王圣怡 占羿箭 朱 然

1.上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；

2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 201114

1 有機(jī)合成纖維超高性能混凝土簡(jiǎn)介

隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)不斷向高層結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位對(duì)混凝土材料的性能提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的高性能混凝土抗拉性能較差，不再適應(yīng)裝配式建筑連接節(jié)點(diǎn)、大跨橋梁接縫等對(duì)混凝土性能有較高要求的場(chǎng)合。

超高性能混凝土具有超高抗壓強(qiáng)度、超高韌性的特點(diǎn)，因此自誕生以來(lái)，便受到建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注，期待其能取代高性能混凝土，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，超高性能混凝土已逐步應(yīng)用于多種工程場(chǎng)合，如高鐵線電纜槽蓋板、大跨度橋梁等[1]。世界各國(guó)不斷出版對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[2]，以推動(dòng)超高性能混凝土的工程應(yīng)用。

但目前超高性能混凝土在工程上的普及程度遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的高性能混凝土，主要原因在于：

1）常用的鍍銅微絲鋼纖維的價(jià)格普遍比較高（10 000～12 000 元/t），且單位用量通常在200～300 kg/m3，高昂成本阻礙了其在工程上的廣泛使用。

2）超高性能混凝土膠凝材料摻量高、失水快，因此出攪拌機(jī)后通常在15～30 min內(nèi)便會(huì)完全失去流動(dòng)性，提高了施工難度。

為解決超高性能混凝土成本高昂的問(wèn)題，方法之一是在超高性能混凝土中摻入各類(lèi)輕質(zhì)的有機(jī)合成纖維。有機(jī)合成纖維密度低，同等摻入體積率條件下質(zhì)量?jī)H為鋼纖維的1/7左右。摻入有機(jī)合成纖維是解決超高性能混凝土高成本問(wèn)題的有效途徑。

現(xiàn)有建筑工藝中雖已應(yīng)用到碳纖維、凱夫拉纖維等多種高強(qiáng)度有機(jī)合成纖維，但通常是將纖維布整片應(yīng)用于結(jié)構(gòu)或地基的加固、修復(fù)場(chǎng)合，直接將高強(qiáng)度有機(jī)合成纖維摻入混凝土中的工藝并不成熟[3]。

與鋼纖維不同，成品的聚合物纖維直徑都在微米級(jí)，加工時(shí)通常會(huì)在短切斷口處出現(xiàn)明顯的纖維并聯(lián)現(xiàn)象。另外，聚合物纖維的受力變形能力強(qiáng)、密度低（通常為800～1 200 kg/m3），這些因素導(dǎo)致聚合物纖維在攪拌時(shí)容易在剪切力較小區(qū)域聚集，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。實(shí)際制備過(guò)程中很難制得纖維完全均布的混凝土。

因此，不同有機(jī)纖維對(duì)超高性能混凝土的作用效果還有待進(jìn)一步探明。

本文從纖維材質(zhì)、長(zhǎng)度等角度出發(fā)，研究了普通制備條件下不同強(qiáng)度級(jí)別有機(jī)合成纖維和鋼纖維對(duì)超高性能混凝土流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響，同時(shí)進(jìn)行了不同種類(lèi)纖維超高性能混凝土的彎曲韌性和初裂強(qiáng)度試驗(yàn)。這些研究，將為有機(jī)合成纖維順利應(yīng)用于超高性能混凝土提供必要的研究基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)所用水泥為山東雙鳳水泥廠生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5水泥；所用硅灰為上海天愷建材科技公司生產(chǎn)的增密硅灰；所用高效減水劑為上海建工材料工程有限公司生產(chǎn)的SQⅡC803聚羧酸系高效減水劑（緩凝型），含固量為22.57%，混凝土減水率≥25%；高強(qiáng)PVA纖維和聚丙烯纖維由常州天怡工程纖維有限公司提供，超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE纖維）由東莞索維特特殊線帶有限公司提供，其基本性能見(jiàn)表1；微絲鋼纖維由上海真強(qiáng)纖維有限公司提供，其基本性能見(jiàn)表2。

表1 聚合物纖維性能一覽

表2 鍍銅微絲鋼纖維性能一覽

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)研究了不同長(zhǎng)度、不同材質(zhì)（超高分子聚丙烯〔PE〕、聚乙烯醇〔PVA〕、超高分子聚乙烯〔PP〕、微絲鋼〔ST〕）纖維對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)配合比如表3所示。試驗(yàn)采用的直線形微絲鋼纖維長(zhǎng)度分別為6、13 mm，采用的端鉤形微絲鋼纖維長(zhǎng)度為13 mm。

受水分傳輸和水化反應(yīng)進(jìn)程影響，100 mm×100 mm× 400 mm抗折試件表面硬化較慢，故進(jìn)行了3 d齡期的混凝土彎曲韌性與初裂強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)鋼纖維混凝土和超高分子量聚乙烯纖維混凝土的性能進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表4。

表3 不同種類(lèi)、不同材質(zhì)纖維試驗(yàn)配合比

表4 彎曲韌性試驗(yàn)配合比

3.2 超高性能混凝土制備

1）根據(jù)試驗(yàn)配合比，稱(chēng)取各原材料，將水泥、硅灰、標(biāo)準(zhǔn)砂倒入砂漿攪拌器中，干拌3～5 min，直至拌勻。

2）攪拌過(guò)程中緩慢加入拌和水與減水劑，攪拌3～5 min，直至拌和物出現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)為止。

3）繼續(xù)開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，過(guò)程中分批次投入纖維，將拌和物攪拌至均勻。

4）將拌和物澆筑成形，并采用水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)，移入養(yǎng)護(hù)箱（20±2） ℃養(yǎng)護(hù)。

3.3 超高性能混凝土測(cè)試方法

1）膠砂流動(dòng)度：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行。

2）抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。試樣先進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，折斷后每截再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3）混凝土彎曲韌性與初裂強(qiáng)度試驗(yàn)：參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。使用的測(cè)試設(shè)備為上海三思公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 混凝土彎曲韌性與初裂強(qiáng)度試驗(yàn)裝置

4 結(jié)果與討論

4.1 有機(jī)合成纖維材質(zhì)與形態(tài)對(duì)超高性能混凝土性能的影響

超高性能混凝土流動(dòng)性能與力學(xué)性能隨纖維種類(lèi)、長(zhǎng)度變化的規(guī)律如表5所示。

表5 摻入不同纖維的超高性能混凝土流動(dòng)性、抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度

不同種類(lèi)纖維對(duì)超高性能混凝土流動(dòng)性的影響如圖2 所示。

圖2 纖維種類(lèi)對(duì)超高性能混凝土的影響規(guī)律

從圖2可以看出，摻入有機(jī)合成纖維的超高性能混凝土流動(dòng)性普遍較差，均低于同等體積摻入量的鋼纖維組。聚合物纖維微絲直徑都在微米級(jí)，長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)高于鋼纖維，且密度很低，這使得聚合物纖維在攪拌時(shí)受剪切力較小，通常只會(huì)發(fā)生變形，而不會(huì)發(fā)生主攪拌方向的位移。這些因素導(dǎo)致聚合物纖維在攪拌過(guò)程中很難均勻分散，極容易產(chǎn)生黏聚、纏繞等現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致其流動(dòng)性較差的主要 原因。

不同種類(lèi)纖維對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響如圖3、圖4所示。其中，鋼纖維從左至右分別為6、13 mm直線形，13 mm端鉤形。

圖3 摻入不同纖維的 混凝土抗折強(qiáng)度

圖4 摻入不同纖維的 混凝土抗壓強(qiáng)度

作為超高性能混凝土中的重要補(bǔ)強(qiáng)材料，纖維摻入超高性能混凝土后所能發(fā)揮的增韌作用，與水泥基體性能、纖維分布、纖維種類(lèi)、纖維與水泥基體的黏結(jié)作用強(qiáng)弱等均存在密不可分的關(guān)系。由圖3可看出，對(duì)不同種類(lèi)有機(jī)合成纖維來(lái)說(shuō)，高強(qiáng)度的超高分子量聚乙烯纖維對(duì)混凝土的增韌作用最為明顯，低、中強(qiáng)度的聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維作用效果均低于聚乙烯纖維組，說(shuō)明高強(qiáng)度纖維可以很好地阻止混凝土中微裂縫的生成，提高混凝土的抗彎折性能。

就同一種纖維來(lái)說(shuō)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，纖維長(zhǎng)度的增加都可以提高混凝土的彎折性能。纖維的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，纖維束之間的間距越短，對(duì)混凝土的增韌效果更明顯，試驗(yàn)結(jié)果符合ROMUAL提出的纖維間距理論[4]。

從圖3還可以看出，鋼纖維組中端鉤形態(tài)組的抗折強(qiáng)度明顯高于其他形態(tài)，說(shuō)明鋼纖維的形態(tài)是影響鋼纖維超高性能混凝土抗彎性能的重要因素，這與有機(jī)合成纖維組存在明顯區(qū)別。

從圖4可以看出，同等體積摻量條件下，有機(jī)合成纖維組的抗壓強(qiáng)度均高于鋼纖維組，說(shuō)明有機(jī)合成纖維在混凝土中引入缺陷較小，這與纖維的界面黏結(jié)性能密切相關(guān)。鋼纖維表面光滑，直徑大、受應(yīng)力小，與水泥基材黏結(jié)性能不佳，受壓時(shí)容易滑動(dòng)、脫出，造成微空洞等缺陷，因此抗壓強(qiáng)度更低。

4.2 高強(qiáng)纖維超高性能混凝土抗彎性能研究

摻入鋼纖維、超高分子量聚乙烯的抗彎試件荷載-撓度曲線如圖5、圖6所示。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，計(jì)算得出兩組試件的初裂荷載、峰值荷載、5.5δ彎曲韌性指數(shù)等如表6所示。

圖6 聚乙烯纖維組混凝土 荷載-撓度曲線

圖5 鋼纖維組混凝土 荷載-撓度曲線

表6 鋼纖維與聚合物纖維混凝土彎曲性能與抗裂性能對(duì)比

從圖5、圖6可以看出，鋼纖維組的峰值荷載和初裂荷載均略高于聚乙烯纖維組。不同于素混凝土，摻入鋼纖維與摻入聚乙烯纖維的超高性能混凝土在到達(dá)峰值荷載后均表現(xiàn)出穩(wěn)定的裂后行為，說(shuō)明纖維在其中都起到了阻裂、增韌作用。

兩者的裂后曲線趨勢(shì)基本趨同，并未出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中描述的二次峰值現(xiàn)象，這應(yīng)該與纖維的摻量有關(guān)。與普通水泥膠砂試件相比，較大尺寸的抗折試件與水泥膠砂試件相比峰值強(qiáng)度下降非常明顯，說(shuō)明尺寸效應(yīng)對(duì)摻纖維超高性能混凝土的力學(xué)性能影響較大。

兩組試件斷裂面形態(tài)如圖7、圖8所示，拍攝面均為試件下部受拉區(qū)。從斷裂面形態(tài)可以看出，鋼纖維組中，纖維分布出現(xiàn)了較明顯的不均勻狀態(tài)，這與鋼纖維在砂漿中的重力沉降有關(guān)，而密度較輕的聚乙烯纖維組中則不存在這種現(xiàn)象[5-6]。

從荷載-撓度曲線中也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維組與聚乙烯纖維組在受壓后期也出現(xiàn)了不同的斷裂狀態(tài)，鋼纖維出現(xiàn)了突然斷裂的現(xiàn)象，分析原因應(yīng)該與鋼纖維在混凝土中分布不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力集中有關(guān)。而聚乙烯纖維組在加載后期出現(xiàn)了明顯的連續(xù)小峰值，說(shuō)明聚乙烯纖維組中存在承受拉力較大纖維先斷裂、后繼未斷裂纖維繼續(xù)承受拉力的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

1）有機(jī)合成纖維直徑小，長(zhǎng)徑比大，較難隨水泥漿液同步流動(dòng)。摻入有機(jī)合成纖維的超高性能混凝土流動(dòng)性較差，若需要應(yīng)用到大流動(dòng)性混凝土澆筑場(chǎng)合，還需從漿液-纖維協(xié)同作用角度進(jìn)一步提高混凝土流動(dòng)性。

圖7 鋼纖維組斷裂形態(tài)

圖8 聚乙烯纖維組斷裂形態(tài)

2）高強(qiáng)度的超高分子量聚乙烯纖維可有效提高超高性能混凝土抗折強(qiáng)度。與鋼纖維不同，高強(qiáng)度纖維的加入并未對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了高強(qiáng)度有機(jī)纖維同樣可應(yīng)用于超高性能混凝土。

3）高強(qiáng)度有機(jī)合成纖維在超高性能混凝土中可起到阻裂、增韌作用。由于直徑較小，荷載由混凝土傳導(dǎo)至纖維表面時(shí)應(yīng)力較大，有機(jī)合成纖維通常不會(huì)從混凝土中抽脫，釋放能量的主要方式為斷裂，因此不會(huì)出現(xiàn)鋼纖維混凝土在荷載后期突然斷裂的現(xiàn)象。其應(yīng)用性能應(yīng)高于鋼纖維型超高性能混凝土。