混雜纖維超高性能混凝土研究現狀

張華

（哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）這個概念被提出距今已有近30年，UHPC相比于普通混凝土具有高強度、高韌性、高耐久性等特點［1-3］，UHPC的問世實現了水泥基建筑材料各項性能的大幅度提升。UHPC的力學性能很大程度上受到組成和原材料的影響，UHPC以水泥、細骨料，超細礦物摻合料，減水效率較高的減水劑以及增強纖維為原材料［4，5］。UHPC具有非常廣泛的應用前景，如橋梁、公路及各種工程預制構件等。

高強度的水泥基復合材料本身具有較低的斷裂強度和韌性，脆性破壞是隨強度增加而出現的，該特點限制了高強度混凝土的應用。然而通過纖維橋接基體吸收能量并提高延展性，限制裂紋的發展，所以將纖維結合到更高強度的基體中可以很有效地克服高強混凝土的脆性問題。因此纖維作為UHPC中最重要的原材料之一，其長度、形狀、摻量等參數都影響著UHPC的力學性能［6-9］。水泥基復合材料中使用的纖維主要有鋼纖維、玻璃纖維或聚合物纖維等。在所有類型的纖維中，鋼纖維比混凝土基體具有更高的彈性模量，這意味著它們可以提高承載能力，從而提高材料的機械強度，鋼纖維增強的混凝土具有更好的沖擊、破碎和耐磨性。然而相比于在UHPC中單獨摻入鋼纖維，混雜不同長度、不同形狀、不同材料的纖維，可以得到力學性能更加優異的UHPC。文中將對現有混雜纖維UHPC的研究進展進行回顧，歸納與總結在混雜不同尺度鋼纖維、不同形狀鋼纖維、不同材料纖維條件下，UHPC的力學性能如抗壓性能、彎曲性能、以及抗沖擊性能等。從而可以為實際工程應用中面對不同力學性能需求時，混雜UHPC中纖維組合的選擇提供參考。

1 混雜不同尺度鋼纖維

UHPC的破壞是一個多尺度的斷裂過程，而單一尺度鋼纖維的使用只能抑制單一尺度的裂縫的產生與發展，從而只在單一尺度下增強。因此，基體中若摻入兩種或兩種以上不同尺度的纖維，二者可以在受到外力破壞過程中進行互補，使基體表現出比單一纖維UHPC更加優異的力學性能［10，11］。

1.1 準靜態力學性能

1.1.1 抗壓強度

不同尺度的鋼纖維彌合了UHPC受壓時產生的不同尺度的裂紋，同時不同尺度鋼纖維混雜摻入UHPC中，也被驗證能夠得到抗壓性能更加優異的UHPC。R.Yu等［12］的實驗將UHPC中鋼纖維的總含量維持在2%，將直徑為13、6mm的鋼纖維混雜摻入并進行抗壓試驗，結果如圖1所示。研究結果表示纖維混雜系數為0.25時，UHPC的28d抗壓強度達到了最高141.5MPa，高于單獨摻入任意一種纖維。何杰［13］的研究也得到了相同結論，研究將30（SF1）、13mm（SF2）的鋼纖維混雜對UHPC也有一定的強化效果，與單摻SF1的UHPC相比，1.5% SF1+0.5% SF2組試件的抗壓強度提高了6.1%。這歸因于混雜纖維在限制UHPC裂紋發展方面的協同效應，盡管纖維在拉伸或彎曲荷載下更有效地改善混凝土的性能，但它們也可以彌合受壓過程中產生的裂縫，并提高了UHPC的抗壓強度。

圖1 混雜纖維UHPC的抗壓強度

從以上的研究結果還可以發現，隨著短纖維對長纖維取代率越來越高，UHPC的抗壓強度呈現下降的趨勢。Wei J等［14］對于混雜長度為6、10、15mm鋼纖維，纖維總量保持在2.5%的UHPC試件抗壓性能的研究也得到了類似結論，結果表明纖維長度越長，UHPC的抗壓強度和彈性模量越高。在所有試件中，單獨摻入2.5%長纖維對UHPC試件的抗壓性能的增強效果最好，這是因為相比與長纖維，短纖維受力時提供的橋接作用較弱，并且長纖維與混凝土基體之間的粘結面積更大［15］。然而，當不減少長纖維摻量的前提下，再摻入短纖維可以大幅度提高UHPC的抗壓強度。Ragalwar K等［16］將鋼棉纖維摻入2%長纖維的UHPC中，抗壓強度在鋼棉纖維摻量為1.5%時最高，相比于未摻入鋼棉纖維的UHPC提高了22%。這是因為鋼棉纖維橋接并穩定了微裂紋，與抑制宏觀裂紋的長纖維協同作用，共同增強了UHPC基體的抗壓強度。

1.1.2 抗拉強度

UHPC除了具有很高的抗壓強度外，還具有非常優異的抗拉性能。高抗拉強度還會使UHPC具有更高的延性，并且可以在實際工程中免去對鋼筋的需求［17］。從纖維多尺度增強的機理出發，當纖維混雜時，可以得到抗拉性能更優異的UHPC，許多學者對其進行了相關研究。

Park S H等［18］將13mm短鋼纖維與30mm長的鋼纖維混合，研究是在長纖維保持體積摻量保持1%不變時，改變短纖維的摻入量，體積摻量在0%～1.5%之間變化。得到結論為在基體中添加短纖維對UHPC的應變硬化和多重開裂行為產生了有利的影響，纖維混雜會明顯地改善UHPC的抗拉強度、微裂紋數量。

材料受拉全過程具有2個特征值，分別為初裂強度和抗拉強度。蘇家戰等［19］混雜不同長徑比鋼纖維、進行單軸拉伸試驗，并進行了混雜效應分析。混雜效應種類如圖2所示。在鋼纖維總摻量不變下，當混雜比率0.4時，混雜6、20mm的鋼纖維對UHPC材料的抗拉強度、初裂強度均能達到正混雜效應；混雜13、20mm的鋼纖維則顯示為零效應。總之，不是所有的纖維組合都能夠優化UHPC的力學性能，在實際應用時，應根據混雜效應與工程需求選擇最優纖維組合。

圖2 混雜效應種類

1.1.3 抗彎強度

Niu Y等［20］將6mm（S）、13mm（M）、20mm（L）兩兩混雜，研究混雜纖維UHPC受到彎曲荷載時的強度和裂紋擴展情況。結果表明M0.5L1.5的UHPC試件組彎曲性能優于其他試件。各組試件的初裂應變率以及裂紋擴展速率分別如圖3（a）、圖3（b）所示。由此表明長纖維可以有效地通過纖維/基體界面傳遞應力，從而減緩應變增長，并且長纖維對裂紋擴展具有重要的限制作用。但由于混合增強效應，與其他試件相比，M0.5L1.5試件的初裂應變率和裂紋擴展速度最低，彎曲性能最好。

圖3 各組試件的受彎開裂行為

Ragalwar K等研究了鋼棉纖維對含有長度為30mm鋼纖維的UHPC基體力學性能的影響，同樣得到了混雜纖維UHPC抗彎強度和韌性更優異的結論。此外，研究通過纖維拔出性能試驗證明了混雜纖維UHPC抗彎性能的增加是微細纖維橋接了基體的微裂紋并且改善了長纖維與基體的界面，增加了基體與纖維間的摩擦粘結。

1.2 動態抗沖擊性能

Wei J等混雜了長度為6、10、15mm鋼纖維，研究了單纖維和混雜纖維加固的UHPC梁低速沖擊下的動力特性，進行落錘試驗后的UHPC梁部件出現輕微的彎曲損傷。與單一纖維增強的UHPC梁相比，混合纖維UHPC梁部件具有更好的抗沖擊性能，即彈性模量最大和撓度小。Wu Z等［21］對混雜纖維進行霍普金森桿沖擊試驗也得到了類似的結論，并認為UHPC中混雜纖維增強體的增強機理是最初短纖維增強體抑制了微裂紋的產生。隨著微裂紋的進一步擴展，短纖維從基體中拔出，長纖維開始承受載荷，由于短纖維和長纖維協同增強效應，這可以在兩個長度尺度上限制裂紋的發展。

2 混雜不同形狀鋼纖維

現有對于混雜不同形狀鋼纖維的研究大多集中于短直鋼纖維與長異型鋼纖維。這種混雜方式的出發點有以下兩個方面，一是讓多尺度的纖維在基體中發揮協同作用，抑制UHPC的多尺度裂紋；二是纖維-基體界面的結合強度主要由化學鍵、纖維端部的機械錨固和摩擦力提供。而與直纖維相比，異形纖維甚至端鉤纖維具有更大的機械錨固作用力［22］。

2.1 準靜態力學性能

2.1.1 抗壓強度

Abushanab A等［23］將50mm長端鉤纖維與6mm短直纖維混雜摻入UHPC中，對比分別單摻長、短纖維UHPC的抗壓強度，發現在纖維總摻量固定的前提下，混雜組合的試樣的抗壓強度最高。此外，端鉤纖維單獨摻入時的抗壓強度略低于短直纖維單獨摻入時的試件組，這是因為鉤端纖維在基體中的分布不如直纖維，因此直纖維在提高UHPC抗壓強度方面比變形纖維更有效［24］。Ryu G S等［25］也在研究中得到了類似結論。但是從以上研究結果也可以發現混雜不同形狀纖維對UHPC的抗壓強度影響幅度并不是非常大，這是因為抗壓強度主要取決于纖維的分布，基體的密實度以及纖維與基體界面的強度。所以有更多的學者將研究重點轉移至抗拉和抗彎強度。

2.1.2 抗拉強度

Chun B等［26］將短鋼纖維與異形鋼纖維混合摻入，會明顯地改善UHPC的抗拉強度、微裂紋數量。認為扭轉形長纖維與短纖維混合在一起時，UHPC具有最佳的拉伸性能。Park S H等也得到了相同結論，這是由于扭轉型長纖維需要經歷“解扭”過程才能被拔出，所以它利用了大部分埋入纖維的長度來產生機械阻力。這也說明了不同形狀的鋼纖維在UHPC混合體系中發揮作用的機制也是不同的。

2.1.3 抗彎強度

一般來說，在脆性基體中混合在一起的纖維可根據在基體中的作用分為宏觀纖維和微觀纖維，高強度纖維增強復合材料采用又長又粗的纖維作為宏觀纖維，而采用又短又細的纖維作為微觀纖維。Ryu G S等將長端鉤型鋼纖維（長度30mm，直徑0.375mm）與3種不同長度短直纖維（長度分別13.0、16.3、19.5mm，直徑均為0.2mm）混摻，研究其彎曲韌性。與單獨使用長纖維或短纖維的UHPC相比，長端鉤和短直鋼纖維混摻的UHPC的抗彎強度和彎曲韌性都有較大的提高，尤其是彎曲韌性。這是因為長纖維與短纖維的復合材料具有協同效應，短纖維提高了彎曲強度，長纖維提高了變形能力。混摻鋼纖維UHPC的韌性較單摻鋼纖維UHPC提高了33%～45%，并且當長端鉤纖維與長度13mm短直纖維各摻入1%時對UHPC增韌的效果最好。Abushanab A的研究也認為短纖維和長端鉤纖維混雜組合UHPC試件比普通UHPC試件的抗折強度最高提高了124%。UHPC抗彎強度結果的變化歸因于鋼纖維的拉拔強度，宏觀鉤端纖維短直纖維更能有效地橋接宏觀裂縫。

2.2 動態抗沖擊性能

將直纖維和端鉤型鋼纖維混合摻入UHPC中，由于“協同效應”，將會得到比單一種類纖維更優異的抗沖擊性能。通過落錘試驗，對混摻纖維試件單摻纖維試件進行動態力學性能的測試。結果表明在保持纖維總摻量為2%的前提下，抗沖擊強度隨著端鉤型纖維摻量增大呈現先上升后下降的趨勢，并且在直纖維和端鉤型纖維各摻1%的情況下，抗沖擊性能最佳［27］。

3 混雜不同材料纖維

我們可以按照彈性模量將用于增強的纖維分為兩類，一類纖維的彈性模量低于水泥基體，如纖維素、尼龍和聚丙烯等；另一類纖維的彈性模量則高于水泥基體，如石棉、玻璃、鋼、碳等。通常彈性模量較小可以提高混凝土的韌性，與鋼纖維混雜時可以既保證強度也提高基體的韌性［28，29］。

3.1 準靜態力學性能

3.1.1 抗壓強度

任亮、梁明元等［30］將少量的聚乙烯醇（PVA）纖維、聚丙烯（PP）纖維分別與鋼纖維混合摻入UHPC中，結果表明UHPC試件抗壓強度得到了增強，且PVA-鋼混雜時協同增強效果更好。何杰將不同尺度的纖維加入UHPC中，選擇兩種不同尺度的纖維分別摻入UHPC中，與PVA纖維相比，彈性模量較高的聚乙烯纖維（PE）纖維更有利于UHPC的強化。最佳鋼纖維和PE纖維體積摻量為1.5%和0.5%。此外，還在UHPC中摻入納米纖維，通過填充硬化水泥漿內部的孔隙，減小有害孔的數量，明顯改善混凝土內部孔結構，使得微觀結構更加致密，進而提高了UHPC的抗壓強度。

3.1.2 抗拉強度

經研究證明直徑大于0.5mm的粗纖維和直徑小于0.022mm的超細纖維進行混雜，UHPC的拉伸性能顯著提高。這是因為這兩種類型的纖維在破壞過程的不同階段影響裂紋的擴展［31，32］。聚合物纖維與鋼纖維混雜即可以達到這樣的效果。Kang S等［33］將鋼纖維與其他種類聚合物纖維混雜摻入，發現可有效地提高抗拉強度，當兩種纖維的總體積率保持在1.5%的條件下，對UHPC的極限抗拉強度增強效果為：鋼+聚乙烯＞鋼+玄武巖＞單一鋼纖維＞鋼+聚乙烯醇。

3.1.3 抗彎強度

雖然有些聚合物纖維單獨摻入時不能改善UHPC的抗折強度，但是這些纖維和鋼纖維混合摻入時卻顯著地提高了抗折強度。如鋼纖維與PP纖維混雜的情況，這是因為PP纖維能夠改善孔結構，降低了孔隙率，彌補了鋼纖維帶來的空隙缺陷，從而改善了UHPC試件的力學性能［34］。兩種纖維在基體中可以發揮很好的協同作用，海然等［35］將1%的鋼纖維和0.25%的PVA纖維混合摻入UHPC時，抗折強度較未摻纖維提高率達到49%。Banthia N等［36］研究纖了維素纖維與鋼纖維對纖維增強混凝土抗彎強度的混雜效應，發現纖維素纖維本身不會改變基體韌性，但在鋼纖維存在的情況下，纖維素纖維的存在明顯增強了韌性。并且協同效應隨著撓度的增加而減小，這可能是由于在較大的裂縫時纖維素纖維的增韌作用開始失效。

3.2 動態抗沖擊性能

除了在基體中單摻一種纖維的增強方式外，有大量的研究都集中于混雜纖維對UHPC的抗沖擊壓縮性能會產生何種影響。主要的方式為以鋼纖維為主體，再混雜少量其他聚合物纖維。王立聞等［37］將鋼纖維與PVA纖維混雜，發現在常溫下，試件的動態抗壓強度反而低于相應摻量單一鋼纖維的試件，鋼纖維和PVA纖維的混雜呈現“負協同效應”。但是如果在高溫條件下（400、600、800℃）進行霍普金森桿沖擊試驗，PVA纖維的摻入將會在很大程度上改善RPC試件的抗沖擊壓縮性能，2%鋼纖維+0.1% PVA纖維為最佳摻量。這是因為PVA纖維的熔融不僅為受荷載的試件提供了變形的空間，還可以降低在高溫條件下造成材料內部損傷的概率。在高溫下，鋼纖維和聚乙烯醇纖維的混雜呈現“正協同效應”。

3.3 抗高溫性能

UHPC致密的基體在高溫下容易發生爆裂，在UHPC中摻入聚合物纖維可以降低爆裂的風險。賴建中［38］得到PVA與鋼纖維混合摻入的UHPC在高溫的作用下，可以提高高溫后破裂阻力及殘余抗壓強度的結論。該學者還認為，高溫作用下，PVA纖維熔化，出現很多微型通道，減小蒸汽壓力，從而改善了UHPC在高溫下的抗爆性能。Sciarretta F等與Li Y等［39，40］混雜鋼纖維與PP纖維也得到了相似結論，認為UHPC需要兩種纖維混雜才能更好地承受高溫作用。

4 存在的不足

混雜纖維在UHPC中的協同作用機制非常復雜的，混雜纖維的摻量及比例都需要合理計算，才到達到理想強韌化效果。同時，混雜纖維UHPC可能存在的不足：當聚合物纖維大量摻入取代鋼纖維時，將大幅度降低UHPC的力學性能；彈性模量小的聚合物纖維的蠕變比較高，當承載纖維增強材料中的應力很大時，在一段時間內可能會出現相當大的形變或缺陷。尤其是UHPC的斷裂韌性會明顯下降，因為斷裂韌性的提高需要更多的鋼纖維來發揮作用。此外，微細纖維的大量摻入會使漿體粘度急劇增加，大幅度降低UHPC的流動性，在成型時會導致更多空氣滯留、引入更多孔隙，從而也會降低UHPC的力學性能。

5 結語

文中總結了不同尺度、形狀、材料的纖維混雜時UHPC的力學性能，得到了以下結論：

（1）不同尺度鋼纖維合理混雜時，因為對裂紋的多尺度彌合，對于UHPC的增強作用會優于單摻一種纖維。但是長短纖維發揮作用機制不同，二者的摻量存在一個最優組合，不是所有的長短纖維混雜組合都優于單一纖維。

（2）不同形狀鋼纖維的混雜組合大部分直鋼纖維與長異型鋼纖維，因為異型鋼纖維與UHPC基體間的機械錨固作用大于直纖維。二者混雜時，既可以發揮多尺度彌合的作用，也可以通過提高異性纖維與基體間的機械錨固提高抗拉、抗彎和抗沖擊強度。

（3）不同材料纖維混雜主要是根據彈性模量不同為原理，聚合物纖維與鋼纖維混雜時，既能夠保證UHPC的韌性，又可以提高強度。此外，聚合物纖維具有較小的尺寸，可以填充基體的空隙，與鋼纖維協同作用，增強了UHPC的各方面力學性能。鋼纖維與PVA、PP纖維混雜時可以提高UHPC高溫作用下的抗爆裂性能。