沈 城 周陽陽 于英俊 戴舒寧

揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院（25127）

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，人們對于混凝土強度等級的要求不斷增加，因此科學(xué)家們不斷研究如何進一步提高混凝土的相關(guān)強度性能，促成了從高強混凝土再到超高強混凝土的發(fā)展。與普通混凝土材料相比，超高性能混凝土UHPC 在各方面性能上要遠優(yōu)于普通混凝土，特別是裝配式建筑應(yīng)用上具有很大的潛力。

2 UHPC 超高性能混凝土的性能

2.1 UHPC 超高性能混凝土的優(yōu)點

UHPC 強度極高，抗壓強度可達到160 MPa，是常規(guī)混凝土強度的3 倍以上；UHPC 韌性優(yōu)異，最大斷裂能可達4 000 J/m2，使超高性能混凝土在超載或地震作用下具有較好可靠性，結(jié)構(gòu)耐久性好；UHPC 具有的高耐磨性和良好的耐腐蝕性，為在惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)提供了良好的保護。UHPC有效地減少對于預(yù)應(yīng)力鋼筋的使用，為建筑結(jié)構(gòu)提供了更大的可能性。

2.2 UHPC 超高性能混凝土的缺點

UHPC 的造價成本較高，與傳統(tǒng)混凝土相比，生產(chǎn)的原材料通常為水泥、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維等，這導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加；超高性能混凝土的生產(chǎn)通常采用蒸汽或蒸壓硬化等生產(chǎn)工藝，限制了超高性能混凝土在實際工程中的應(yīng)用；UHPC的低流動性，這在很大程度上限制了超高性能混凝土的澆筑；UHPC 具有體積不穩(wěn)定性。

3 UHPC 超高性能混凝土的制備原理及方法

3.1 UHOC 的制備原理

UHPC 是一種高強度、高韌性、低孔隙率的高強度水泥基材料。混凝土是一種多孔、不均勻的材料，其孔結(jié)構(gòu)是影響其強度的主要因素。因此，UHPC 制備的基本原理是降低孔隙率，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，提高壓實度。

優(yōu)化細集料的分選，使細集料均勻分布在顆?？臻g內(nèi)，以提高集料的密實度，達到最密實的狀態(tài)。

通過添加硅粉、粉煤灰等超細活性礦物混合物，對微波填充、化學(xué)反應(yīng)、降低孔隙率、減小孔徑、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)有良好的效果。

在硬化過程中，蒸汽或蒸壓硬化可以加速水泥脫水過程和火山灰的加載效應(yīng)，降低材料的化學(xué)收縮，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。

添加鋼纖維，可大幅提高材料的韌性和延性。

3.2 UHPC 的制備與養(yǎng)護

UHPC 制備過程中，使用外部和內(nèi)部能量，如真空混合、凝結(jié)前和凝結(jié)過程中加壓可以降低孔隙和獲得目標力學(xué)性能。目前，UHPC 和普通混凝土一樣攪拌、澆筑和振動成型。干粉組分混合約10 min，然后加入水和減水劑，攪拌5～10 min。當(dāng)砂漿基體表現(xiàn)出恰當(dāng)?shù)牧鲃有院蠹尤肜w維（如果需要）。使用不同尺寸的混雜纖維時，應(yīng)先手工加入微纖維，然后加入長纖維[1]。

對于UHPC 養(yǎng)護，標準養(yǎng)護、常壓熱養(yǎng)護、壓蒸養(yǎng)護都常用于UHPC 生產(chǎn)。標準養(yǎng)護是最常見、環(huán)境友好的養(yǎng)護方式。20 ℃養(yǎng)護時，膠凝材料火山灰活性較弱，如果延長養(yǎng)護時間，UHPC 也能達到200 MPa。標準養(yǎng)護28 d 后的UHPC 再24 h 常壓蒸汽養(yǎng)護后，抗壓強度可提高15～30 MPa。相對于標準養(yǎng)護，所有的配比90 ℃養(yǎng)護12 d 后抗壓強度均可提高。壓蒸養(yǎng)護的UHPC 抗壓強度高于標準養(yǎng)護和90 ℃熱養(yǎng)護，摻有3%或4%纖維的UHPC 蒸養(yǎng)8 h 即能達到200 MPa。熱養(yǎng)護工藝復(fù)雜并且能源消耗大，發(fā)展室溫養(yǎng)護UHPC 生產(chǎn)將是主流并將廣泛應(yīng)用。

4 纖維因素對UHPC 超高性能混凝土的影響

4.1 鋼纖維摻量對于UHPC 性能的影響

增加鋼纖維含量可以降低UHPC 的流動性。整體降低趨勢呈現(xiàn)先緩慢后突變。鋼纖維含量在2.0%～2.5%，流動性就會顯著下降[2-3]。

增加鋼纖維含量，可以提高UHPC 的拉伸強度或拉伸強度、耐壓強度、沖擊強度等性能。但是隨著鋼纖維含量的增加，特別是鋼纖維的含量提高了2%以上后，抗壓強度的增加幾乎保持不變。

隨著鋼纖維含量的增加，UHPC 中重疊纖維的數(shù)量增加，而不是重疊纖維的比例增加，特別是2.0%的纖維含量增加到2.5%，UHPC 中不重纖維的比例顯著增加。但是鋼纖維的分散性達到一定的臨界值，就會再次聚集和團聚，從而降低纖維的有效利用率。

提高鋼纖維的纖維含量有助于改善UHPC 的干燥收縮率，如果超過纖維含量的臨界值，則干燥性能顯著改善。

4.2 鋼纖維外形及規(guī)格對于UHPC 性能的影響

同一形狀的鋼纖維，與線型鋼纖維相比，端鉤的鋼纖維對抗壓強度的影響更好。形狀不同的鋼纖維中，規(guī)格較小的微細鋼纖維（長度為 13 mm）對UHPC 增強效果比較粗的鋼纖維 （長度為25 mm）好。鋼纖維和UHPC 基體之間有機械咬合力、摩擦力和黏結(jié)力3 種連接方式。端鉤型鋼纖維的形狀變化后，鋼纖維和基體之間的機械力增加。但是對于不同規(guī)格的鋼纖維，微細纖維強化效果好的主要原因是微細纖維比表面積大，可以從微觀力學(xué)的角度避免應(yīng)力集中，有更好的傳力路徑。因此鋼纖維的摻量小時，微細纖維比粗鋼纖維有更大的效果[4]。

單一混合物的情況下，不同規(guī)格的鋼纖維對UHPC 抗壓強度影響較小，效果最好的端鉤短纖維和效果一般的長直纖維只有15 MPa。結(jié)果表明，端鉤型鋼纖維的增強效果優(yōu)于直線型鋼纖維，微細鋼纖維的抗彎和抗拉強度比粗鋼纖維高28.7%。在復(fù)摻的情況下，鋼纖維能進一步提高UHPC 的抗彎拉強度，比單摻強度提高10.4%。

4.3 鋼纖維取向角對于UHPC 性能的影響

用于水泥基復(fù)合材料的鋼纖維通常是隨機分布在水泥基材料上的短鋼纖維?？梢酝ㄟ^施加磁場來控制所有或大多數(shù)鋼纖維的方向。，在這個方向上鋼纖維的方向系數(shù)大幅增加，有效提高了水泥復(fù)合材料的韌性和斷裂性能，改善了水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能。

UHPC 拌和物中鋼纖維的取向隨著澆筑方向和速度的變化而變化，并且取向率高。沿拉伸方向澆筑的UHPC，沿軸向角度占比88%，極限拉伸強度為13 MPa，極限拉伸電壓為0.003 8 V。

UHPC 基體的流變性能、 纖維分散性能和力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。UHPC 基體的流變參數(shù)越小，纖維的軸向取向系數(shù)越高，纖維的有效利用率越高，對應(yīng)的UHPC 的力學(xué)性能越高。

4.4 不同材質(zhì)纖維混雜對于UHPC 性能的影響

聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維的摻入，有助于提高超高性能混凝土的抗折性能、 抗彎性能和韌性。聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維的摻入，有助于提高超高性能混凝土養(yǎng)護期間的抗裂性能和抗爆裂性能。

無機類纖維的摻入，在一定程度上改善超高性能混凝土的有關(guān)性能，但改善效果不顯著，需要與有機類纖維混雜摻入。

磷酸鋅添加入鋼纖維，有助于提高UHPC 的極限拉伸強度。添加了橡膠粒子的再生鋼纖維，不僅能提高UHPC 的斷裂性能，還能減少其高溫爆裂。

4.5 PVA 纖維對于UHPC 性能的影響

PVA 纖維含量的增加，導(dǎo)致立方體抗壓強度和軸心抗壓強度的降低。當(dāng)纖維含量為0.6%時，纖維混凝土立方體的抗壓強度下降20%，軸壓強下降18.1%。

PVA 纖維摻量的增加，有助于提高超高強混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度。當(dāng)纖維摻量為0.6%時，纖維混凝土抗折強度提高36.04%，劈裂抗拉強度提高22.4%。經(jīng)研究表明，考慮到超高性能混凝土各項力學(xué)性能，PVA 的最優(yōu)摻量為0.2%。

PVA 纖維的摻入，有效改善了超高強混凝土的脆性，阻止了混凝土中微裂縫的形成和發(fā)展，提高了超高強混凝土抗折強度和劈裂抗拉強度。

5 結(jié)語

UHPC 水泥基材料是一種具有超高強度和耐久性的特殊材料，在很多領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。其中，纖維是UHPC 超高性能混凝土的關(guān)鍵因素，摻量、規(guī)格及形狀、取向角、彈性模量為影響纖維因素的內(nèi)在因素，不同類型的纖維混雜會導(dǎo)致UHPC 性能因摻入纖維的性能而發(fā)生改變。與鋼纖維相比，PVA 纖維材料具有其獨特的性能。對于UHPC 而言，纖維的摻入往往都會進一步提升其力學(xué)性能。但是纖維的增加導(dǎo)致了其造價成本的提高，同時也進一步限制了其的發(fā)展。但隨著我國對環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的逐漸重視，相信在不久將來的基本建設(shè)中UHPC 仍有著廣闊的應(yīng)用前景。