低摻量鋼纖維對UHPC性能的影響

杜永超， 徐海賓， 雷余鵬， 劉松鑫

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

隨著全球氣候變暖加劇，各種天災頻發，越來越多的人開始注重保護地球環境，降低碳排放[1]。我國提出在2030年前實現碳達峰、在2060年前實現碳中和的目標。要實現這一目標，就必然要解決中國碳排放中的重要貢獻者——“中國建筑建材碳排放”。中國建筑節能協會《中國建筑能耗研究報告(2020)》[2]提到2018年建筑全壽命周期碳排放總量為49.3億t，占比為51.2 %。其中：建材生產階段碳排放27.2億t，占比28.3 %；建筑施工階段碳排放1億t，占比1%。在實現碳達峰、碳中和的路上，建筑材料是建筑行業的重中之重。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，簡稱UHPC)經過近30年的發展，取得了很多成果[3-6]。本文對超高性能混凝土制備技術和力學性能進行研究，探究低摻量鋼纖維對UHPC性能的影響，提高混凝土的力學性能和工作性能，降低混凝土的碳排放量。

1 試驗概況

1.1 原材料

P.O 52.5水泥，比表面積為384 m2/kg；硅灰，純度為97 %，比表面積為2 321 m2/kg；粉煤灰，比表面積為420 m2/kg；玻璃粉，純度為85 %，平均粒徑為2 μm，密度為2.04 g/cm3；砂子，粒徑范圍為380～550 μm；ST-01A標準型聚羧酸高性能減水劑，固含量為20%，密度為1.08 g/mL，外觀呈淡黃色；WH-A型聚羧酸減水劑，固含量為40%，外觀呈黃色；鋼纖維分為圓直型鋼纖維和端鉤型鋼纖維;玄武巖纖維呈扁平的長條狀。膠凝材料化學組成如表1所示，各種纖維的具體參數如表2所示。

表1 膠凝材料的化學組成 單位：%

表2 纖維物理力學性能指標

1.2 試驗方法

(1)制備工藝

將稱量好的膠凝材料和細河砂倒入攪拌鍋內，慢速攪拌3 min至混合均勻，繼續慢攪2 min(并在前30 s內緩慢均勻地加入全部的水和減水劑混合液),然后快攪3 min，慢攪1 min后停機。若摻入纖維，應在快攪3 min階段，緩慢加入纖維，待全部加入后，再快攪3 min，慢攪1 min后停機。加纖維的過程最好控制在5 min內。之后將攪拌好的材料倒入40 mm × 40 mm × 1 600 mm的標準試模中，振動密實。

(2)流動度測試

在倒入試模前，根據GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試其流動度。測試其流動度時，并未啟動跳桌，底板采用的是鋼化玻璃板，靜置60 s后，測量其最大流動直徑和最小流動直徑，求其平均值。

(3)養護

制備完成后在室內覆蓋塑料薄膜養護，24 h后脫模放入水浴箱中，在90 ℃下養護2 d(含2 h的升溫和2 h的降溫)，養護完畢后冷卻至常溫，待試驗。

(4)強度測試

對試件進行強度測試時，按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法(ISO法)》測試其抗壓強度Rc、抗折強度Rf。前者加載速率為2 400 N/s，Rc取到0.1 MPa，后者加載速率為50 N/s，Rf取到0.1 MPa。

2 鋼纖維種類和摻量對UHPC性能的影響

2.1 對UHPC流動度的影響

經前期優化配合比，確定水泥∶粉煤灰∶硅灰∶玻璃粉的基準配合比為1∶0.15∶0.30∶0.1，砂膠比為1.1，水膠比為0.18。在此基礎上，研究圓直型鋼纖維和端鉤型鋼纖維在低摻量下對UHPC的流動度的影響，結果如圖1所示。

圖1 低摻量鋼纖維對UHPC流動度的影響

由圖1可知：端鉤型鋼纖維在摻量為0～0.5%時，隨著摻量的增加，UHPC的流動度不斷增加，當摻量為0.5%時，流動度達到最大(245 mm)，提高了4.7%；端鉤型鋼纖維摻量超過0.5%時，隨著摻量的增加，UHPC的流動度逐漸降低，在摻量為1%時，UHPC的流動度最低(227 mm)，降低了約3%；圓直型鋼纖維在摻量為0～0.25%時，隨著摻量的增加，UHPC的流動度不斷增加，在摻量為0.25%時達到最大(241.5 mm)，提升了約3.6%；圓直型鋼纖維的摻量超過0.25%時，UHPC的流動度開始下降，在摻量為1%時，UHPC的流動度最低(217.5 mm)，降低了約6.7%。

無論是端鉤型鋼纖維還是圓直型鋼纖維，在低摻量(摻量為1%以下)時，隨著摻量的增加，對UHPC流動度的影響曲線均呈現先增加后降低的趨勢。不同之處在于，端鉤型鋼纖維達到峰值的摻量為0.5%，圓直型鋼纖維的峰值摻量為0.25%，并且在達到峰值點時，端鉤型鋼纖維對UHPC流動度的影響要高于圓直型鋼纖維對UHPC流動度影響；在下降段，圓直型鋼纖維的下降速度更快。這跟纖維的形狀和長徑比有關，一般來說，UHPC的尺寸效應要大于普通混凝土[7]。端鉤型鋼纖維的長度較大，長徑比較小，在相同體積摻量下，端鉤型鋼纖維的數量較少，在制備UHPC的過程中，鋼纖維形成纖維網絡時更有規則，有利于UHPC流動度的提升。想要在低摻量下提升UHPC的流動度，相比圓直型鋼纖維而言，可以適當多添加端鉤型鋼纖維。

2.2 對UHPC抗壓強度的影響

2種類型鋼纖維低摻量下對UHPC抗壓強度的影響，如圖2所示。在摻量低于1%時，隨著端鉤型鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強度不斷增加，在摻量為1%時UHPC的抗壓強度為157.3 MPa，提升了約23.9%，當摻量在0～0.5%時，端鉤型鋼纖維的增幅要高于摻量在0.5%～1%的增幅，即摻量在0.5%時對UHPC的抗壓強度提升相對較好。隨著圓直型鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強度也在不斷增加，當摻量高于0.75%時，有較大提升，在摻量為1%時UHPC的抗壓強度最大，為168.2 MPa，提升了約31.4%。因為摻入鋼纖維后，UHPC內部會形成鋼纖維網狀結構，很大程度上提高材料極限承受荷載，并且隨著摻量的增加這種網狀結構將會變得更為致密[8]，對UHPC抗壓強度的提升也會更高。此外，高溫養護可以加速水化反應，減少有害孔體積，改善微觀結構，進而提高UHPC的抗壓強度[9]。

圖2 低摻量下鋼纖維對UHPC抗壓強度的影響

2.3 對UHPC抗折強度的影響

2種類型鋼纖維在低摻量下對UHPC抗折強度的影響，如圖3所示。在低摻量下，2種鋼纖維對UHPC抗折強度的影響，均呈現先略微降低再逐漸升高的趨勢，都在摻量為1%時，抗折強度達到最大(端鉤型鋼纖維為35.2 MPa，提升了約30.4%；圓直型鋼纖維為33.7 MPa，提升了約27.2%)。值得注意的是，端鉤型鋼纖維對UHPC的抗折強度曲線均在圓直型鋼纖維對UHPC的抗折強度曲線上方，說明前者對UHPC的抗折強度貢獻要高于后者。因為在相同體積摻量下，端鉤型鋼纖維由于兩端均有彎鉤，能夠很好地形成更為致密的網狀結構[10]，在抗折試驗時，試件往往發生的是纖維拔出破壞，這種相互勾連的網狀結構相比圓直型鋼纖維的纖維網狀結構更不利于拔出。

圖3 低摻量下鋼纖維對UHPC抗折強度的影響

3 結 語

(1)低摻量鋼纖維能夠有效提高UHPC的流動度，并且端鉤型鋼纖維要優于圓直型鋼纖維，在摻量為0.5%時效果最好，能達到245 mm，提高了4.7%。

(2)低摻量鋼纖維能夠有效提升UHPC的抗壓強度，綜合考慮，推薦端鉤型鋼纖維摻量為0.5%，圓直型鋼纖維為0.75%，此時UHPC性能的提升相對較優，前者的抗壓強度可以達到150.1 MPa，后者為142.5 MPa。

(3)低摻量鋼纖維能夠有效提升UHPC的抗折強度，端鉤型鋼纖維對UHPC抗折強度的提升整體均高于圓直型鋼纖維。