王 歡

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海市200031）

0 引言

摻有一定比例鋼纖維或有機纖維的超高性能混凝土（UHPC）是近年來混凝土發(fā)展的重要方向之一，是一種新型纖維增強水泥基復(fù)合材料。纖維是提高UHPC性能的關(guān)鍵材料，能使其具有超高強、高韌、高耐久性能，已經(jīng)在公路工程、橋梁工程等多項領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著UHPC研究的發(fā)展，鋼纖維的形狀種類也逐漸增多，其對混凝土力學(xué)性能的影響已成為研究的主要方向。梁興文等[4]研究了長、短鋼纖維對UHPC受彎力學(xué)性能的影響，得出長、短鋼纖維在一定搭配比例下的UHPC比單一型UHPC的抗折強度高。陳從春等[5]研究了鋼纖維摻量對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，得出了鋼纖維在一定摻量下對混凝土力學(xué)性能有很大提高作用的結(jié)論。

近年來，也有諸多學(xué)者通過對鋼纖維進(jìn)行改性來提高混凝土力學(xué)性能。張麗輝等[6]研究了鋼纖維在磷酸鋅改性下對UHPC力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明改性鋼纖維能使UHPC的單軸拉伸性能有很大的提高。也有學(xué)者通過探尋鋼纖維和骨料粒徑的關(guān)系，來提高混凝土的力學(xué)性能[7]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于鋼纖維對混凝土力學(xué)性能的影響已有不少研究成果，但關(guān)于鋼纖維形狀對混凝土力學(xué)性能影響方面的研究相對較少。為了進(jìn)一步分析鋼纖維形狀對混凝土力學(xué)性能的影響，本文選用平直形、扭曲形和彎鉤形3種形狀的鋼纖維進(jìn)行混凝土抗壓、抗折強度的試驗研究，以期為超高性能混凝土的力學(xué)性能研究發(fā)展提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 UHPC原材料

UHPC由水泥、硅灰、水、細(xì)集料和鋼纖維等組成。水泥選用P·O 52.5級水泥，比表面積為373 m2/kg。硅灰中SiO2含量93%，比表面積28 000 m2/kg。細(xì)集料選用潔凈的河砂，最大粒徑為1.25 mm。減水劑采用高性能聚羧酸減水劑，減水率大于30%。鋼纖維選用鍍銅鋼纖維，等效直徑0.2 mm，長度13 mm，形狀分別是平直形、扭曲形、彎鉤形3種。鋼纖維外形見圖1。試驗所用的超高性能混凝土配合比見表1。

試驗采用60 L標(biāo)準(zhǔn)臥軸式攪拌機。在最初的試驗過程中，采用一次性投料的方式進(jìn)行混凝土的攪拌，發(fā)現(xiàn)鋼纖維在試驗拌和過程中容易結(jié)團，影響混凝土的均勻性和力學(xué)性能，所以改變投料方式，先將除鋼纖維之外的所有材料加入攪拌機中，等到漿體出現(xiàn)后，采用9 mm的篩網(wǎng)將鋼纖維分散投入攪拌機中進(jìn)行攪拌，攪拌時間5 min以上，出料。

1.2 試件成型

混凝土直接澆筑成型。在澆筑過程中，澆筑的方式和速度應(yīng)保持一致，以消除鋼纖維排布因素的影響。用每種形狀的鋼纖維各成型10組UHPC試件。成型好的試件在室溫下放置24 h后脫模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室，養(yǎng)護28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測試。抗壓強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm,抗折強度試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

圖1 3種鋼纖維外形

表1 超高性能混凝土配合比

1.3 力學(xué)性能試驗

按照 T/CBMF37—2018/TCCPA7—2018[8]的要求，選用YAW4306型微機控制電液伺服壓力試驗機測試UHPC試件的抗壓強度，試驗加載速度0.8 MPa/s?？箟涸囼灆C及試件外形見圖2。

圖2 抗壓試驗機及試件外形

按照GB/T50081—2002[9]的要求，采用YAM-200型微機控制電子萬能試驗機進(jìn)行UHPC試件的抗折強度試驗，試驗加載速率0.1 MPa/s?？拐墼囼灆C及試件外形見圖3。

2 試驗結(jié)果與分析

3種形狀鋼纖維對應(yīng)的UHPC試件抗壓、抗折強度數(shù)據(jù)見表2。

圖3 抗折試驗機及試件外形

表2 3種形狀鋼纖維對應(yīng)的UHPC試件抗壓、抗折強度

2.1 鋼纖維形狀對超高性能混凝土抗壓強度的影響

在抗壓試驗過程中，從外觀看試件的破壞形狀呈現(xiàn)一致，側(cè)面都有崩壞性的裂紋，但都沒有完全斷裂散開，而是由鋼纖維相互連接在一起，試件都比較完整。由表2可以看出：3種鋼纖維都可使試件抗壓強度達(dá)到150 MPa左右，其中摻平直形鋼纖維試件的表現(xiàn)最好，有80%的試件可以達(dá)到150MPa，并且有40%的試件可以突破160MPa；摻扭曲形鋼纖維試件的抗壓強度有60%可以達(dá)到150 MPa，20%可以突破160 MPa；摻彎鉤形鋼纖維試件只有40%可以達(dá)到150 MPa，10%達(dá)到160 MPa以上，其中還有10%跌到了130 MPa?？梢耘袛喑鰪濄^形鋼纖維對混凝土抗壓強度的影響不是很穩(wěn)定，數(shù)據(jù)偏差較大。王強的研究[10]表明，不同的澆筑方向會對混凝土的抗拉強度產(chǎn)生較大的影響，而且存在明顯的線性關(guān)系。那么造成混凝土抗壓強度不穩(wěn)定的因素有可能是鋼纖維的外形對混凝土攪拌和澆筑成型過程產(chǎn)生了一定的影響，具體原因需要進(jìn)一步的研究。但整體而言，摻3種鋼纖維試件的抗壓強度基本上都可以達(dá)到150 MPa，說明鋼纖維的外形對于混凝土抗壓強度有一定的影響，但從施工需求方面來說影響不是很明顯。

2.2 鋼纖維形狀對超高性能混凝土抗折強度的影響

由表2可以看出，鋼纖維的形狀對混凝土抗折強度有較大的影響，其中以摻平直形鋼纖維試件的表現(xiàn)最差，摻扭曲形鋼纖維試件次之，而彎鉤形鋼纖維對試件抗折強度有顯著的提升效果，呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢（見圖4）。摻扭曲形和彎鉤形鋼纖維試件的抗折強度較平長直形鋼纖維試件分別高出11%和23%。這主要是因為在整個抗折試驗的過程中，混凝土基體未開裂前，鋼纖維與混凝土共同處于彎拉階段，此時主要由鋼纖維和混凝土共同提供抗折強度，材料的變形都比較??；在UHPC準(zhǔn)備開裂的臨界點，起主要作用的是鋼纖維與混凝土間的粘結(jié)力以及鋼纖維的外形在混凝土中所形成的機械阻力；隨著UHPC的不斷開裂，在這個過程中鋼纖維被不斷拔出，在拔出時，因鋼纖維的外形在混凝土基體中形成了一種機械抗力，提供了一定的抗折強度，從而起到了一定的阻斷作用，減緩了混凝土的斷裂。而粘結(jié)力的形成主要取決于鋼纖維摻量，在同樣摻量下，彎鉤形和扭曲形這種異形鋼纖維在混凝土中額外地提供了一定的機械抗力，在整個試驗過程中提升了UHPC的抗折強度。

3 結(jié)語

（1）3種形狀鋼纖維對超高性能混凝土的抗壓強度都有一定影響，但其影響主要表現(xiàn)在強度的不穩(wěn)定性上。其中摻彎鉤形鋼纖維試件的抗壓強度偏差最大，其強度保證率較低，而摻平直形鋼纖維試件的抗壓強度最為穩(wěn)定。引起差異的原因可能是鋼纖維的形狀不同，使混凝土在攪拌和澆筑過程中發(fā)生了某種變化，故需要開展更加細(xì)致的研究。

圖4 鋼纖維形狀對試件抗折強度影響趨勢圖

（2）在混凝土抗折強度方面，3種形狀鋼纖維都有較大的影響。在保證相同的摻量下，彎鉤形鋼纖維在提高混凝土抗折強度上的表現(xiàn)最優(yōu)，較摻平直形鋼纖維試件提升了23%，較摻扭曲形鋼纖維試件提升了10%。在施工方面可以根據(jù)實際需求選擇合適的鋼纖維形狀。