周美麗 陳冰雁 陳 昊 侯 煒,*
(1.廈門工學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院,廈門361021;2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,廈門361021)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快,超長(zhǎng)、超高、超大跨度、超大體積的現(xiàn)代建筑物正在不斷涌現(xiàn),這也對(duì)混凝土材料的性能提出了更高的要求。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)以其高強(qiáng)度、高彈模以及良好的變形能力等諸多優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多的學(xué)者所關(guān)注[1-2]。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)UHPC 力學(xué)性能的研究主要集中在強(qiáng)度、韌性以及動(dòng)態(tài)沖擊性能等幾個(gè)方面。強(qiáng)度是超高性能混凝土最重要的指標(biāo)之一,與普通混凝土相比,由于超高性能混凝土所采用的多元復(fù)合技術(shù),能夠有效增強(qiáng)膠凝材料與集料之間的界面過(guò)渡區(qū),對(duì)材料的強(qiáng)度有顯著提升,而原材料、澆筑方式、養(yǎng)護(hù)方式等因素的差異都會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響[3-5]。有研究人員研究了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響,與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比,蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)可以顯著提高UHPC 的抗壓強(qiáng)度,這是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)加速了火山灰反應(yīng),提高了水化程度,使孔隙率得到了進(jìn)一步的降低。
在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,UHPC 材料的制備技術(shù)已日益成熟,但要得到大面積的推廣使用卻依然還有一些問(wèn)題需要解決。一方面UHPC 的養(yǎng)護(hù)條件較為嚴(yán)苛,通常需要高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)[6-7],因此大部分構(gòu)件只能在工廠中預(yù)制完成;另一方面,摻入纖維后的混凝土成本將大大提高。這些不足都在一定程度上限制了UHPC 在實(shí)際工程中的應(yīng)用和推廣;而如何能夠進(jìn)一步提高材料的適用性和經(jīng)濟(jì)性,將是未來(lái)UHPC 能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。因此,以工程使用要求為目標(biāo),從經(jīng)濟(jì)性和可行性方面進(jìn)行考慮,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下控制纖維摻量在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi),同時(shí)保證UHPC 的力學(xué)性能在不出現(xiàn)明顯降低的情況下,提升材料的適用性和經(jīng)濟(jì)性,具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。
本文在常溫養(yǎng)護(hù)條件下,通過(guò)改變水膠比、纖維種類以及纖維摻量,研究不同變量對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響,分析不同形狀和長(zhǎng)度的纖維對(duì)UHPC 的增強(qiáng)機(jī)理和破壞過(guò)程的影響,在保證超高性能混凝土能夠振搗成型的情況下,確定纖維的合理?yè)搅俊?/p>
在本試驗(yàn)中所用到的原材料主要有水泥、硅灰、礦渣、粉煤灰、砂、高效減水劑等(圖1),以及兩種不同類型的鋼纖維。
圖1 基體原材料Fig.1 Raw materials
(1)水泥:本試驗(yàn)采用華潤(rùn)水泥(龍巖曹溪)有限公司生產(chǎn)的P.O52.5 普通硅酸鹽水泥。為盡量降低水泥的水化熱并保證足夠的強(qiáng)度和耐久性,配制UHPC 需要選用礦物組分合理、細(xì)度適宜的42.5或更高標(biāo)號(hào)的硅酸鹽水泥。這是由于高標(biāo)號(hào)的水泥一般顆粒粒徑較小,比表面積較大,具有較高的化學(xué)活性,能夠使水化反應(yīng)得到充分發(fā)揮,減少界面過(guò)渡區(qū)的缺陷。
(2)硅灰:本試驗(yàn)采用泉州市威林特實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的超細(xì)活性硅灰。檢測(cè)含硅量為96%,細(xì)度為325目。硅灰是UHPC 原材料組分中重要的組成部分。硅灰在UHPC 中起到的作用首先是與不同粒徑顆粒形成級(jí)配效應(yīng),填充之間的孔隙,減小內(nèi)部的孔隙率;其次球形硅灰在水泥顆粒間所起的“滾珠”效應(yīng)能一定程度提高新拌混凝土的流動(dòng)性;同時(shí)硅灰具有很強(qiáng)的火山灰效應(yīng),能夠與水化生成的發(fā)生二次水化反應(yīng),有利于形成致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
(3)礦渣:本試驗(yàn)采用S95 等級(jí)高爐礦渣,其28 天活性指數(shù)大于95%。超活性礦渣粉的特點(diǎn)主要是超細(xì)和高活性。?;V渣可部分取代替硅灰、超細(xì)水泥等膠凝材料,可以顯著改善UHPC 的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能。
(4)粉煤灰:本試驗(yàn)采用廈門市嵩能粉煤灰開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰,細(xì)度約為200目。粉煤灰通常與?;郀t礦渣、硅灰或者鋼粉結(jié)合組成二元、三元或者四元體系。粉煤灰的加入可以降低水泥的用量,減少水化放熱,有效抑制由于溫度應(yīng)力所引起混凝土表面的開(kāi)裂,但粉煤灰對(duì)于UHPC 早起強(qiáng)度的形成會(huì)起到一定的抑制作用。
(5)砂:本試驗(yàn)采用晉江西峰天然石英砂公司生產(chǎn)的30~50目天然石英砂。砂的質(zhì)量主要影響混凝土的用水量,級(jí)配良好的砂有利于改善新拌混凝土的工作性,提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性。
(6)減水劑:本試驗(yàn)減水劑采用廈門科之杰新材料集團(tuán)S01D 型號(hào)高效減水劑。高效減水劑的摻入可以提高混凝土拌合物的穩(wěn)定性和勻質(zhì)性,大大提高水泥漿體的流動(dòng)性,同時(shí)可以大幅減少混凝土的用水量。
(7)鋼纖維:本試驗(yàn)采用上海真強(qiáng)纖維有限公司生產(chǎn)的鋼纖維,如圖2 所示。分別為端勾形鋼纖維(Hooked steel fiber,HF)和平直形短鋼纖維(Short steel fiber,SF),各種類纖維的參數(shù)如表1所示。
圖2 鋼纖維類型Fig.2 Types of steel fiber
表1 鋼纖維參數(shù)Table 1 Parameters of steel fiber
本試驗(yàn)UHPC 基礎(chǔ)配合比如表2 所示。首先通過(guò)調(diào)整水膠比,初步設(shè)計(jì)基體配方,分別選取0.16 和0.18 兩種水膠比,單獨(dú)摻入不同體積分?jǐn)?shù)的纖維,研究不同水膠比對(duì)UHPC 受壓強(qiáng)度的影響,設(shè)計(jì)變量如表3 所示??紤]到纖維摻量過(guò)低時(shí)對(duì)UHPC 的強(qiáng)度和韌性提升程度有限,因此,在本試驗(yàn)中纖維的最低摻量為2%,在此基礎(chǔ)上纖維摻量每次增加1%,直至無(wú)法滿足流動(dòng)性要求。在進(jìn)行單摻試驗(yàn)后,優(yōu)選最佳的水膠比和纖維摻量,進(jìn)行混雜纖維UHPC 的配制,從而探索通過(guò)最經(jīng)濟(jì)有效的方式來(lái)獲得較好的力學(xué)性能,纖維摻量設(shè)計(jì)見(jiàn)表4??紤]到不同水膠比和纖維摻量下混凝土的流動(dòng)性有較大的差異,因此,在配制過(guò)程中,分別根據(jù)不同的水膠比和纖維摻量加入不同摻量的減水劑,減水劑摻量(減水劑質(zhì)量占膠凝材料的百分比)調(diào)整范圍從1.5%~2.5%。
表2 基體配合比Table 2 Mix proportion
表3 試驗(yàn)參數(shù)變量Table 3 Test parameters
表4 纖維摻量Table 4 Mixing ratio of steel fiber
由于摻入了大量的礦物摻和料且水膠比很低,因此,選擇合理的制備技術(shù)對(duì)UHPC 的工作性能和力學(xué)性能有著較大的影響。目前比較普遍的攪拌工藝有兩種:一種是先干后濕,即先加入砂和鋼纖維,接著加入水泥、高效減水劑,隨后加入膠凝材料,最后再注入水;另一種是先濕后干,即先加入水泥、高效減水劑,接著加入膠凝材料,隨后緩慢注入水,最后再撒入鋼纖維。但這兩種方法都將減水劑和水分開(kāi)加入,很難使減水劑在膠凝材料間均勻分布,不利于膠凝材料的分散。因此,本試驗(yàn)中采用一種新型攪拌工藝,試驗(yàn)中采用的攪拌機(jī)為QJ-20型水泥砂漿攪拌機(jī),攪拌速率分別為低(45 r/min)、中(90 r/min)、高(150 r/min),攪拌流程如下:①將膠凝材料(水泥、粉煤灰、硅灰、礦渣)和砂一同倒入攪拌機(jī)中,開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī),用中速攪拌2 min。②將稱量好的水和減水劑在容器中混合均勻,緩慢加入正在攪拌中的砂膠混合物中,高速攪拌3 min,保證膠凝材料和外加劑充分分散和混合均勻。③將稱量好的纖維緩慢加入攪拌中的砂膠拌合物,纖維全部加入后慢速攪拌2 min使纖維分散均勻。
將攪拌好均勻的新拌混凝土倒入立方體試模試模內(nèi)并放置在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)3 min左右,使?jié){體密實(shí),然后將試樣放置于室內(nèi),靜置24 h 后拆模,并將其放置于水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。立方體試件分別養(yǎng)護(hù)7 天、14 天和28 天進(jìn)行受壓性能試驗(yàn)。
受壓性能試驗(yàn)在200 t 萬(wàn)能壓力機(jī)上。在進(jìn)行立方體受壓試驗(yàn)時(shí),首先將將試件直立放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上,試件中心與壓力機(jī)下壓板對(duì)中,延澆筑的垂直方向施加壓力,采用應(yīng)力控制,以0.9 MPa/s的加載速率連續(xù)加載至試件破壞。
在試驗(yàn)攪拌過(guò)程中可以明顯發(fā)現(xiàn)隨著水膠比的增大,UHPC 新拌漿體的流動(dòng)性也越大。當(dāng)水膠比低至0.14 時(shí),新拌UHPC 漿體流動(dòng)性太低導(dǎo)致很難澆模成型,所以本次試驗(yàn)以水膠比0.16 和水膠比0.18 為對(duì)比,制配素UHPC 混凝土和端鉤形長(zhǎng)鋼纖維摻量分別為2%、3%和4%的試件,并根據(jù)新拌混凝土的流動(dòng)性能對(duì)減水劑的摻量進(jìn)行了調(diào)整,保證試件成型。14 天的試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)共有12組,如表5所示。
圖3 為單摻鋼纖維時(shí)水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響圖??梢钥闯觯徽撌菗饺肫街毙投啼摾w維(以下簡(jiǎn)稱短鋼纖維)還是端勾型長(zhǎng)鋼纖維(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)鋼纖維)的UHPC,隨著水膠比的降低,其抗壓強(qiáng)度均有了明顯的提升。摻入2%、3%和4%的短鋼纖維的UHPC,在0.16 水膠比下的抗壓強(qiáng)度分別比0.18 水膠比下的抗壓強(qiáng)度提高了25.3%、9.9%、8.6%;對(duì)摻入2%、3%和4%的長(zhǎng)鋼纖維UHPC,在0.16 水膠比下的抗拉強(qiáng)度分別比0.18水膠比下的抗拉強(qiáng)度分別提高了1.7%、13.3%,3.9%。
表5 不同水膠比下UHPC抗壓強(qiáng)度(14天)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results under different water-binder ratio
圖4 為不同纖維類型對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響。由圖4 可知,不論是在水膠比0.16 還是水膠比0.18 的情況下,長(zhǎng)纖維對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用都要比短纖維好。直線型鋼纖維與混凝土基體之間的黏結(jié)作用主要依靠?jī)烧咧g的黏結(jié)力和摩擦力,而端鉤型鋼纖維由于外形的改變還大大提高了其機(jī)械咬合力。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究,端鉤型比直線型鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度提高了26.5%,纖維拔出能耗提高了107%,同時(shí),纖維拔出后,黏結(jié)應(yīng)力也較直線形平緩許多。這種鋼纖維與混凝土之間的黏結(jié)作用影響了混凝土內(nèi)部的約束,端鉤型鋼纖維的強(qiáng)黏結(jié)作用提高了混凝土受壓時(shí)的橫向約束,因此提高了UHPC 的抗壓強(qiáng)度。
圖3 不同水膠比下單摻鋼纖維抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Compressive strength under different water-binder ratio
圖4 不同纖維類型對(duì)抗壓強(qiáng)度影響Fig.4 Effects of steel fiber types
鋼纖維的摻入有效改善了素混凝土的脆性破壞。圖5 為素混凝土和摻入鋼纖維的UHPC 加載完成后的破壞形態(tài)。
圖5 鋼纖維對(duì)UHPC受壓破壞形態(tài)的影響Fig.5 Effect of steel fiber on failure pattern
在素混凝土的加載過(guò)程中,當(dāng)達(dá)到試件的極限壓力值時(shí),試件立刻破壞,破壞的同時(shí)會(huì)發(fā)出爆裂聲。加入鋼纖維的UHPC,當(dāng)達(dá)到試件的極限壓力值時(shí),試件出現(xiàn)裂縫,依然可以進(jìn)行加載。這樣的試驗(yàn)現(xiàn)象表明,鋼纖維的摻入有效地抑制了裂縫的產(chǎn)生,很大程度上提高了混凝土的耐久性,在安全要求高的建筑結(jié)構(gòu)中可采用UHPC 材料來(lái)加強(qiáng)建筑的安全性。
在摻入了鋼纖維后,混凝土的抗壓強(qiáng)度也有了很大的提升。對(duì)比素混凝土和摻入2%鋼纖維的UHPC,0.16水膠比下長(zhǎng)纖維和短纖維UHPC 14天抗壓強(qiáng)度分別增加8.2%和20%;0.18 水膠比下長(zhǎng)纖維和短纖維UHPC 14 天抗壓強(qiáng)度分別增加21.9% 和10%。但從表5 中可以看出,試樣W16HF2 數(shù)據(jù)明顯偏低,8.2%的增長(zhǎng)率可能由于試樣受壓強(qiáng)度異常造成了偏低的異常數(shù)據(jù),從整體趨勢(shì)判斷,2%纖維摻入量下,長(zhǎng)纖維的UHPC強(qiáng)度增長(zhǎng)高于短纖維的強(qiáng)度增長(zhǎng)。圖6 所示為不同纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,從圖6(a)(c)(d)中可以明顯看出,纖維摻量每增加1%,UHPC 的抗壓強(qiáng)度都有一定程度的增加。從折線圖的斜率可以看出,纖維摻量2%~3%的直線斜率要略大于纖維摻量3%~4%的直線斜率,說(shuō)明當(dāng)纖維摻量達(dá)到3%時(shí),纖維的增強(qiáng)效果更好。從圖6(b)可以看出,當(dāng)水膠比為0.16 時(shí),長(zhǎng)纖維摻量達(dá)到3%時(shí),其抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)長(zhǎng)纖維摻量為4%時(shí),其抗壓強(qiáng)度與摻量為3%的相差不大。這可能是因?yàn)槔w維摻量過(guò)高使得鋼纖維在UHPC 漿體內(nèi)的分布不均,形成了鋼纖維和基體低黏結(jié)強(qiáng)度界面,從而導(dǎo)致UHPC抗壓強(qiáng)度的略微降低。
圖7 所示為齡期7 天時(shí)UHPC 受壓強(qiáng)度全曲線。從圖7 可知,當(dāng)未達(dá)到極限荷載時(shí),不同纖維摻量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合,而達(dá)到極限荷載后,隨著纖維摻量的增加,曲線下降速度變慢。這表明,纖維的加入有效抑制了裂縫的開(kāi)展,顯著地改善了UHPC 的耐久性。綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮,在實(shí)際的應(yīng)用中可選擇纖維摻量為3%的UHPC。
圖6 不同纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of steel fiber volume on compressive strength
圖7 7天齡期下UHPC受壓全曲線Fig.7 Compression curves of UHPC at 7 d
在纖維總摻量為3%的條件下,本次試驗(yàn)還進(jìn)行了3組混摻長(zhǎng)短纖維的試驗(yàn)研究,其7天試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。從表中可以看出,在總纖維摻量為3%時(shí),3 組UHPC 的強(qiáng)度相差并不大。混凝土纖維UHPC強(qiáng)度介于長(zhǎng)纖維和短纖維之間。
表6 混摻纖維下UHPC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Hybrid fibers UHPC test results
圖8 為不同齡期對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響。從圖8 中可以看出,隨著齡期的增長(zhǎng)(7~28 天),UHPC 的抗壓強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)。在前期,由于水泥水化反應(yīng)的生產(chǎn)物使混凝土內(nèi)部的大部分孔隙被迅速填充,改善了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),使得受壓強(qiáng)度快速增加。另外,由于UHPC 孔隙較普通混凝土少很多,且水膠比極低,這樣硅灰和礦渣形成的火山灰效應(yīng)發(fā)展相對(duì)緩慢,從而后期強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。
圖8 齡期影響Fig.8 Effect of curing age
利用塌落度試驗(yàn)來(lái)測(cè)定UHPC 的流動(dòng)性。塌落度越大即表示測(cè)試漿體的流動(dòng)性能越好。本次試驗(yàn)的塌落度值為242 mm。當(dāng)混凝土的拌和物大于220 mm時(shí),需要用鋼尺測(cè)量混凝土擴(kuò)展后最大直徑和最小直徑,在這兩個(gè)直徑之差小于5 mm的情況下,取其算數(shù)平均值為作為塌落度擴(kuò)展值。本次試驗(yàn)的塌落度擴(kuò)展值為431 mm。
由塌落度和塌落擴(kuò)展值可知,UHPC 的流動(dòng)性能良好,在試驗(yàn)全過(guò)程中,關(guān)于流動(dòng)性有以下幾點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與總結(jié):
(1)隨著水膠比的增大,新拌UHPC 漿體的流動(dòng)性明顯增大,當(dāng)水膠比低至0.16時(shí),在不添加減水劑的情況下,新拌漿體成型困難。
(2)隨著鋼纖維的摻量的增加,新拌UHPC漿體的流動(dòng)性明顯降低,在水膠比、減水劑摻量等其他條件一定的情況下,當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到4%時(shí),攪拌過(guò)程即出現(xiàn)了明顯的結(jié)塊現(xiàn)象。
(3)UHPC 的流動(dòng)性與UHPC 的抗壓強(qiáng)度有一定的關(guān)系。在保證新拌漿體能夠澆模的情況下,流動(dòng)性越低,抗壓強(qiáng)度越高。
本章通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析不同水膠比、纖維摻量和纖維種類的UHPC受壓強(qiáng)度,得到以下結(jié)論。
(1)在0.18 和0.16 水膠比下,常溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)下的14 天UHPC 最高強(qiáng)度分別為127.1 MPa 和137.1 MPa,但相比蒸養(yǎng)或高溫養(yǎng)護(hù),需要更多的纖維用量。但纖維用量的增加也同時(shí)增加了施工難度及成品質(zhì)量。
(2)常溫養(yǎng)護(hù)下的UHPC 受壓強(qiáng)度影響因素及趨勢(shì)與其他高溫養(yǎng)護(hù)下的基本相同,但相應(yīng)的定量影響并不相同??紤]到施工及經(jīng)濟(jì)效益,其最優(yōu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的纖維摻量、減水劑使用量等均相應(yīng)提高。
(3)雖然坍落度試驗(yàn)測(cè)試的流動(dòng)性數(shù)值顯示UHPC 具有良好的施工性能,但是在纖維用量4%時(shí),也帶來(lái)了纖維沉降、攪拌結(jié)塊的現(xiàn)象,增加減水劑用量也存在一定的泌水情況,后續(xù)研究中還需增加其他外加劑如保坍劑、膨脹劑等的影響分析。