鋼纖維超高性能混凝土的配合比及力學性能研究

黃高峰

（福建融輝工程質量檢測有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）在過去的幾十年里被廣泛地應用于結構工程[1]，在水膠比低于0.25的情況下可以獲得較好的力學性能。因此，超高性能混凝土表現出卓越的抗壓強度（超過120MPa）和持續的裂縫后拉伸強度（超過5MPa）[2]。且已有學者指出，由于基體和不連續纖維之間的有效結合，鋼纖維在混凝土的應力-應變關系中發揮了關鍵作用[3]。然而，目前較少有研究鋼纖維配合比對超高性能混凝土力學性能的影響。基于此，本研究旨在通過采用4種不同類型的鋼纖維進一步評估纖維體積含量、纖維類型和養護周期對超高性能混凝土力學性能的影響，并進一步研究抗壓應力-應變的關系、拉伸應力-應變曲線、抗壓強度和相應的應變。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

超高性能混凝土基體的粘合劑材料包括52.5R波特蘭水泥、硅灰、硅砂和納米CaCO3粉末。硅砂被用作細骨料，其比表面積為2.62g/cm3，細度模數為1.58。采用細度為100nm的納米氧化鈣粉末作為界面劑以提高微觀結構。同時利用實際減水率約為34%的高性能減水劑，以提高超高性能混凝土混合物的可操作性。

在本研究中，使用4種類型的黃銅涂層鋼纖維加入到混凝土基體中，如圖1所示。即3種不同長寬比（lf/df）的鉤狀鋼纖維（I型為59.09，II型為72.73，III型為64.00），以及一種長度為1mm、直徑為0.2 0mm的直纖維（IV型）。同時分別命名4種纖維類型為C-I、C-II、C-III、C-IV。纖維體積含量分別為0、1%、2%和3%。

圖1 4種鋼纖維外貌

1.2 試樣制備

本研究在室內試驗室進行超高性能混凝土的制備。在加入水和減水劑之前，將干粉（即水泥、硅粉和納米CaCO3）和硅砂預混合。將材料再混合4min以使混合物具有足夠的流動性。然后，通過篩子加入鋼纖維以確保適當的分散。并將厚度約為25mm的新拌混凝土放置在振動臺中心夯實。所有試樣在澆鑄后約24h脫模，然后在潮濕條件下養護28d。

1.3 試驗方法

使用最大承載能力為4000kN的電液伺服機進行抗壓測試。在測試之前，所有試樣都涂有石膏，以盡量減少兩端的不平坦表面。按照規范要求的建議，通過兩個圓環將兩個線性可變差動變壓器（LVDT）放置在試樣的相對兩側。施加在圓筒試樣上的加載速率設置為0.04mm/min。軸向拉伸試驗采用位移范圍較大的萬能試驗機，加載速率為0.5mm/min。

2 試驗結果與討論

2.1 纖維體積含量和纖維類型對坍落度和單位重量的影響

圖2為鋼纖維體積含量和纖維類型對超高性能混凝土混合物的坍落度和單位重量的影響。不含纖維（C-I）的混合物的坍落度為225mm，而纖維體積含量為1%、2%和3%的超高性能混凝土其坍落度分別為222mm、217mm和212mm。含有不同類型纖維的混凝土坍落度主要范圍為217～232mm。坍落度沒有隨著不同的纖維體積含量或類型而發生明顯的變化，這歸因于纖維的高長徑比和低體積含量的纖維對膠凝材料的流變行為影響不明顯[4]。且3.2/r［r為長徑比（lf/df）］的最高體積含量和最低比率分別為3%和5.2%。然而，當纖維含量增加時，單位重量也隨之增加。不含纖維的混凝土單位重量為2294kg/m3，而纖維含量為1%、2%和3%的超高性能混凝土的單位重量分別為2392kg/m3、2429kg/m3和2498kg/m3。

圖2 混凝土坍落度和單位重量變化

2.2 抗壓應力-應變的關系

圖3為不同纖維體積含量、纖維類型試樣的抗壓應力-應變曲線。每組試樣中有三個試樣被測試。應變由LVDT變形的平均值除以LDVT測量長度得到，而應力是由荷載除以試樣的橫截面積得到。

圖3 抗壓應力-應變曲線

如圖3所示，試樣均呈現出應力-應變壓縮曲線線性上升。由于大裂紋的出現，峰值應力后的負載能力以很快的速度下降。之后，隨著纖維的橋接作用和應力的重新分布，載荷下降的速度也在下降。對于不同纖維體積含量的試樣，在裂紋完全發展之前，極限抗壓強度略有增加。由于纖維橋接效應提供的能量吸收和應力再分配，在有纖維的試樣中，峰頂后階段很明顯。相反，在沒有纖維的試樣中觀察到了突然的載荷下降，這與峰值應力后迅速發展的大裂紋所釋放的能量有關。此外，更高的纖維含量會導致更高的剩余強度[5]。對于0～3%摻量的纖維，帶有鉤狀纖維的試樣往往在應力-應變曲線上表現出不明顯的差異，而帶有直纖維的試樣則表現出較低的峰值應變（與峰值應力相對應的應變），但剩余強度較高。這可能與直纖維和基體材料之間發生的較大滑動有關。

2.3 拉伸應力-應變曲線

圖4為試樣測量的拉伸應力-應變曲線。應變反映跨度為80mm的測試區域內的LVDT延伸的平均值，而應力通過載荷除以試樣狹窄部分的截面積得到。

圖4 拉伸應力-應變曲線

如圖4所示，試樣C-I及C-II、C-III的應力-應變曲線由4個階段組成，即彈性階段、應變-硬化階段、低應變-硬化階段和應變-軟化階段。對于拉伸試驗中的試樣，施加的載荷在彈性階段也是線性增加。在應變硬化和低應變硬化階段，觀察到屈服強化和微裂紋的發展。在應變硬化階段和低應變硬化階段結束時，分別發現第一個和第二個應力峰值。隨著低應變硬化階段的結束，由于纖維橋接效應的逐漸失效，應力隨著位移的增加而減少。對于不含纖維的試件，微裂紋在彈性階段后迅速發展，導致試件失效。因此，C-I的結果反映了超高性能混凝土中基體的抗拉強度。此外，初始裂紋和第一個峰值應力隨著纖維含量的增加而增加。然而，當纖維含量超過2%時，對拉伸性能的提高是不明顯的[6]。且從圖4中可以看出，帶有直纖維的試樣顯示出應變的快速增加，而下降部分的差異表明，由于鉤端纖維和基體之間有更強的粘合力，可以實現更好的拉伸性能。對于不同纖維摻量的試樣，當試樣在早期加載時，彈性階段的應變振幅增加，這與早期的材料剛度低有關。

2.4 抗壓強度和相應的應變

表1為纖維體積含量、纖維類型試樣的極限抗壓強度和相應應變的變化。鋼纖維的體積含量和類型對試樣的抗壓性能表現出非常有限的影響。峰值應力隨著鋼纖維體積含量的增加而增加。與試樣C-I相比，使用體積含量為1%、2%和3%的鋼纖維的超高性能混凝土峰值應力分別增加了1.90%、4.70%和7.32%。然而，不同纖維含量的試樣在峰值應變方面表現出不明顯的差異，這主要歸因于纖維體積含量對流動性的負面作用。此外，不同纖維類型的試樣在抗壓強度和峰值應變方面的變化都很小。經測量，不同纖維含量和類型的試樣的峰值應變約為3500με。

表1 極限抗壓強度和應變變化規律

3 結束語

本研究通過抗壓和拉伸試驗，探討不同鋼纖維類型和摻量對超高性能混凝土力學性能的影響。根據試驗結果，得出以下結論：

（1）鋼纖維體積含量的增加導致超高性能混凝土的坍落度降低。相反，單位重量隨著鋼纖維的加入而增加。然而，不同纖維類型的超高性能混凝土的工作性能沒有明顯變化。

（2）超高性能混凝土的拉伸性能主要受纖維體積含量的影響。此外，與直纖維試樣相比，鉤接纖維試樣可以獲得更好的拉伸性能。

（3）不同配合比的超高性能混凝土的抗壓應力-應變曲線在峰值強度后呈現突然的載荷下降。