王雄鋒，陳 波，張 豐，何 旸，徐霽云

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029)

隨著超高層建筑、大跨度橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，土木工程材料對輕量化、高強化、綠色化和耐久性的要求越來越高，超高強度和高耐久性的超高性能混凝土得到了廣泛的應(yīng)用[1]。超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)的概念由Richard等[2]在1994年首次提出，早期也稱為活性粉末混凝土(RPC)。1979年，Bache采用細料致密法(Densified with Small Particles, DSP)，通過加入硅灰與高性能減水劑，來減小孔隙率，制備出抗壓強度為150 MPa～200 MPa的混凝土，制品以DENSIT 作為商標(biāo)出現(xiàn)在市場中[3-4]。此后，在建筑領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1996年，Oliver等[5]研究證明摻加鋼纖維后RPC的抗彎強度和能量吸收能力得到了顯著提升。陳從春等[6]發(fā)現(xiàn)，將2.5%體積摻量的鋼纖維摻入UHPC中，相比較UHPC基體，立方體抗壓強度提高25%，劈裂抗拉強度提高1.7倍，抗彎強度提高83%，當(dāng)摻入3%的鋼纖維時，抗壓強度可達到150 MPa甚至更高。鞠彥忠等[7]研究單摻鋼纖維對RPC試件的抗彎強度、劈裂抗拉強度以及抗壓強度的影響，隨著鋼纖維的增加，當(dāng)體積摻量在1.0%到2.0%范圍內(nèi)時，鋼纖維對RPC的強度影響不大；當(dāng)體積摻量超過2.0%后，RPC試件的強度提高顯著；當(dāng)鋼纖維體積摻量大于3.5%后，僅抗彎強度繼續(xù)提升。Yoo等[8]分析了體積摻量分別為1%、2%、3%、4%和長徑比為65的鋼纖維對UHPC力學(xué)性能的影響，抗壓強度的最佳摻量為3%，抗彎強度的最佳摻量為4%。黃雪林等[9]研究了纖維種類和摻量對混凝土強度的影響，認為纖維的增加對混凝土的強度增加作用是有限的。程鵬等[10]研究了不同鋼纖維摻量和粗骨料摻量對UHPC彎曲性能的影響。梁興文等[11]、郭志強[12]研究了異型鋼纖維摻量對抗彎強度的影響，都得出當(dāng)鋼纖維摻量為5%時抗彎強度最大。但是鋼纖維體積摻量對超高性能混凝土增強增韌評價結(jié)論不一致，所以有必要進一步試驗研究。因此試驗選用水膠比為0.19，研究鋼纖維分別以1.0%、1.5%、2.0%的體積摻量加入基準(zhǔn)組(S0)中對超高性能混凝土(UHPC)流動性和力學(xué)性能的影響。試驗過程先進行UHPC流動性測試；然后進行抗壓強度、抗彎強度和彎曲韌性試驗。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

試驗采用海螺牌P O42.5普通硅酸鹽水泥；宣城雙樂F類I級粉煤灰；細度模數(shù)為2.8的河砂；正源益清新材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SiO2含量92.54%，28 d活性指數(shù)為142.5%的硅灰；蘇州興邦化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率為28%；貝卡爾特的微細鍍銅圓直鋼纖維，性能見表1。

表1 鋼纖維參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計

UHPC水膠比為0.19，砂膠比為1.4，鋼纖維為分別以1.0%、1.5%、2.0%的體積摻量加入基準(zhǔn)組(S0)中，配合比見表2。

表2 配合比

1.3 試件制備

試件的成型按照以下順序：(1) 依據(jù)配合比準(zhǔn)備好材料。將膠凝材料、砂和減水劑投入攪拌機中干拌1 min；(2) 將水緩慢倒入工作中的攪拌機并持續(xù)攪拌5 min～6 min；(3) 采用人工均勻投入方式將鋼纖維在兩分鐘內(nèi)撒入漿體中，攪拌5 min。(4) 攪拌完成，進行UHPC坍落度和擴展度測試；(5) 坍落度和擴展度測試完畢后立即進行混凝土澆筑，澆筑完畢后振動15 s～25 s至密實狀態(tài)。試件成型完畢后，在20℃±2℃靜置2 d后拆模，將其置于 20℃±2℃、相對濕度 95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護3 d，取出試件并將其放入60℃熱水養(yǎng)護池中養(yǎng)護7 d，最后冷卻至室溫即養(yǎng)護完畢。養(yǎng)護完畢的試件即可進行力學(xué)性能測試與分析。

1.4 試驗方法

1.4.1 工作性能

根據(jù)《超高性能混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[13](T/CECS 864—2021)對摻鋼纖維的UHPC進行擴展度測試，如圖1所示。將新鮮的UHPC砂漿倒入模具直至填滿，將多余砂漿刮去后，將模具快速向上提。當(dāng)新鮮砂漿穩(wěn)定后，在沒有任何震動的情況下測量相互垂直的2個直徑并記錄，擴展度為數(shù)據(jù)平均值[14]。

圖1 擴展度測試

1.4.2 力學(xué)性能

根據(jù)《超高性能混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[13](T/CECS 864—2021)對UHPC的抗壓強度和抗彎強度進行測試。制備6個100 mm×100 mm×100 mm的試件為一組進行抗壓強度測試；制備3個100 mm×100 mm×400 mm的試件為一組進行抗彎全曲線測試，如圖2所示。

圖2 四點彎曲試驗

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼纖維體積摻量對UHPC工作性能影響

鋼纖維對UHPC坍落度和擴展度的影響如圖3所示。從圖中可以看出，不摻鋼纖維的UHPC(基準(zhǔn)組)坍落度和擴展度分別為265 mm、540 mm，流動性最好，鋼纖維的摻入對坍落度和擴展度有一定影響。當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.0%、1.5%和2.0%時，坍落度分別為260 mm、255 mm和240 mm，較基準(zhǔn)組分別下降了1.9%、3.8%和9.4%；擴展度分別為510 mm、490 mm和425 mm，較基準(zhǔn)組分別下降了5.6%、9.3%和21.3%。這是由于鋼纖維與基體之間產(chǎn)生黏結(jié)和摩擦，阻礙了UHPC的流動性[15]。此外，鋼纖維與基體之間形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進一步阻礙了UHPC的流動。由數(shù)據(jù)可知，隨著鋼纖維摻量增加，UHPC流動性呈下降趨勢。

圖3 鋼纖維摻量對UHPC坍落度和擴展度的影響

2.2 鋼纖維體積摻量對UHPC力學(xué)性能影響

2.2.1 鋼纖維體積摻量對UHPC抗壓強度影響

不同鋼纖維體積摻量UHPC的立方體抗壓強度見圖4。不摻鋼纖維的UHPC立方體抗壓強度為103.9 MPa，強度最低，當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.0%、1.5%和2.0%時，抗壓強度為116.7 MPa、120.2 MPa和123.7 MPa，分別提升了12.3%、15.5%和19.1%。鋼纖維的摻入對UHPC立方體抗壓強度有較大的提升，但隨著鋼纖維體積摻量從1.0%～2.0%，抗壓強度變化不大。

圖4 鋼纖維體積摻量對UHPC抗壓強度的影響

未摻入鋼纖維時，試件內(nèi)部存在較多孔隙和其他缺陷，受壓過程中為壓剪破壞，如圖5所示。未摻入鋼纖維的UHPC試件在受壓過程中，試件端面與壓板之間由于試件橫向膨脹受到約束而在接觸面上產(chǎn)生摩阻力，所以試件破壞時留下一個未被破壞的棱錐體且發(fā)生爆裂情況。當(dāng)有纖維加入試件中時，其亂向分布構(gòu)成三維骨架與UHPC共同承受外力，一方面鋼纖維能夠約束變形，產(chǎn)生“環(huán)箍效應(yīng)”，另一方面抗拉強度高的鋼纖維能夠抑制微裂紋的發(fā)展[15-16]。在此過程中，鋼纖維與基體不斷發(fā)生黏結(jié)滑移，鋼纖維與基體間良好的黏結(jié)力使其消耗了大量能量，因此試件抗壓能力提高。

圖5 UHPC受壓破壞形態(tài)

2.2.2 鋼纖維體積摻量對UHPC抗彎強度和彎曲韌性影響

UHPC破壞后的形態(tài)如圖6所示。UHPC試件受彎破壞時大多是單裂縫破壞并未出現(xiàn)明顯的多裂縫形態(tài)，這與曹明莉等[17]、張文華等[18]研究發(fā)現(xiàn)一致。由于使用的是表面光滑的短細圓鋼纖維，與混凝土基體沒有足夠的黏結(jié)，因此沒有形成多裂縫開裂形態(tài)。但是仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，主裂縫周邊的次生裂縫增加，在一定程度上提高了UHPC的抗彎能力。

圖6 不同纖維摻量的UHPC純彎段裂縫形態(tài)

不同鋼纖維摻量UHPC荷載-撓度曲線如圖7所示，參照規(guī)范[19]和規(guī)范[13]對圖7試驗結(jié)果進行分析，如表3所示。

表3 不同鋼纖維體積摻量UHPC荷載-撓度曲線的特征參數(shù)

圖7 不同鋼纖維體積摻量UHPC荷載-撓度曲線

含鋼纖維的UHPC受彎過程中在初裂后依然可以承受更高的荷載，這表明鋼纖維對 UHPC有較好的增強增韌效果。鋼纖維對UHPC峰值強度和撓度的影響如圖8所示。由圖8可知fp和δp受纖維摻量影響較大，當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%時，fp和δp分別為16.7 MPa和0.693 mm。當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.5%和2.0%時，fp為23.1 MPa和23.8 MPa，分別提高了38.3%和42.5%，δp為 0.766 mm和0.889 mm，分別上升了10.5%和28.3%。因此纖維摻量能顯著提高UHPC開裂后的性能，試件初裂后，外荷載主要作用在鋼纖維與基體黏結(jié)部分，隨著纖維摻量的增加，一方面纖維平均間距減小，更多纖維參與承受荷載并抑制微裂縫開展，另一方面黏結(jié)滑移特性進一步加強從而消耗更多能量，使得UHPC抗彎強度與其對應(yīng)的撓度得到了提高。

圖8 鋼纖維摻量對UHPC抗彎強度和其對應(yīng)撓度的影響

圖9 δ0.5、δ2.0處鋼纖維摻量對荷載的影響

圖10 鋼纖維摻量對韌性的影響

圖11 鋼纖維摻量對等效彎曲強度的影響

3 結(jié) 論

(1) 隨著鋼纖維體積摻量的增加，UHPC的流動性呈下降趨勢，抗壓強度、抗彎強度和彎曲韌性逐漸增大。

(2) 摻鋼纖維的UHPC較基體的抗壓強度有顯著的提升。鋼纖維體積摻量從1.0%增加到2.0%，UHPC抗壓強度提高了12.3%～19.1%。

(3) 隨著鋼纖維體積摻量的增加，抗彎強度和彎曲韌性的增長幅度減緩。從荷載-撓度曲線可知，鋼纖維體積摻量大于1.5%時對韌性變化影響不大。