鋼纖維規格對超高性能混凝土性能的影響

葉門康 林 東 劉冠升 郭武廣 吳瓊景

（廣東華隧建設集團股份有限公司）

0 前言

隨著高性能混凝土制備技術的發展，一種新型的高技術材料--超高性能混凝土（簡稱UHPC）引起了學術界和工程界廣泛關注，其突出優勢體現在強度與韌性的高度匹配。UHPC材料具有比強度高、荷載能力強，突出的抗彎、拉性能，超強的耐久性等優異性能，能夠滿足土木建筑工程輕量化、大跨度、高耐久的要求，尤其適用于、國防、核電、海洋平臺、地下有限空間等特殊工程及新型結構體系創新等需求。

周玉娟[1]等人在研究中指出UHPC中隨帶鉤鋼纖維的摻入量增加，力學性能得到顯著提高，但所制UHPC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。張文峰[2]研究發現，活性粉末混凝土的劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度會伴隨鋼纖維摻量的不斷增加而呈現出線性增大的規律。Kim等[3]對比了不同形狀鋼纖維拔出實驗結果，發現鋼纖維–UHPC基體黏結強度由強至弱依次為扭轉型、端鉤型和平直型鋼纖維。

鋼纖維作為UHPC材料中常用的增強材料，對UHPC材料的性能有極大的影響，本實驗從鋼纖維的規格出發，研究鋼纖維規格對UHPC材料性能的影響及規律，為UHPC材料配比的設計及其在工程上的應用提供參考。

1 試驗概述

1.1 試驗材料

水泥：華潤水泥（平南）有限公司生產的P.O42.5級水泥。

減水劑：江蘇蘇博物新材料股份有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑。

硅灰：埃肯公司生產的920級硅灰

石英砂：粒徑16目～120目的級配石英砂

鋼纖維：抗拉強度為2900MPa的鍍銅鋼纖維，規格如表1所示。

表1 試驗中涉及鋼纖維規格

1.2 試驗方法

⑴試件成型：參照標準GBT31387-2015《活性粉末混凝土》，成型邊長為100mm的立方體抗壓試件，以及尺寸為100mm×100mm×400mm的抗折強度試件。

⑵強度檢測：參照標準GBT31387-2015《活性粉末混凝土》和GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓與抗折強度試驗。

⑶拌合物坍落擴展度性能檢測：參照GB/T 50080-2016《混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

⑷試件的養護：參照標準GBT31387-2015《活性粉末混凝土》對試件進行熱養護。

1.3 配比設計

本試驗中采用相同的材料配比，只改變鋼纖維的規格類型進行對比試驗，具體配比如表2所示。試驗過程中檢測其拌合物的坍落擴展度、抗壓強度與抗折強度。

表2 試驗配比

2 試驗結果與分析

2.1 鋼纖維規格對UHPC拌合物工作性能的影響

從圖1所示結果來看，鋼纖維的長徑比越大，在配比相同的條件下，所配制的UHPC拌合物的坍落度和擴展度越小，但進一步分析可以發現，拌合物的工作性能影響受鋼纖維的直徑影響更明顯，鋼纖維A和B的直徑相同，在相同質量摻量下，長度更大的鋼纖維B坍落度及擴展度均有所下降，但變化并不大；而相同長度的鋼纖維B和C，工作性能的差異相比A與B之間更為明顯。分析其原因：鋼纖維的長度越長，鋼纖維間的搭接成網更容易，但直徑較大時，鋼纖維剛度較大，在攪拌過程中不易變形，因此對工作性能的影響不會太大，而直徑變小，鋼纖維變得柔軟，在攪拌過程中的外加作用下，部分纖維間會搭接勾連，形成網絡，同時，直徑變小后，纖維的根數越多（經估算，相同質量摻量下，鋼纖維C的根數是鋼纖維B的1.5倍），所形成的纖維網絡更加密集，影響漿料的流動，從而大幅度地降低了拌合物的工作性能。從圖2中各配比的拌合物狀態也能看出，鋼纖維的長徑比越大，對應配比拌合物自然擴展后，表面呈現出越多的團狀物。

圖1 鋼纖維規格對UHPC拌合物坍落度及擴展度的影響

圖2 摻入不同鋼纖維的UHPC拌合物狀態

2.2 鋼纖維規格對UHPC材料強度性能的影響

從強度的結果來看，所摻入的鋼纖維長徑比越大，試件的抗折強度越高，但抗壓強度則沒有相同規律，而是摻入鋼纖維B的配比最高。這是由于鋼纖維的規格對UHPC材料彎拉性能影響比對抗壓強度的影響更明顯。相同直徑下，鋼纖維的長度越長，在UHPC材料發生斷裂時鋼纖維拔出長度越長，拔出難度越大，因此UHPC材料斷裂時所需的能量越高，表現出抗折性能提高越大；而當長度相同，鋼纖維的直徑越小，長徑比越大，相同摻比下，其數量越多，總的鋼纖維比表面積越大，內部的鋼纖維網絡結構越密集，進一步提高了UPHC材料的斷裂能，進一步提高其抗折強度；但由于其同時會對UHPC工作性能及試件的成型密實度產生一定的影響，從而使其提升的幅度有所下降。

圖3 不同鋼纖維類型UHPC強度結果

鋼纖維的摻入，提高了UHPC材料的抗拉性能，因此在UHPC受壓過程中，鋼纖維提高了UHPC抗橫向形變能力，從而間接提高了UHPC材料的抗壓強度，因此，鋼纖維的長度變大（由鋼纖維A變成B），在提高UHPC材料抗折強度的同時也提高了其抗壓強度。但抗壓強度還受內部結構的影響，當鋼纖維的直徑變小（由鋼纖維B換成直徑更小的鋼纖維C），對UHPC材料的工作性能產生不良影響，從而導致試件的密實度下降，反而使UHPC材料的抗壓強度下降。

3 結論

⑴相同摻量下，摻入長徑比越大的鋼纖維，在配比不調整的條件下，UHPC材料的工作性能越差，而且，直徑越小，影響越明顯。

⑵相同摻量下，摻入長徑比越大的鋼纖維，UHPC材料的抗折強度越高。

⑶鋼纖維長徑比對UHPC抗壓強度的影響并不是與抗折強度相一致，還需要考慮鋼纖維對UHPC材料的綜合影響。

⑷鋼纖維的規格選擇對UHPC材料性能有較大的影響，在進行UHPC配比設計時需要引起重視，通過適當的選擇，可以實現在滿足性能要求的前提下，降低鋼纖維摻量，降低UHPC材料的成本，促進UHPC材料的應用。