52.5 硅酸鹽水泥，粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，硅灰為H 系硅灰，骨料采用細度模數為0.92 和1.78的兩種石英砂，各種原材料成分及粒徑大小分布見表1、圖2。鋼纖維的長徑比為65，直徑為0.2mm，其物理性能如表2和圖1所示。此外所用固體聚羧酸高性能減水劑，實測減水效率為24%。

表1 原料主要成分及粒徑

表2 鋼纖維的主要性能

圖1 鋼纖維形貌

2.2 試驗方法

2.2.1 混凝土設計

UHPFRC 的設計理論是最大堆積密度理論（densified particle packing），依據改進的Andreasen 和Andersen（A＆A）[19-21]模型來計算每種原料的使用量，如式（1）所示。當分布系數q＜0.25 時，用于細骨料混凝土，考慮到

纖維增強混凝土中大量使用細骨料因此將分布系數q定為0.23。

其中：P（D）—篩下物料的累加所占總物料的百分百；

D—物料的粒徑，μm；

Dmax——物料中的最大顆粒直徑，μm；

Dmin—物料的最小粒徑，μm；

q—體系中物料的分布系數。

在本次研究中所使用的配比見表3；角度設計見表4；UHPFRC 的目標和優化分級曲線之間的推導如圖2所示；同時為了表征鋼纖維在混凝土中的分布狀態和測試時的分布狀態，建立三維模型，如圖3所示。

圖2 最緊密堆積模擬曲線

圖3 試塊三維坐標

表3 基準組配合比設計 kg/m3

表4 定向分布角度設計（°）

2.2.2 材料制備

UHPFRC 中纖維分布主要受鑄造工藝和周邊環境影響。因此為了更好的優化混凝土中鋼纖維取向和分布的影響，本試驗采用新的外加磁場鑄造工藝[16-17]。為使鋼纖維在磁場中受到更大的磁力作用，以及更好地分散效應，鋼纖維需在強磁場磁化。為減少澆注環境對鋼纖維的影響，本試驗采用有機模具，并在木質振動臺澆注。本研究的制備原理如圖4所示。為探究鋼纖維在磁場中的動態移動過程，通過改變新拌混凝土的有效震動時間，觀測在某一時間點鋼纖維的取向和分布。

圖4 制備原理圖

2.2.3 養護條件

本試驗試塊和養護條件按照國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-2016）的相關規定，尺寸為40mm×40mm×160mm，澆鑄后24h 拆模，養護條件為室溫（20±2）℃，濕度（50±5）%，養護時間為28d。

2.3 測試方法

2.3.1 力學性能測試

依據《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-2016），測試儀器為NYL-300 型壓力試驗機，測試抗壓強度時壓力試驗機的加載速率為2.4kN/s。抗折時加載速率為2.0kN/s。

2.3.2 纖維取向測試

為了評估UHPFRC 中纖維分布和取向，將破碎后的混凝土試塊切片，使用數顯傾斜度測量儀對界面中鋼纖維進行角度測量，以每5°為一個區間進行統計。

3 結果和討論

為了分析鋼纖維在UHPFRC 中的取向與分布，已經對試塊建立了三維坐標體系，如上文所述，為了對纖維取向和受力分布影響之間建立更加清晰的對應關系，本文采用數學歸納的方法進行分析。

3.1 纖維分布狀態影響評估與分析

探究在UHPFRC 中鋼纖維在不同摻量下，外加磁場誘導時間的不同，評估鋼纖維在磁場中的運動狀態和分布狀態。根據纖維運動理論[9-10]，在新鮮混凝土漿體中，纖維的運動受到重力、浮力、擾流阻力和磁場力的共同作用，運動狀態如圖5所示。為了表征纖維的分布狀態，引入鋼纖維混凝土的纖維方向統一系數因子公式[1]，如式（2）所示，測試結果如圖6、圖7和圖8所示。

圖5 鋼纖維受力分析

圖6 不同鋼纖維摻量下抗壓強度發展

圖7 不同鋼纖維摻量下抗折強度的發展

圖8 不同鋼纖維摻量下強度增長率

式中：為直鋼纖維的長度，mm；

為直鋼纖維與試件設計方向的夾角，°；

UHPFRC 試塊抗壓/抗折強度強度如圖6、圖7 所示，試驗結果證明，纖維增強混凝土的破壞強度與纖維的摻量呈正相關。如圖8 所示，纖維摻量在0.3～1.2vol.%范圍內，增長率較快，在0.9 vol.%時，達到最大強度增長率；當纖維摻量大于1.2 vol.%時，強度增長率隨纖維摻量的增加而逐漸減少。結果與Lee 和慕儒團隊[11，16]等的研究報告基本一致；其研究報告中提出纖維增強混凝土中鋼纖維最優摻量在1.0 vol.%左右。根據英國20 世紀90 年代提出的“混凝土復合材料機理”，鋼纖維在低摻量時的主要作用是阻礙混凝土內部的微裂紋擴展和阻止宏觀裂紋的發生和發展；當鋼纖維摻量大于最優摻量，鋼纖維反而會改變混凝土骨架結構，不利于強度的增長。

混凝土中纖維取向統一系數與磁場引導時間如圖9 所示。試驗結果表明，纖維取向統一系數與引導時間基本成正相關關系。2～7 組試驗達到最大取向系數的時間依次為10min，15mim，15min，20min。這一結果與Lee 等人[11]的研究報告基本一致；慕儒[16]研究報告中變化曲線基本相同，引導時間不同，這可能與制備時的磁場力強度、阻滯力有關。根據纖維受力分析，如圖9 所示，隨磁場角度變化，磁場磁矩逐漸變?。浑S運動狀態改變，擾流阻力先減小后增大，綜合受力分析結果，前期動力大于阻力，必然會有加速階段，后期阻力大于動力，必然會有減速到0階段。

圖9 纖維取向統一系數與磁場引導時間

3.2 纖維取向效應因子

3.2.1 方向效應因子

如前文所述，UHPFRC 中鋼纖維方向定向分布時，機械強度也會發生變化，并呈現出規律的各項異性。為了更好地表征纖維取向與機械強度之間的關系，本文引入纖維取向效應因子，表征機械受力破壞過程中，纖維取向對受力過程的自身貢獻系數。Lee[8]等人提出了方向效應因子概念，并提出鋼纖維在混凝土中三維隨機亂向分布時的方向效應因子公式αs，如式3所示：

其中：為直纖維的長度，mm

為XY二維平面中直鋼纖維與Y軸的夾角，°；

φ為YZ二維平面中直鋼纖維與Y軸的夾角，°。

因此，纖維取向抗折效應因子αs的有效取值區間為0～1，且可以推導出當纖維在混凝土中完全自由隨機分布時，取向因子αso（完全隨機分布狀態的理論基準值）應該為0.405。

本次試驗實際計算時發現，纖維取向因子αso實的值為0.509，與αso存在差異，具體原因分析如下：

①重力效應。

在實際攪拌澆注過程中，因為纖維的長徑比非常大，在重力和震動的作用下，鋼纖維在漿體中會發生轉動，趨向重力垂直的平面轉動的趨勢，在本文坐標系中體現為向XY 平面轉動，因此，鋼纖維在不同平面與Y軸的實際夾角不同程度的小于理論夾角，使αso實大于αso。

②邊界和內部骨料碰撞效應。

鋼纖維本身的抗折強度不高且長徑比過大，當攪拌、澆注時，如果存在鋼纖維與模具的邊界碰撞或者不同骨料之間形成簡支梁效應時，鋼纖維會發生彎曲變形，因此會對取向系數造成不利影響，影響較大，不可忽略。

3.2.2 纖維取向效應因子與強度的關系

為了更好的表征UHPFRC 中纖維定向分布時，纖維分布方向與機械強度之間的關系，本文在此理論基礎上，結合三維模型的受力分布狀態，對公式進行了修正，提出了三維定向纖維方向效應因子系數公式，抗折強度效應因子系數α，如式（4）、式（5）所示：

其中：l為直鋼纖維長度，mm；

γi為在XZ二維平面中直鋼纖維與Z軸的夾角，°；

δi為在YZ二維平面中直鋼纖維與Z軸的夾角，°；

θi為在XY二維平面中直鋼纖維與Y軸的夾角，°；

φi為在YZ二維平面中直鋼纖維與Y軸的夾角，°；

n為橫截面纖維的總數目。

由圖10 可知，當鋼纖維摻量為0.9Vol%時，隨效應因子系數的增大，混凝土抗壓強度逐漸增大，達到最大強度后抗壓強度迅速下降。在UHPFRC 中，鋼纖維主要作用是阻礙混凝土內部的微裂紋擴展和阻止宏觀裂紋的發生和發展；同時根據混凝土復合材料理論[8-10]，鋼纖維的拉伸強度為2000MPa，遠大于混凝土基體拉伸強度，復合后的強度會遠大于混凝土基體。本文主要運用這兩種理論分析。在αFS在0～0.50 區間時，抗壓強度基本沒有變化，其主要原因是，在此區間內，鋼纖維與XZ 平面夾角基本上α≥60°，裂紋擴展方向基本沿XZ平面延伸，鋼纖維與裂紋之間呈大夾角，阻裂能力基本無變化；同時，當受力破壞時，纖維與受力方向呈大夾角，基本沒有發生拉伸作用。當αFS在0.50～0.90 區間時，抗壓強度迅速增大，其主要原因是：在此區間時，鋼纖維與XZ 平面的夾角25°≤α≤60°，裂紋擴展方向基本沿XZ 平面延伸，鋼纖維與裂紋之間夾角逐漸減小，阻裂能力降低，對混凝土機械強度的促進作用緩慢減弱；同時，當受力破壞時，纖維與受力方向夾角逐漸下，拉伸作用迅速提高，對鋼纖維機械強度的促進作用快速增強；兩種作用中，拉伸作用的促進效率遠遠大于前者的減弱效率。αFS在0.50～0.90 區間時，抗壓強度迅速降低，其主要原因是：在此區間時，鋼纖維與XZ 平面的夾角0°≤α≤25°，裂紋擴展方向基本沿XZ 平面延伸，鋼纖維與裂紋之間夾角繼續減小，阻裂能力降低，對混凝土機械強度的促進作用快速減弱；同時，當受力破壞時，纖維與受力方向夾角逐漸下，拉伸作用迅速提高，對鋼纖維機械強度的促進作用繼續增強；兩種作用中，阻裂作用的減弱效率遠遠大于后者的促進效率；同時鋼纖維取向與裂紋擴展方向基本一致，改變了混凝土的骨架結構，加快了裂隙的擴展。

圖10 抗壓強度與取向系數

由圖11 可知，當鋼纖維摻量為0.9Vol%時，隨著效應因子的增大，抗折強度逐漸增大，但是變化率不同。在αcs在0～0.70區間時，抗折強度增長緩慢，其主要原因是：在此區間內，鋼纖維與XY 平面夾角基本上α≥45°，裂紋擴展方向基本沿XZ 平面延伸，鋼纖維與裂紋之間呈小夾角，阻裂能力緩慢增長；同時，當受力破壞時，纖維與受力方向呈小夾角，拉伸作用增長緩慢。在αCS在0.70～1.0 區間時，抗折強度增長迅速，其主要原因是：在此區間內，鋼纖維與XY 平面夾角基本上0°≤α≤45°，裂紋擴展方向基本沿XZ 平面延伸，鋼纖維與裂紋之間呈大夾角，阻裂能力快速增大；同時，當受力破壞時，纖維與受力方向呈大夾角，拉伸作用快速增長。

圖11 抗折強度與取向系數

由圖9、圖10可知，在鋼纖維最優摻量時，鋼纖維定向分布UHPFRC 的最大抗壓強度/抗折強度均遠大于鋼纖維隨機分布UHPFRC，抗壓強度提升14.10%，抗折強度提升48.02%。其主要原因是：在兩種機械破壞測試時，鋼纖維都起到了良好的拉伸作用，提高復合強度；但是抗折破壞時，鋼纖維起到良好的阻裂效果；抗壓破壞時，鋼纖維沒有起到良好的阻裂效果，甚至加快了裂隙的發展。這與Lee[11，16]等人的報道基本相同。

當αs=0.509 時，在不同鋼纖維摻量下，鋼纖維隨機分布混凝土和鋼纖維定向分布混凝土強度對比如如圖12、圖13 所示。結果表明，當αs系數相同時，鋼纖維定向分布混凝土強度都小于鋼纖維隨機分布混凝土。其主要原因是：鋼纖維之間的相互堆疊，增強了鋼纖維對混凝土基體的阻裂作用。同時發現，在鋼纖維最優摻量附近時，二者強度差最大。其主要原因可能是：在鋼纖維最優摻量時，阻裂作用下降幅度大。

圖12 鋼纖維不同分布狀態下抗壓強度對比

圖13 鋼纖維不同分布狀態下抗壓強度對比

4 結語

本文利用磁場引導鋼纖維在混凝土中的取向與分布，探究UHPFRC 中鋼纖維取向與分布對機械強度的影響。研究發現，UHPFRC 中鋼纖維最優摻量為0.9 Vol%，可能會改變混凝土骨架結構，不利于強度的發展。當鋼纖維在最優摻量時，隨著鋼纖維取向系數的增大，UHPFRC抗壓強度先增大后減??；其主要原因是：鋼纖維拉伸作用的增強和阻裂作用的減弱，甚至加速裂紋的發展。當鋼纖維在最優摻量時，隨著鋼纖維取向系數的增大，UHPFRC 抗折強度持續增大；其主要原因是：是鋼纖維拉伸作用的增強和阻裂作用都在增強。當取向系數αs=0.509 時，不同鋼纖維摻量下，鋼纖維定向分布UHPFRC 的抗壓強度/抗折強度均小于鋼纖維隨機分布UHPFRC；其主要原因是：鋼纖維亂向分布時，相互之間的堆疊強化了阻裂作用。不同鋼纖維摻量下，鋼纖維定向分布UHPFRC 的最大抗壓強度/抗折強度均遠大于鋼纖維隨機分布UHPFRC，抗壓強度提升14.10%，抗折強度提升48.02%；其主要原因是：在兩者機械破壞測試中，鋼纖維的阻裂作用明顯存在差異。