纖維混雜超高性能混凝土流動性與抗壓強度研究*

杜杰貴,王雄鋒,陳 波,張曉闖

(1.昭通市宜昭高速公路投資開發有限公司,云南 昭通 657000; 2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種具有卓越性能的水泥基復合材料,其抗壓強度通常在120～200MPa,具有出色的耐久性[1-2]。UHPC的水膠比較低(0.14～0.20),膠凝材料的使用量較高,并摻有纖維,與普通混凝土相比,UHPC的黏度增加會導致工作性能降低[3]。因此,降低UHPC的黏度以提高施工性能變得必要。對UHPC的力學性能和施工性能的影響在于合理選擇減水劑類型、合理使用纖維[4]。減水劑摻量過少會導致混凝土的施工性能變差,而過多則可能引起緩凝現象,明顯降低混凝土的早期強度[5]。

目前在UHPC中應用最廣泛的纖維是鋼纖維[6],但鋼纖維(steel fiber,SF)存在成本高、易銹蝕等問題,因此,越來越多學者開始關注有機合成纖維。主要使用的纖維有聚乙烯醇纖維(polyvinyl alco,PVA)、聚丙烯纖維(polypropylene,PP)、聚乙烯纖維(polyethylene,PE)等,研究結果顯示,這些合成纖維對UHPC都有一定的增強作用。有機纖維與鋼纖維混雜在UHPC中具有較好的增強效果,但會降低混凝土的流動性。本文通過試驗研究分析有機纖維摻量和種類對UHPC拌合物性能和抗壓強度的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料與配合比

水泥采用海螺P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,28d抗壓強度為49.4MPa,比表面積為350m2/kg。硅灰采用北京某公司生產的硅粉,ω(SiO2)=93.32% (質量分數),密度為2.16g/cm3。粉煤灰采用F類I級粉煤灰,密度為2.1g/cm3。砂為某地河砂,表觀密度為2.64g/cm3,細度模數為2.9。減水劑為固體聚羧酸減水劑,外觀為淡橙色粉體,減水率為28%,含水率≤3%。纖維采用圓直鋼纖維、聚丙烯纖維和2種長度的聚乙烯醇纖維,如圖1所示。

圖1 纖維樣品Fig.1 Fiber samples

UHPC基體配合比為水泥∶硅灰∶粉煤灰∶河砂∶水∶減水劑=1∶0.23∶0.31∶1.69∶0.25∶0.01。纖維混雜模式分為鋼-PP纖維混雜、鋼-PVA纖維混雜和長短PVA纖維混雜,并結合單摻鋼纖維UHPC進行對比分析,各組UHPC編號及其對應纖維種類和摻量如表1所示。

表1 編號及其對應纖維摻量Table 1 Number and its corresponding fiber dose

1.2 試件制備

UHPC的制備過程為:①依據配合比準備好材料;將膠凝材料、砂和減水劑投入攪拌機中干拌1min;②將水緩慢倒入工作中的攪拌機并持續攪拌5～6min;③采用人工均勻投入方式將纖維在2min內撒入漿體中,接著攪拌3min;④攪拌完成后澆筑混凝土入模具中,并振動15～25s至密實狀態。試件成型完畢后,在(20±2)℃靜置1d后拆模,將拆模后的試件置于(20±2)℃、相對濕度95%以上的標準養護室內養護28d。

1.3 試驗過程

根據T/CECS 864—2021《超高性能混凝土試驗方法標準》對UHPC進行擴展度測試。將新鮮的UHPC拌合物一次性均勻填滿坍落度筒,加滿后刮去多余拌合物,沿筒口抹平,不進行插搗。清除坍落度筒周圍多余的UHPC拌合物,將坍落度筒垂直平穩提起。當試樣不再擴展時,用鋼尺測量UHPC拌合物展開面的最大直徑與最大直徑呈垂直方向的直徑,取其平均值作為擴展度試驗結果,具體如圖2所示。

圖2 擴展度試驗Fig.2 Extensibility test

試驗參照《超高性能混凝土試驗方法標準》,制備100mm×100mm×100mm的立方體試塊,進行抗壓強度試驗。當UHPC試件養護至28d時,使用伺服式液壓試驗機(最大壓力為3 000kN)進行試驗,加載方式為力控制加載,加載速度為5kN/s,每組試驗測試6塊試件,試驗儀器如圖3所示。

圖3 電伺服試驗機Fig.3 Electric servo tester

2 流動性試驗結果與分析

2.1 纖維摻量對鋼-PP/PVA纖維混雜UHPC流動性的影響

纖維對UHPC拌合物工作性能影響較大,單摻鋼纖維、鋼-PP/PVA纖維混雜UHPC擴展度的測試結果如圖4所示。

圖4 鋼纖維、纖維混雜UHPC擴展度Fig.4 UHPC expansion degree of steel fiber and fiber blend

對照組擴展度為580mm,當鋼纖維摻量為1.0%,1.2%,1.5%,1.8%和2.0%,擴展度分別降低至534,525,480,470mm和450mm;以1.0%鋼纖維與0.2%,0.5%,0.8%和1.0% PP纖維混雜時,鋼-PP纖維混雜UHPC擴展度降低至542,530,516mm和485mm;以1.0%鋼纖維與0.2%,0.5%,0.8%和1.0%PVA纖維混雜時,鋼-PVA纖維混雜UHPC擴展度降低至555,510,497mm和474mm。

隨著纖維摻量的增加,UHPC拌合物擴展度降低,工作性能變差。這是因為纖維與基體的摩擦力和內聚力以及自由水的消耗,增大了UHPC中顆粒的運動阻力[7-8];纖維在基體中隨機分布充當骨架,阻礙了UHPC拌合物的流動[9]。纖維摻量從0增大到2.0%,UHPC拌合物擴展度下降幅度最大的是鋼纖維UHPC,其次是鋼-PVA纖維混雜UHPC,最后是鋼-PP纖維混雜UHPC。這是因為短鋼纖維形狀細長,比表面積更大[10];PVA纖維為親水纖維,鋼纖維和PVA纖維與UHPC基體之間產生更高的內聚力導致UHPC拌合物擴展度的下降幅度更大[11-12]。

2.2 長短PVA纖維混雜對UHPC流動性的影響

為研究長短纖維混雜對UHPC擴展度的影響,12mm PVA纖維和6mm PVA纖維以不同比例混雜的幾組UHPC擴展度試驗結果如圖5所示。

圖5 長短PVA混雜UHPC的擴展度Fig.5 Expansion degree of long and short hybrid PVA fiber UHPC

由圖5可知,A0V20,A5V15,A10V10,A15V5,A20V0的擴展度分別為650,620,596,571和535mm。對比對照組,A0V20,A5V15和A10V10擴展度較大,UHPC的工作性能提高。長短PVA纖維混雜,隨著長纖維占比的增大,UHPC擴展度減小。這是因為長纖維與UHPC基體摩擦力和內聚力更大,長纖維與基體之間構建的骨架作用越強[13],阻礙了纖維的分散和骨料的流動,導致UHPC的工作性能變差。

3 抗壓強度試驗結果與分析

3.1 試件破壞模式

UHPC抗壓破壞模式如圖6所示。對照組在受壓破壞過程中,隨著荷載的增大,部分試塊爆裂彈出,當荷載達到最大值時,突然失效并發生爆裂,呈現出脆性破壞模式。這是由于UHPC基體的抗壓強度大,受荷載過程中試件內部存在巨大的形變能量,當破壞裂縫貫通時由于沒有受到限制,形變在一瞬間完全釋放,導致UHPC基體發生爆裂現象。

圖6 試件抗壓破壞狀態Fig.6 Specimen compressive damage state

摻入纖維是有效改變UHPC基體脆性破壞的一種方式。鋼纖維UHPC、鋼-有機纖維混雜UHPC破壞模式表現出延性破壞,在受力破壞過程中并未出現混凝土塊爆裂彈射現象。相較于鋼-有機纖維UHPC,鋼纖維UHPC受壓試件的垂直裂縫數量和裂紋寬度增加,這是由于穿過基體裂縫的纖維可以提供橋接力來限制開裂并控制開裂后的裂縫擴展,從能量角度來說纖維橋接混凝土時產生的形變和滑移吸收了外部荷載的功,提高了UHPC的抗壓強度。這在實際應用中對保持混凝土結構的整體性起到了重要作用。

3.2 不同鋼纖維體積摻量對UHPC抗壓強度的影響

采用單摻體積摻量1.0%,1.2%,1.5%,1.8%和2.0%的鋼纖維研究不同鋼纖維體積摻量對UHPC抗壓強度的影響,試驗結果如圖7所示。

圖7 鋼纖維摻量對UHPC抗壓強度的影響Fig.7 Influence of steel fiber content on UHPC compressive strength

對照組抗壓強度為109.5MPa,強度最低,當鋼纖維摻量分別為1.0%,1.2%,1.5%,1.8%和2.0%時,抗壓強度分別為113.1,120.8,123.2,126.1,132.6MPa。以對照組為基準,隨著鋼纖維體積摻量的增大,UHPC抗壓強度分別提升了3%,10%,13%,15%和21%,隨著鋼纖維摻量的增加,UHPC抗壓強度逐漸增大。UHPC纖維摻量較低時(1.0%),纖維對抗壓強度的影響不大,當纖維摻量為2.0%時,其抗壓強度提高幅度最大。未摻入纖維的UHPC基體在受壓過程中表現為壓剪破壞,試件在受壓過程中,試件端面與壓板之間由于試件橫向膨脹受到約束而在接觸面上產生摩阻力,所以試件破壞時留下一個未被破壞的棱錐體且發生爆裂。當有纖維加入試件中時,其亂向分布構成的三維纖維網格與UHPC基體共同承受外力,一方面鋼纖維能夠約束變形,產生“環箍效應”;另一方面高抗拉強度、高彈性模量的鋼纖維能夠抑制微裂紋發展[14]。從能量角度來說,在受壓過程中,鋼纖維與基體不斷發生黏結滑移,鋼纖維與基體間良好的黏結力消耗了大量能量,因此試件抗壓強度提高。

3.3 鋼-PP/PVA纖維UHPC抗壓強度

有機纖維選用PP纖維和PVA纖維進行試驗,設置了1.0%鋼纖維分別與0.2%,0.5%,0.8%,1.0%有機纖維混雜UHPC試驗組進行試驗,具體抗壓強度如圖8所示。

圖8 鋼-有機纖維混雜UHPC抗壓強度Fig.8 Compressive strength of steel-organic fiber hybrid UHPC

鋼-PP纖維混雜UHPC與鋼纖維UHPC抗壓強度增長幅度相似,隨著PP纖維摻量的增加,UHPC抗壓強度小幅提升。鋼-PP纖維混雜UHPC中,1.0%鋼纖維分別與0.2%,0.5%,0.8%,1.0% PP纖維混雜時,UHPC的抗壓強度分別為120.3,121.8,124.6,128.9MPa,相較于1.0%鋼纖維UHPC抗壓強度分別提升了6%,8%,10%,14%。隨著PP纖維摻量的增加,UHPC抗壓強度提升幅度增大,PP纖維與鋼纖維混雜有著較好的正混雜效應。

鋼-PVA纖維混雜UHPC組中,相較于1.0%鋼纖維UHPC抗壓強度113.1MPa,1.0%鋼纖維與0.2%,0.5%,0.8%和1.0%PVA纖維混雜UHPC的抗壓強度分別提高了13%,7%,6%和0%,隨著PVA纖維摻量的增加,鋼-PVA纖維混雜UHPC抗壓強度降低。一方面,PVA纖維能夠促進UHPC基體之間的橋接,形成纖維與基體的骨架共同承擔外力;另一方面,親水性PVA纖維更容易降低UHPC拌合物的流動性,導致硬化后的UHPC內部出現更多的孔隙和缺陷,對UHPC抗壓性能產生了負面影響[13,15]。當PVA纖維摻量逐漸增加,纖維對UHPC的負面影響起主導作用,導致UHPC抗壓強度增長趨勢放緩,甚至造成抗壓強度下降。

纖維摻量為1.2%～2.0%時,相較于同摻量的鋼纖維UHPC抗壓強度,鋼-PP纖維混雜UHPC抗壓強度變化幅度為-3%～0;鋼-PVA纖維混雜UHPC抗壓強度變化幅度為-15%～6%。

3.4 長短PVA纖維混雜UHPC抗壓強度

由前面研究和前人試驗總結,當UHPC混雜纖維總體積摻量為2.0%時,UHPC各項性能較好。本試驗以纖維總體積摻量為2.0%,設置了長短PVA纖維混雜UHPC分別為A0V20,A5V15,A10V10,A15V5,A20V0。對5種不同混雜比例的UHPC進行抗壓強度試驗,試驗結果如圖9所示。

圖9 長短PVA纖維混雜UHPC抗壓強度Fig.9 Compressive strength of long and short hybrid PVA fiber UHPC

上述長短PVA纖維混雜UHPC抗壓強度分別為92.9,100.2,102.5,103.1,109.5 MPa,相較于對照組抗壓強度,分別下降了15.1%,8.5%,6.4%,5.8%和0。長短PVA纖維混雜UHPC抗壓強度均低于基體抗壓強度,這是因為UHPC基體強度高,低彈性模量的PVA纖維在高荷載環境下對抗壓強度的提升作用不大;此外,2.0%體積摻量的PVA纖維容易減弱漿體的自密實能力,導致硬化后的基體內部孔隙尺寸增大和孔隙率增加[16],進而導致抗壓強度降低。長短PVA纖維混雜UHPC抗壓強度隨著長尺寸纖維占比的增大而逐漸增加,這是由于長尺寸纖維與基體的錨固長度更長,在橋接裂縫時產生的滑移黏結力比短纖維更大。

4 結語

本文研究了UHPC拌合物性能及UHPC抗壓強度,分析了鋼纖維摻量、鋼纖維與有機纖維混雜、長短PVA纖維混雜對UHPC拌合物流動性和抗壓強度的影響,主要結論如下。

1)隨著纖維摻量的增加,UHPC擴展度降低,工作性能變差。纖維與基體之間存在摩擦力和內聚力,增大了UHPC中顆粒的運動阻力;分布在基體中的纖維形成的三維亂向網絡,阻礙了UHPC拌合物的流動。

2)在1.0%鋼纖維UHPC的基礎上,摻入0.2%～1.0%的有機纖維時,UHPC抗壓強度有所提高。與1.0%鋼纖維UHPC相比,纖維摻量1.2%～2.0%的鋼-PP纖維混雜UHPC抗壓強度提升了6%～14%;纖維摻量1.2%～2.0%的鋼-PVA纖維混雜UHPC抗壓強度提升了0～13%。有機纖維摻量的增加一方面使得纖維與UHPC基體形成的三維骨架區域更大,另一方面纖維產生的環箍效應更為明顯。

3)對比同摻量鋼纖維UHPC,鋼-PP纖維混雜UHPC抗壓強度變化不大;鋼-PVA纖維混雜UHPC抗壓強度變化較明顯。相同纖維體積摻量時,相對于鋼纖維UHPC,鋼-PP纖維、鋼-PVA纖維混雜UHPC抗壓強度最大降低幅度分別約3%,15%。