張華

（哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）這個(gè)概念被提出距今已有近30年，UHPC相比于普通混凝土具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等特點(diǎn)［1-3］，UHPC的問世實(shí)現(xiàn)了水泥基建筑材料各項(xiàng)性能的大幅度提升。UHPC的力學(xué)性能很大程度上受到組成和原材料的影響，UHPC以水泥、細(xì)骨料，超細(xì)礦物摻合料，減水效率較高的減水劑以及增強(qiáng)纖維為原材料［4，5］。UHPC具有非常廣泛的應(yīng)用前景，如橋梁、公路及各種工程預(yù)制構(gòu)件等。

高強(qiáng)度的水泥基復(fù)合材料本身具有較低的斷裂強(qiáng)度和韌性，脆性破壞是隨強(qiáng)度增加而出現(xiàn)的，該特點(diǎn)限制了高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用。然而通過纖維橋接基體吸收能量并提高延展性，限制裂紋的發(fā)展，所以將纖維結(jié)合到更高強(qiáng)度的基體中可以很有效地克服高強(qiáng)混凝土的脆性問題。因此纖維作為UHPC中最重要的原材料之一，其長(zhǎng)度、形狀、摻量等參數(shù)都影響著UHPC的力學(xué)性能［6-9］。水泥基復(fù)合材料中使用的纖維主要有鋼纖維、玻璃纖維或聚合物纖維等。在所有類型的纖維中，鋼纖維比混凝土基體具有更高的彈性模量，這意味著它們可以提高承載能力，從而提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，鋼纖維增強(qiáng)的混凝土具有更好的沖擊、破碎和耐磨性。然而相比于在UHPC中單獨(dú)摻入鋼纖維，混雜不同長(zhǎng)度、不同形狀、不同材料的纖維，可以得到力學(xué)性能更加優(yōu)異的UHPC。文中將對(duì)現(xiàn)有混雜纖維UHPC的研究進(jìn)展進(jìn)行回顧，歸納與總結(jié)在混雜不同尺度鋼纖維、不同形狀鋼纖維、不同材料纖維條件下，UHPC的力學(xué)性能如抗壓性能、彎曲性能、以及抗沖擊性能等。從而可以為實(shí)際工程應(yīng)用中面對(duì)不同力學(xué)性能需求時(shí)，混雜UHPC中纖維組合的選擇提供參考。

1 混雜不同尺度鋼纖維

UHPC的破壞是一個(gè)多尺度的斷裂過程，而單一尺度鋼纖維的使用只能抑制單一尺度的裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，從而只在單一尺度下增強(qiáng)。因此，基體中若摻入兩種或兩種以上不同尺度的纖維，二者可以在受到外力破壞過程中進(jìn)行互補(bǔ)，使基體表現(xiàn)出比單一纖維UHPC更加優(yōu)異的力學(xué)性能［10，11］。

1.1 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

1.1.1 抗壓強(qiáng)度

不同尺度的鋼纖維彌合了UHPC受壓時(shí)產(chǎn)生的不同尺度的裂紋，同時(shí)不同尺度鋼纖維混雜摻入U(xiǎn)HPC中，也被驗(yàn)證能夠得到抗壓性能更加優(yōu)異的UHPC。R.Yu等［12］的實(shí)驗(yàn)將UHPC中鋼纖維的總含量維持在2%，將直徑為13、6mm的鋼纖維混雜摻入并進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。研究結(jié)果表示纖維混雜系數(shù)為0.25時(shí)，UHPC的28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最高141.5MPa，高于單獨(dú)摻入任意一種纖維。何杰［13］的研究也得到了相同結(jié)論，研究將30（SF1）、13mm（SF2）的鋼纖維混雜對(duì)UHPC也有一定的強(qiáng)化效果，與單摻SF1的UHPC相比，1.5% SF1+0.5% SF2組試件的抗壓強(qiáng)度提高了6.1%。這歸因于混雜纖維在限制UHPC裂紋發(fā)展方面的協(xié)同效應(yīng)，盡管纖維在拉伸或彎曲荷載下更有效地改善混凝土的性能，但它們也可以彌合受壓過程中產(chǎn)生的裂縫，并提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度。

圖1 混雜纖維UHPC的抗壓強(qiáng)度

從以上的研究結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，隨著短纖維對(duì)長(zhǎng)纖維取代率越來越高，UHPC的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Wei J等［14］對(duì)于混雜長(zhǎng)度為6、10、15mm鋼纖維，纖維總量保持在2.5%的UHPC試件抗壓性能的研究也得到了類似結(jié)論，結(jié)果表明纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，UHPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量越高。在所有試件中，單獨(dú)摻入2.5%長(zhǎng)纖維對(duì)UHPC試件的抗壓性能的增強(qiáng)效果最好，這是因?yàn)橄啾扰c長(zhǎng)纖維，短纖維受力時(shí)提供的橋接作用較弱，并且長(zhǎng)纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)面積更大［15］。然而，當(dāng)不減少長(zhǎng)纖維摻量的前提下，再摻入短纖維可以大幅度提高UHPC的抗壓強(qiáng)度。Ragalwar K等［16］將鋼棉纖維摻入2%長(zhǎng)纖維的UHPC中，抗壓強(qiáng)度在鋼棉纖維摻量為1.5%時(shí)最高，相比于未摻入鋼棉纖維的UHPC提高了22%。這是因?yàn)殇撁蘩w維橋接并穩(wěn)定了微裂紋，與抑制宏觀裂紋的長(zhǎng)纖維協(xié)同作用，共同增強(qiáng)了UHPC基體的抗壓強(qiáng)度。

1.1.2 抗拉強(qiáng)度

UHPC除了具有很高的抗壓強(qiáng)度外，還具有非常優(yōu)異的抗拉性能。高抗拉強(qiáng)度還會(huì)使UHPC具有更高的延性，并且可以在實(shí)際工程中免去對(duì)鋼筋的需求［17］。從纖維多尺度增強(qiáng)的機(jī)理出發(fā)，當(dāng)纖維混雜時(shí)，可以得到抗拉性能更優(yōu)異的UHPC，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。

Park S H等［18］將13mm短鋼纖維與30mm長(zhǎng)的鋼纖維混合，研究是在長(zhǎng)纖維保持體積摻量保持1%不變時(shí)，改變短纖維的摻入量，體積摻量在0%～1.5%之間變化。得到結(jié)論為在基體中添加短纖維對(duì)UHPC的應(yīng)變硬化和多重開裂行為產(chǎn)生了有利的影響，纖維混雜會(huì)明顯地改善UHPC的抗拉強(qiáng)度、微裂紋數(shù)量。

材料受拉全過程具有2個(gè)特征值，分別為初裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。蘇家戰(zhàn)等［19］混雜不同長(zhǎng)徑比鋼纖維、進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行了混雜效應(yīng)分析?；祀s效應(yīng)種類如圖2所示。在鋼纖維總摻量不變下，當(dāng)混雜比率0.4時(shí)，混雜6、20mm的鋼纖維對(duì)UHPC材料的抗拉強(qiáng)度、初裂強(qiáng)度均能達(dá)到正混雜效應(yīng)；混雜13、20mm的鋼纖維則顯示為零效應(yīng)。總之，不是所有的纖維組合都能夠優(yōu)化UHPC的力學(xué)性能，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)混雜效應(yīng)與工程需求選擇最優(yōu)纖維組合。

圖2 混雜效應(yīng)種類

1.1.3 抗彎強(qiáng)度

Niu Y等［20］將6mm（S）、13mm（M）、20mm（L）兩兩混雜，研究混雜纖維UHPC受到彎曲荷載時(shí)的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展情況。結(jié)果表明M0.5L1.5的UHPC試件組彎曲性能優(yōu)于其他試件。各組試件的初裂應(yīng)變率以及裂紋擴(kuò)展速率分別如圖3（a）、圖3（b）所示。由此表明長(zhǎng)纖維可以有效地通過纖維/基體界面?zhèn)鬟f應(yīng)力，從而減緩應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，并且長(zhǎng)纖維對(duì)裂紋擴(kuò)展具有重要的限制作用。但由于混合增強(qiáng)效應(yīng)，與其他試件相比，M0.5L1.5試件的初裂應(yīng)變率和裂紋擴(kuò)展速度最低，彎曲性能最好。

圖3 各組試件的受彎開裂行為

Ragalwar K等研究了鋼棉纖維對(duì)含有長(zhǎng)度為30mm鋼纖維的UHPC基體力學(xué)性能的影響，同樣得到了混雜纖維UHPC抗彎強(qiáng)度和韌性更優(yōu)異的結(jié)論。此外，研究通過纖維拔出性能試驗(yàn)證明了混雜纖維UHPC抗彎性能的增加是微細(xì)纖維橋接了基體的微裂紋并且改善了長(zhǎng)纖維與基體的界面，增加了基體與纖維間的摩擦粘結(jié)。

1.2 動(dòng)態(tài)抗沖擊性能

Wei J等混雜了長(zhǎng)度為6、10、15mm鋼纖維，研究了單纖維和混雜纖維加固的UHPC梁低速?zèng)_擊下的動(dòng)力特性，進(jìn)行落錘試驗(yàn)后的UHPC梁部件出現(xiàn)輕微的彎曲損傷。與單一纖維增強(qiáng)的UHPC梁相比，混合纖維UHPC梁部件具有更好的抗沖擊性能，即彈性模量最大和撓度小。Wu Z等［21］對(duì)混雜纖維進(jìn)行霍普金森桿沖擊試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)論，并認(rèn)為UHPC中混雜纖維增強(qiáng)體的增強(qiáng)機(jī)理是最初短纖維增強(qiáng)體抑制了微裂紋的產(chǎn)生。隨著微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，短纖維從基體中拔出，長(zhǎng)纖維開始承受載荷，由于短纖維和長(zhǎng)纖維協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，這可以在兩個(gè)長(zhǎng)度尺度上限制裂紋的發(fā)展。

2 混雜不同形狀鋼纖維

現(xiàn)有對(duì)于混雜不同形狀鋼纖維的研究大多集中于短直鋼纖維與長(zhǎng)異型鋼纖維。這種混雜方式的出發(fā)點(diǎn)有以下兩個(gè)方面，一是讓多尺度的纖維在基體中發(fā)揮協(xié)同作用，抑制UHPC的多尺度裂紋；二是纖維-基體界面的結(jié)合強(qiáng)度主要由化學(xué)鍵、纖維端部的機(jī)械錨固和摩擦力提供。而與直纖維相比，異形纖維甚至端鉤纖維具有更大的機(jī)械錨固作用力［22］。

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

Abushanab A等［23］將50mm長(zhǎng)端鉤纖維與6mm短直纖維混雜摻入U(xiǎn)HPC中，對(duì)比分別單摻長(zhǎng)、短纖維UHPC的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在纖維總摻量固定的前提下，混雜組合的試樣的抗壓強(qiáng)度最高。此外，端鉤纖維單獨(dú)摻入時(shí)的抗壓強(qiáng)度略低于短直纖維單獨(dú)摻入時(shí)的試件組，這是因?yàn)殂^端纖維在基體中的分布不如直纖維，因此直纖維在提高UHPC抗壓強(qiáng)度方面比變形纖維更有效［24］。Ryu G S等［25］也在研究中得到了類似結(jié)論。但是從以上研究結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)混雜不同形狀纖維對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度影響幅度并不是非常大，這是因?yàn)榭箟簭?qiáng)度主要取決于纖維的分布，基體的密實(shí)度以及纖維與基體界面的強(qiáng)度。所以有更多的學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至抗拉和抗彎強(qiáng)度。

2.1.2 抗拉強(qiáng)度

Chun B等［26］將短鋼纖維與異形鋼纖維混合摻入，會(huì)明顯地改善UHPC的抗拉強(qiáng)度、微裂紋數(shù)量。認(rèn)為扭轉(zhuǎn)形長(zhǎng)纖維與短纖維混合在一起時(shí)，UHPC具有最佳的拉伸性能。Park S H等也得到了相同結(jié)論，這是由于扭轉(zhuǎn)型長(zhǎng)纖維需要經(jīng)歷“解扭”過程才能被拔出，所以它利用了大部分埋入纖維的長(zhǎng)度來產(chǎn)生機(jī)械阻力。這也說明了不同形狀的鋼纖維在UHPC混合體系中發(fā)揮作用的機(jī)制也是不同的。

2.1.3 抗彎強(qiáng)度

一般來說，在脆性基體中混合在一起的纖維可根據(jù)在基體中的作用分為宏觀纖維和微觀纖維，高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用又長(zhǎng)又粗的纖維作為宏觀纖維，而采用又短又細(xì)的纖維作為微觀纖維。Ryu G S等將長(zhǎng)端鉤型鋼纖維（長(zhǎng)度30mm，直徑0.375mm）與3種不同長(zhǎng)度短直纖維（長(zhǎng)度分別13.0、16.3、19.5mm，直徑均為0.2mm）混摻，研究其彎曲韌性。與單獨(dú)使用長(zhǎng)纖維或短纖維的UHPC相比，長(zhǎng)端鉤和短直鋼纖維混摻的UHPC的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性都有較大的提高，尤其是彎曲韌性。這是因?yàn)殚L(zhǎng)纖維與短纖維的復(fù)合材料具有協(xié)同效應(yīng)，短纖維提高了彎曲強(qiáng)度，長(zhǎng)纖維提高了變形能力。混摻鋼纖維UHPC的韌性較單摻鋼纖維UHPC提高了33%～45%，并且當(dāng)長(zhǎng)端鉤纖維與長(zhǎng)度13mm短直纖維各摻入1%時(shí)對(duì)UHPC增韌的效果最好。Abushanab A的研究也認(rèn)為短纖維和長(zhǎng)端鉤纖維混雜組合UHPC試件比普通UHPC試件的抗折強(qiáng)度最高提高了124%。UHPC抗彎強(qiáng)度結(jié)果的變化歸因于鋼纖維的拉拔強(qiáng)度，宏觀鉤端纖維短直纖維更能有效地橋接宏觀裂縫。

2.2 動(dòng)態(tài)抗沖擊性能

將直纖維和端鉤型鋼纖維混合摻入U(xiǎn)HPC中，由于“協(xié)同效應(yīng)”，將會(huì)得到比單一種類纖維更優(yōu)異的抗沖擊性能。通過落錘試驗(yàn)，對(duì)混摻纖維試件單摻纖維試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試。結(jié)果表明在保持纖維總摻量為2%的前提下，抗沖擊強(qiáng)度隨著端鉤型纖維摻量增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且在直纖維和端鉤型纖維各摻1%的情況下，抗沖擊性能最佳［27］。

3 混雜不同材料纖維

我們可以按照彈性模量將用于增強(qiáng)的纖維分為兩類，一類纖維的彈性模量低于水泥基體，如纖維素、尼龍和聚丙烯等；另一類纖維的彈性模量則高于水泥基體，如石棉、玻璃、鋼、碳等。通常彈性模量較小可以提高混凝土的韌性，與鋼纖維混雜時(shí)可以既保證強(qiáng)度也提高基體的韌性［28，29］。

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

3.1.1 抗壓強(qiáng)度

任亮、梁明元等［30］將少量的聚乙烯醇（PVA）纖維、聚丙烯（PP）纖維分別與鋼纖維混合摻入U(xiǎn)HPC中，結(jié)果表明UHPC試件抗壓強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，且PVA-鋼混雜時(shí)協(xié)同增強(qiáng)效果更好。何杰將不同尺度的纖維加入U(xiǎn)HPC中，選擇兩種不同尺度的纖維分別摻入U(xiǎn)HPC中，與PVA纖維相比，彈性模量較高的聚乙烯纖維（PE）纖維更有利于UHPC的強(qiáng)化。最佳鋼纖維和PE纖維體積摻量為1.5%和0.5%。此外，還在UHPC中摻入納米纖維，通過填充硬化水泥漿內(nèi)部的孔隙，減小有害孔的數(shù)量，明顯改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，使得微觀結(jié)構(gòu)更加致密，進(jìn)而提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度。

3.1.2 抗拉強(qiáng)度

經(jīng)研究證明直徑大于0.5mm的粗纖維和直徑小于0.022mm的超細(xì)纖維進(jìn)行混雜，UHPC的拉伸性能顯著提高。這是因?yàn)檫@兩種類型的纖維在破壞過程的不同階段影響裂紋的擴(kuò)展［31，32］。聚合物纖維與鋼纖維混雜即可以達(dá)到這樣的效果。Kang S等［33］將鋼纖維與其他種類聚合物纖維混雜摻入，發(fā)現(xiàn)可有效地提高抗拉強(qiáng)度，當(dāng)兩種纖維的總體積率保持在1.5%的條件下，對(duì)UHPC的極限抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果為：鋼+聚乙烯＞鋼+玄武巖＞單一鋼纖維＞鋼+聚乙烯醇。

3.1.3 抗彎強(qiáng)度

雖然有些聚合物纖維單獨(dú)摻入時(shí)不能改善UHPC的抗折強(qiáng)度，但是這些纖維和鋼纖維混合摻入時(shí)卻顯著地提高了抗折強(qiáng)度。如鋼纖維與PP纖維混雜的情況，這是因?yàn)镻P纖維能夠改善孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，彌補(bǔ)了鋼纖維帶來的空隙缺陷，從而改善了UHPC試件的力學(xué)性能［34］。兩種纖維在基體中可以發(fā)揮很好的協(xié)同作用，海然等［35］將1%的鋼纖維和0.25%的PVA纖維混合摻入U(xiǎn)HPC時(shí)，抗折強(qiáng)度較未摻纖維提高率達(dá)到49%。Banthia N等［36］研究纖了維素纖維與鋼纖維對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土抗彎強(qiáng)度的混雜效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)纖維素纖維本身不會(huì)改變基體韌性，但在鋼纖維存在的情況下，纖維素纖維的存在明顯增強(qiáng)了韌性。并且協(xié)同效應(yīng)隨著撓度的增加而減小，這可能是由于在較大的裂縫時(shí)纖維素纖維的增韌作用開始失效。

3.2 動(dòng)態(tài)抗沖擊性能

除了在基體中單摻一種纖維的增強(qiáng)方式外，有大量的研究都集中于混雜纖維對(duì)UHPC的抗沖擊壓縮性能會(huì)產(chǎn)生何種影響。主要的方式為以鋼纖維為主體，再混雜少量其他聚合物纖維。王立聞等［37］將鋼纖維與PVA纖維混雜，發(fā)現(xiàn)在常溫下，試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度反而低于相應(yīng)摻量單一鋼纖維的試件，鋼纖維和PVA纖維的混雜呈現(xiàn)“負(fù)協(xié)同效應(yīng)”。但是如果在高溫條件下（400、600、800℃）進(jìn)行霍普金森桿沖擊試驗(yàn)，PVA纖維的摻入將會(huì)在很大程度上改善RPC試件的抗沖擊壓縮性能，2%鋼纖維+0.1% PVA纖維為最佳摻量。這是因?yàn)镻VA纖維的熔融不僅為受荷載的試件提供了變形的空間，還可以降低在高溫條件下造成材料內(nèi)部損傷的概率。在高溫下，鋼纖維和聚乙烯醇纖維的混雜呈現(xiàn)“正協(xié)同效應(yīng)”。

3.3 抗高溫性能

UHPC致密的基體在高溫下容易發(fā)生爆裂，在UHPC中摻入聚合物纖維可以降低爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。賴建中［38］得到PVA與鋼纖維混合摻入的UHPC在高溫的作用下，可以提高高溫后破裂阻力及殘余抗壓強(qiáng)度的結(jié)論。該學(xué)者還認(rèn)為，高溫作用下，PVA纖維熔化，出現(xiàn)很多微型通道，減小蒸汽壓力，從而改善了UHPC在高溫下的抗爆性能。Sciarretta F等與Li Y等［39，40］混雜鋼纖維與PP纖維也得到了相似結(jié)論，認(rèn)為UHPC需要兩種纖維混雜才能更好地承受高溫作用。

4 存在的不足

混雜纖維在UHPC中的協(xié)同作用機(jī)制非常復(fù)雜的，混雜纖維的摻量及比例都需要合理計(jì)算，才到達(dá)到理想強(qiáng)韌化效果。同時(shí)，混雜纖維UHPC可能存在的不足：當(dāng)聚合物纖維大量摻入取代鋼纖維時(shí)，將大幅度降低UHPC的力學(xué)性能；彈性模量小的聚合物纖維的蠕變比較高，當(dāng)承載纖維增強(qiáng)材料中的應(yīng)力很大時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的形變或缺陷。尤其是UHPC的斷裂韌性會(huì)明顯下降，因?yàn)閿嗔秧g性的提高需要更多的鋼纖維來發(fā)揮作用。此外，微細(xì)纖維的大量摻入會(huì)使?jié){體粘度急劇增加，大幅度降低UHPC的流動(dòng)性，在成型時(shí)會(huì)導(dǎo)致更多空氣滯留、引入更多孔隙，從而也會(huì)降低UHPC的力學(xué)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

文中總結(jié)了不同尺度、形狀、材料的纖維混雜時(shí)UHPC的力學(xué)性能，得到了以下結(jié)論：

（1）不同尺度鋼纖維合理混雜時(shí)，因?yàn)閷?duì)裂紋的多尺度彌合，對(duì)于UHPC的增強(qiáng)作用會(huì)優(yōu)于單摻一種纖維。但是長(zhǎng)短纖維發(fā)揮作用機(jī)制不同，二者的摻量存在一個(gè)最優(yōu)組合，不是所有的長(zhǎng)短纖維混雜組合都優(yōu)于單一纖維。

（2）不同形狀鋼纖維的混雜組合大部分直鋼纖維與長(zhǎng)異型鋼纖維，因?yàn)楫愋弯摾w維與UHPC基體間的機(jī)械錨固作用大于直纖維。二者混雜時(shí)，既可以發(fā)揮多尺度彌合的作用，也可以通過提高異性纖維與基體間的機(jī)械錨固提高抗拉、抗彎和抗沖擊強(qiáng)度。

（3）不同材料纖維混雜主要是根據(jù)彈性模量不同為原理，聚合物纖維與鋼纖維混雜時(shí)，既能夠保證UHPC的韌性，又可以提高強(qiáng)度。此外，聚合物纖維具有較小的尺寸，可以填充基體的空隙，與鋼纖維協(xié)同作用，增強(qiáng)了UHPC的各方面力學(xué)性能。鋼纖維與PVA、PP纖維混雜時(shí)可以提高UHPC高溫作用下的抗爆裂性能。