鋼-聚甲醛混雜纖維超高性能混凝土力學性能試驗

程旭日

[元翔(福州)國際航空港有限公司,福建 福州 350200]

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種新型的混凝土材料,具有高強度、高韌性和長久耐用的特點[1]。在實際工程中,為了進一步提升UHPC的性能,廣泛采用纖維摻入技術來增加強度和韌性?；祀s纖維超高性能混凝土的力學性能不僅與材料組成相關[2],還受纖維尺寸等因素影響[3]。開展混雜纖維超高性能混凝土的力學性能研究,揭示不同摻量與長徑比下的力學性能響應規律,對UHPC工程結構設計具有重要的應用意義。

近年來,國內外學者對混雜纖維超高性能混凝土的力學性能等進行了一系列試驗研究和數值模擬。在混雜纖維種類方面,通過研究,Karim等[4]發現,將鋼纖維與尼龍、聚乙烯醇和碳纖維等混入時,構件在撓度較大的情況下具有保持強度的能力。另外,Kang等[5]的研究表明,在混凝土中摻入1.0%鋼纖維和0.5%聚乙烯纖維時,能夠最有效地提高軸拉強度和軸拉變形性能。同月蘋等[6]、朱德舉等[7]研究表明,適量混入高彈性和低彈性纖維可以顯著提高力學性能,但摻入纖維含量過高的UHPC的力學性能可能會略微下降。楊益倫等[8]發現,鋼纖維的摻入可改善UHPC強度高而脆性強的特性,提高UHPC抗斷裂性能。

在混雜纖維形狀方面,根據Ji等[9]的研究結果,異形鋼纖維與基體的黏結強度優于平直鋼纖維,其中端鉤型鋼纖維的黏結強度較平直鋼纖維提高了121%,表現最佳。Wu等[10]發現,在相同摻量下,端鉤型鋼纖維相比直型鋼纖維和波紋型鋼纖維,能夠更有效地提高抗壓強度、抗彎強度以及與基體的黏結強度。此外,Park等[11]發現,混合平直型、扭轉型和端鉤型鋼纖維具有更高拉伸應力。林毅焌[12]發現,直鋼纖維與弓形纖維混雜,可能會導致纖維分布得不均,其斷裂能甚至小于單獨摻加纖維的情形。不同形狀、不同摻量鋼纖維混入對UHPC性能的影響較為復雜,需要進行進一步探討。蘇家戰等[13]發現,在鋼纖維總摻量不變的情況下,混雜短圓直和長圓直鋼纖維對UHPC材料的抗拉強度、初裂強度和彈性模量,均能達到正混雜效應;混雜不同長徑比的弓形鋼纖維,僅提高抗拉強度和彈模,對初裂強度沒有明顯的影響。

混雜纖維雖然已被廣泛應用于混凝土中,纖維尺寸也是影響UHPC性能的重要影響因素,但目前研究少有關于混雜纖維長徑比與混雜纖維具體尺寸對混凝土性能影響的探討。為此,本文以混雜纖維摻量和長徑比為主要變化參數,實施了實施17組不同配合比的立方體試件流動度試驗與抗壓試驗,各組配合比分別在3、7、28 d的養護齡期制作6個有效試件,分析其流動度、抗壓強度等性能指標,以期揭示纖維摻量與纖維尺寸對超高性能混凝土力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料及基準配合比

水泥為P.O型52.5級硅酸鹽水泥;硅灰采用Ⅱ級硅灰,SiO2質量分數≥96%;粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰;石灰石粉,主要成分是重質碳酸鈣;細集料采用粒徑0.4～0.6 mm的石英砂;減水劑采用聚羧酸型高效減水劑。2種纖維分別為鍍銅鋼纖維和聚甲醛纖維,纖維參數見表1所示,纖維尺寸如圖1所示。

(a) 0.2 mm直徑鋼纖維 (b) 0.2 mm直徑聚甲醛纖維 (c) 0.1 mm直徑聚甲醛纖維

表1 纖維參數

本文各試驗組的基體配合比相同,如表2所示,根據試驗可得,其28 d抗壓強度為104.0 MPa,28 d抗折強度為10.1 MPa。

表2 UHPC基體配合比

1.2 試件制備及加載

試件制備步驟如下:首先將所用的膠凝材料與細集料一并放入攪拌機攪拌2 min后,再將水和減水劑均勻混合后加入,攪拌5 min后,再加入纖維并繼續攪拌2 min,將攪拌完成的UHPC倒入已鋪好密封膜的早期自收縮模具中,置于恒溫恒濕室,待達到初凝時間后測試其早期自收縮。對于力學性能和干燥收縮試件,則將UHPC拌合物分層倒入模具后振搗,再覆膜養護24 h后拆模,置于恒溫恒濕室養護。

測定拌合物的流動性,跳桌試驗示意圖見圖2所示。力學性能試驗按照文獻[14-15]所述的方法進行試驗加載,使用2 000 kN電液伺服系統萬能試驗機進行抗壓試驗,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。按照上述成型方法澆筑試件,然后在澆筑后的24 h內進行拆模。將試件進行不同齡期的標準養護,包括3、7、28 d 3個齡期。每個齡期期間,制作6個有效試件。試驗采用1.0 kN·s-1的速度荷載控制加載。

圖2 流動性試驗圖

1.3 試驗方案設計

各試驗組的鋼纖維與聚甲醛纖維摻量及長徑比如表3所示。其中:U0為沒有摻入纖維的原始組;A組的鋼纖維和聚甲醛纖維摻量不同,長徑比相同;B組試驗摻入相同摻量和相同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維;C組試驗比較了鋼纖維與聚甲醛纖維在固定摻量的情況,長徑比均一致,但尺寸不同;D組和E組將不同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維進行混雜。表3中:VS為鋼纖維體積摻量;VP為聚甲醛纖維體積摻量;lS為鋼纖維長度;dS為鋼纖維直徑;lP為聚甲醛纖維長度;dP為聚甲醛纖維直徑;λS為鋼纖維長徑比,λS=lS/dS;λP為聚甲醛纖維長徑比,λP=lP/dP。

表3 各試驗組混雜纖維主要參數

2 試驗結果與分析

2.1 流動性試驗

2.1.1 不同摻量下UHPC流動度的變化規律

為了研究UHPC流動度在不同摻量下的變化規律,通過逐漸減少鋼纖維摻量并逐漸增加聚甲醛纖維摻量的方式進行了5組試驗。A1組:VS=2.0%,VP=0;A5組:VS=0,VP=2.0%;另外4組將不同摻量比例的鋼纖維和聚甲醛纖維混合摻入UHPC中(表3)。

如圖3所示,UHPC的基準組U0的流動度達到最大285 mm。添加2.0%的鋼纖維后,流動性下降18%。在UHPC的澆筑過程中,纖維會沿著基體流動方向垂直分布,給基體流動造成阻力,從而降低UHPC的流動性。此外,添加纖維后會以無序的方式分散在UHPC的基體中,形成一種骨架結構,改變了顆粒骨架的組織,進一步削弱了UHPC的流動性。

組別

混雜纖維的總體積摻雜量保持在2.0%時,隨著鋼纖維含量的增加,UHPC的流動性呈下降趨勢。當聚甲醛纖維的體積摻雜量為1.5%,鋼纖維的體積摻雜量為0.5%時,UHPC的流動性降低了9.0%。產生這種變化的原因可能是由于聚甲醛纖維的密度比鋼纖維小,更容易被分散到UHPC中,而鋼纖維在UHPC基體中產生骨架作用,不易分散。此外,基體內部的水分容易吸附在鋼纖維表面,進一步阻礙了基體的流動性。因此,在混雜纖維中增加聚甲醛纖維摻量更利于UHPC的流動性。

2.1.2 不同纖維長徑比下UHPC流動度的變化規律

根據圖4的結果顯示,鋼-聚甲醛混雜纖維的長徑比對UHPC混凝土的流動性有一定的影響。無論鋼-聚甲醛混合纖維的直徑是否相同,UHPC的流動性都會隨著長徑比的增加而逐漸降低。

組別

2.2 抗壓強度試驗

2.2.1 不同摻量下UHPC抗壓強度的變化規律

為了研究UHPC抗壓強度在不同摻量下的變化規律,不同摻量下UHPC抗壓強度的變化情況如圖5所示。根據圖示結果可以看出,隨著養護時間的增加,所有5組UHPC試件的抗壓強度呈現增長的趨勢。纖維的添加使混凝土內形成了亂向分布的纖維網格骨架,有效抑制了UHPC基體中裂紋的形成和擴展,改善了其脆性狀態,從而增強了UHPC的強度。

組別

各實驗組中,2%鋼纖維摻入的UHPC具有最高的抗壓強度。在3、7、28 d時,與基準組U0相比,其抗壓強度分別提高了53.0%、38.0%和32.0%。2.0%聚甲醛纖維摻入的UHPC抗壓強度的增長最低,3、7、28 d的強度分別增長了15.0%、3.1%和2.9%。在纖維總摻量相同的情況下,隨著鋼纖維的減少,抗壓強度也會下降[16-17]。鋼纖維在混凝土內具有增強加固作用,從而提高了立方體試件的抗壓強度[18]。同時,聚甲醛纖維增加引入更多內部的缺陷,反而降低環箍作用[19]。

2.2.2 不同纖維長徑比UHPC抗壓強度的變化規律

B組試驗中的纖維直徑都為0.2 mm,如圖6所示,鋼纖維與聚甲醛纖維混合后,試件的抗壓強度、纖維的長徑比和齡期有一定的關系。在試驗組B1～B3中,鋼-聚甲醛混合纖維直徑均為0.2 mm,長徑比分別為60、80和120?？梢钥闯?隨著養護齡期的增加,試件UHPC試件的3、7、28 d的抗壓強度呈上升趨勢,并且都有不同程度的提高。當鋼-聚甲醛雜化纖維的長徑比為60時,試件抗壓強度分別提高了34.0%、36.0%和24.0%。而當長徑比為80時,試件的抗壓強度分別提高了56.0%、45.0%和28.0%。當鋼-聚甲醛混合纖維的長徑比為120時,試件的抗壓強度分別提高了55.0%、47.0%和32.0%。然而,隨著齡期的增加,抗壓強度的增幅逐漸減小。這是因為在試驗過程中,纖維和基體共同承擔荷載,而砂漿的強度和彈性模量會隨著齡期和水化程度的加深而逐漸增加,因此纖維對整體抗壓強度的影響會逐漸減弱[20-21]。

組別

在C1～C3試驗組中,改變了纖維直徑,其中鋼纖維直徑為0.2 mm,聚甲醛纖維直徑為0.1 mm。如圖7所示,鋼-聚甲醛混合纖維的長徑比與UHPC試件的抗壓強度呈正相關。鋼-聚甲醛混合纖維的長徑比分別為60、80和120,混合纖維的引入不會對基體的水化過程產生影響。根據UHPC的水化特性,抗壓強度隨時間的增加而增加,早期發展迅速,后期強度較高。具體而言,當長徑比為60時,UHPC的28 d抗壓強度最低,比基準組提高了23.0%。而當長徑比為120時,UHPC的28 d抗壓強度最高,比長徑比為60時提高了11.0%。

組別

根據圖8中的結果,在長徑比相同的情況下,聚甲醛纖維的直徑對含有鋼-聚甲醛共混纖維的超高性能混凝土試樣的抗壓強度影響很小?？紤]長徑比為60、80和120的鋼-聚甲醛混合纖維UHPC試樣,其抗壓強度隨著纖維長徑比的增加而增加,纖維長度的增加增強了纖維對超高強度混凝土的橫向約束,從而提高了其抗壓強度。

組別

可知,聚甲醛纖維直徑的變化對UHPC試樣的抗壓強度影響不大,鋼纖維對基體有明顯的增強作用,而聚甲醛纖維的增強作用并不明顯。當相同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維混合時,只需考慮纖維的長徑比對抗壓強度的影響,可以不考慮纖維直徑和長度的影響。

3 抗壓試驗分析

3.1 破壞模式分析

圖9為抗壓試驗中的破壞模式比較,可以看出在抗壓試驗過程中,未摻纖維的基準組U0的破壞模式與摻入纖維的超高性能混凝土試件有明顯的差異。從圖9(a)看出,基準組U0沒有摻入纖維,宏觀裂縫和貫通裂縫同時發生,表現出明顯的脆性破壞模式,出現剪切式剝落碎塊,破壞前出現起皮和板狀鼓起的跡象。從圖9(b)中可以看出,纖維的加入可以限制基體的破壞并提高其完整性,使得摻入纖維的UHPC試件的破壞模式變得更具有延性和韌性。纖維的加入抑制了微裂縫的形成,纖維的橫向約束效果也更加明顯,類似于箍筋的約束作用,核心混凝土的極限抗壓強度提高,試件的破壞主要是試件表面周圍混凝土的剝落[22]。在試件破壞后形成一些碎塊,但這些碎塊比未摻纖維基準組的要小得多。

(a) 基準組U0試件破壞形態(未摻纖維)

3.2 最佳配合比指標分析

如前所述,在相同長徑比的情況下,纖維的直徑和長度對試件的抗壓強度影響不大。定義一個指標,即鋼纖維與聚甲醛纖維長徑比的差值,用來衡量兩者之間的差距。

3.2.1λS<λP時不同長徑比

進行不同的長徑比的試驗,聚甲醛纖維和鋼纖維的長徑比差值λ0分別為20、40和60,鋼纖維的長徑比小于聚甲醛纖維。鋼-聚甲醛纖維混雜與抗壓強度的關系如圖10所示,在28 d的齡期下,λ0分別為20、40和60時,抗壓強度分別提升了25.0%、32.0%和26.0%。λ0為40時,UHPC試件的抗壓強度最大。

λ0

可以分析,在混雜不同長徑比的纖維時,短纖維在初始階段能夠抑制微裂縫的發生和擴展。當微裂縫發展成宏觀裂縫后,較長的纖維起到橋接和延伸的作用。這2種纖維的協同和互補作用顯著增強了UHPC材料的抗壓性能。然而,當混雜的2種纖維的長徑比差值過大時,短纖維容易被拔出或拉斷,而長纖維則無法及時橋接宏觀裂縫,導致纖維的阻裂效果減弱。同時,當長徑比差值過大時,纖維受到的“邊界效應”更加明顯,從而導致UHPC材料的抗壓強度降低。另一方面,當2種纖維的長徑比差值過小時,纖維容易形成團塊,分布不均勻,形成纖維與基體間的低黏結強度界面,進而降低UHPC的抗壓強度。

3.2.2 λS>λP時不同長徑比

UHPC的抗壓強度隨著長徑比的增加呈現先升高后降低的趨勢?；祀s纖維的長徑比差值對UHPC的抗壓強度影響很大。當混雜纖維的長徑比差值過小時,纖維容易相互搭接,形成纖維團聚,導致混凝土內部產生更多的缺陷與孔隙。而當混雜纖維的長徑比差值過大時,容易出現“邊界效應”,纖維更容易旋轉,使纖維的方向與受力方向垂直,從而減弱了纖維的阻裂作用,降低了UHPC材料的抗壓強度。

試驗結果表明,在不同長徑比的鋼纖維與聚甲醛纖維混雜時,存在一個最佳的長徑比差值40,可以獲得最佳的抗壓強度。這也表明,在實現混雜纖維效益最大化的過程中,找到合適的長徑比差值是關鍵。只有在這個最佳長徑比差值下,才能實現混雜纖維所能發揮的最佳效果,并獲得最好的抗壓性能。

4 結論

通過對不同配合比的立方體試件流動度試驗與抗壓試驗研究與分析,探討了不同鋼纖維和聚甲醛纖維混雜摻量與長徑比對試件的流動度、抗壓強度等性能指標的影響,并總結規律。同時,通過試驗現象分析鋼-聚甲醛混雜纖維超高性能混凝土破壞模式,選取2種纖維長徑比差值作為判斷最佳配合比的指標,得到試驗組最佳配合比。得到以下結論:

1) 摻量對鋼-聚甲醛混雜纖維UHPC的性能有顯著影響。未摻纖維的基準組流動性能最好,混雜纖維的性能優于單一纖維的摻入。聚甲醛纖維摻量對UHPC的流動性能的提升有促進作用,當摻入1.5%聚甲醛纖維和0.5%鋼纖維時,UHPC的流動性受到的影響最小。鋼纖維摻量對UHPC的抗壓強度增加有積極作用,單獨摻入2.0%鋼纖維時的抗壓強度最高,比基準組增加了32.0%,摻入聚甲醛纖維能改善UHPC的工作性能。

2) 混雜纖維的長徑比增大會降低UHPC的流動性,而直徑較小的聚甲醛纖維試驗組展示了更好的流動性。對于鋼纖維與聚甲醛纖維長徑比為24 mm的混雜組合,相比基準組,流動性降低了30.0%。在力學性能方面,UHPC的抗壓強度隨混雜纖維長徑比的增加而增加,達到最佳效果時的長徑比為120。此時,聚甲醛纖維的直徑對鋼-聚甲醛混雜纖維UHPC的抗壓強度影響較小。

3) 未摻纖維的試件破壞模式呈現脆性破壞,即宏觀裂縫和貫通裂縫同時存在?；祀s纖維摻入后的超高性能混凝土試件的破壞模式變得更具延展性和韌性。纖維明顯起到橫向約束作用,抑制了微裂紋的形成,從而提高了試件的極限抗壓強度。

4) 對于鋼-聚甲醛混雜纖維UHPC材料,為獲得較好的延性和抗壓能力,可以對混雜纖維的長徑比進行優化。選擇2種纖維長徑比的差值作為指標,對比了不同的長徑比組合,鋼纖維與聚甲醛纖維的長徑比差值增加后,工作性能呈現先增加后減小的趨勢。在鋼纖維和聚甲醛纖維摻量分別是2.0%以及1.0%時,當長徑比差值為40時,流動性相比基準組減弱了25.0%,抗壓強度最好,相比基準組U0提升了36.0%。