王成啟，郭玉林，梁遠(yuǎn)博

(中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海200032)

眾所周知，混凝土是應(yīng)用最為廣泛的建筑材料。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程加快，2019年混凝土用量近24億m3。但普通混凝土存在結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、抗拉強(qiáng)度低、易開(kāi)裂、耐久性低等弱點(diǎn)，在工程結(jié)構(gòu)向大型化和高耐久性方向發(fā)展中凸顯。超高性能混凝土(ultra high performance concrete，UHPC)是由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、高強(qiáng)短纖維和減水劑等加水拌和而成的一種具有超高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的水泥基復(fù)合材料[1]，可有效減小工程結(jié)構(gòu)尺寸，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。因此，世界各國(guó)開(kāi)始逐漸重視UHPC的研究和應(yīng)用，各國(guó)的學(xué)者也大規(guī)模開(kāi)展配制技術(shù)與應(yīng)用研究，并已編制相關(guān)的設(shè)計(jì)指南。

在UHPC中加入纖維可以起到控制裂縫寬度、改善韌性和提高延性的作用，從而具有超高抗拉強(qiáng)度和高韌性。相比其他材質(zhì)的纖維，鋼纖維具有彈性模量大和抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn)，對(duì)混凝土性能的改善效果較為明顯[2]。鋼纖維幾何外形及摻量對(duì)UHPC的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，UHPC在荷載作用下的破壞模式基本為纖維拔出，與平直纖維相比，在UHPC中摻加異型纖維能獲得更好的極限拉伸強(qiáng)度[3]，端鉤型鋼纖維的外形構(gòu)造可提供較大的抗拔脫力，增加了UHPC的力學(xué)性能[4-5]。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)資料關(guān)于端鉤型鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC的性能影響還缺乏系統(tǒng)研究。為充分發(fā)揮鋼纖維在UHPC中的作用和配制出性能優(yōu)異的UHPC，本文開(kāi)展端鉤型鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC工作性和力學(xué)性能影響的研究，為UHPC配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。研制的UHPC可應(yīng)用于碼頭工程樁基裂縫或破損加固修復(fù)，替代傳統(tǒng)鋼套筒中灌漿材料，可省去鋼筋網(wǎng)片，從而簡(jiǎn)化施工和加快灌注施工。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1UHPC基體原材料

海螺水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；上海寶田新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)高爐礦渣粉；埃肯國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)的940硅灰；浙江江山博士龍建材有限公司生產(chǎn)的硫鋁酸鈣類(lèi)Ⅱ型膨脹劑；洞庭湖河砂，級(jí)配范圍為0.15～2.36 mm；蘇州市興邦建材有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，減水率大于30%；符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的混凝土拌和用水。

1.1.2鋼纖維

采用端鉤型鋼纖維，其抗拉強(qiáng)度為3.1 GPa，長(zhǎng)徑比選用57、60、73和100，幾何尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋼纖維主要參數(shù)

1.2 配合比

為保證UHPC的強(qiáng)度和耐久性，采用水泥、礦渣粉和硅灰組成膠凝材料，并摻入膨脹劑保證其體積穩(wěn)定性，水膠比為0.18，UHPC基體配合比見(jiàn)表2，并采用長(zhǎng)徑比為57、60、73和100的鋼纖維，纖維的體積摻量為2.0%，研究鋼纖維的幾何尺寸對(duì)UHPC性能的影響。

表2 UHPC基體配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1工作性能

工作性能試驗(yàn)按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.3.2抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.3.3彎曲韌性

(1)

1.3.4抗沖擊性能

抗沖擊試驗(yàn)采用落錘法，采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的DTM1000落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，制作400 mm×100 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的UHPC板，跨度為300 mm，落錘在跨中沖擊UHPC板，落錘質(zhì)量為3 kg，落錘高度為120 mm，記錄沖擊UHPC板的初裂次數(shù)和斷裂次數(shù)；在板的底部粘貼應(yīng)變片，以應(yīng)變突變時(shí)的沖擊次數(shù)作為初裂次數(shù)，以UHPC板出現(xiàn)貫穿裂縫的次數(shù)為斷裂次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性能

鋼纖維長(zhǎng)徑比與UHPC拌和物性能關(guān)系如圖1所示。可以看出，隨著長(zhǎng)徑比的增大，UHPC坍落度和擴(kuò)展度均不斷減小，含氣量不斷增大。在同等體積纖維摻量下，隨著纖維長(zhǎng)徑比增大，UHPC拌和物中纖維的長(zhǎng)度增大，數(shù)量較少，由此導(dǎo)致纖維與拌和物間發(fā)生的黏結(jié)和摩擦作用增大，纖維對(duì)UHPC擴(kuò)展阻力影響較大，從而使得UHPC拌和物的坍落度和擴(kuò)展度減小[7]，同時(shí)UHPC漿體氣泡不易排出，含氣量有所增大。

圖1 長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC拌和物性能影響

UHPC新拌漿體流動(dòng)的過(guò)程中，漿體會(huì)對(duì)鋼纖維施加力和力矩，鋼纖維根據(jù)流動(dòng)速度不同而發(fā)生旋轉(zhuǎn)并垂直于漿體流動(dòng)的方向，最終導(dǎo)致UHPC拌和物的流動(dòng)困難，發(fā)生邊壁效應(yīng)[8]，如圖2所示。因此隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，鋼纖維長(zhǎng)度相對(duì)較大，UHPC對(duì)鋼纖維的旋轉(zhuǎn)阻力增加，導(dǎo)致UHPC漿體擴(kuò)展相對(duì)困難，導(dǎo)致鋼纖維長(zhǎng)徑比較大的UHPC擴(kuò)展度下降，工作性能下降。

圖2 UHPC拌和物邊壁效應(yīng)

2.2 力學(xué)性能

2.2.1抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度

鋼纖維長(zhǎng)徑比與UHPC強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，隨著長(zhǎng)徑比的增大，UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均不斷增大。當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從50增加到60時(shí)，UHPC的28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了17.9%、3.0%；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從60增加到73時(shí)，UHPC的28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了6.3%、2.8%；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從73增加到100時(shí)，UHPC的28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了4.9%、2.2%。由此可見(jiàn)隨著長(zhǎng)徑比的增大，纖維對(duì)UHPC強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸下降。

圖3 長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC強(qiáng)度影響

2.2.2彎曲韌性

超高強(qiáng)混凝土伴隨著高脆性，應(yīng)改善其脆性和變形性能。超高性能混凝土中摻入鋼纖維可有效地降低其脆性和改善其彎曲韌性，而彎曲韌性可表征超高性能混凝土的韌性和耗能能力。進(jìn)行不同長(zhǎng)徑比鋼纖維UHPC彎曲韌性試驗(yàn)，彎曲韌性系數(shù)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯S著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，UHPC的彎曲韌性系數(shù)不斷增加，表明UHPC的韌性增加。鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC彎曲韌性系數(shù)的影響見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從57增加到60時(shí)，UHPC的彎曲韌性系數(shù)增長(zhǎng)了6.5%；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從60增加到73時(shí)，UHPC的彎曲韌性系數(shù)增長(zhǎng)了3.9%；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從73增加到100時(shí)，UHPC的彎曲韌性系數(shù)增長(zhǎng)了2.7%。因此，鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC彎曲韌性系數(shù)影響較大，且隨長(zhǎng)徑比的增加，彎曲韌性系數(shù)增長(zhǎng)率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

圖4 鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC彎曲韌性系數(shù)的影響

表3 不同長(zhǎng)徑比鋼纖維UHPC彎曲韌性測(cè)試結(jié)果

2.2.3抗沖擊性能

進(jìn)行不同長(zhǎng)徑比鋼纖維的UHPC抗沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯煌L(zhǎng)徑比的鋼纖維UHPC均具有良好的抗沖擊性能，隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，UHPC的抗沖擊的初裂次數(shù)、初裂能耗、斷裂次數(shù)和斷裂能耗均不斷增加，表明UHPC的抗沖擊性能不斷增強(qiáng)；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從57增加到60時(shí)，UHPC的初裂能耗和斷裂能耗分別增長(zhǎng)了60.0%和11.1%；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從60增加到73時(shí)，UHPC的初裂能耗和斷裂能耗分別增長(zhǎng)了25.0%和8.0%；當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比從73增加到100時(shí)，UHPC的初裂能耗和斷裂能耗分別增長(zhǎng)了10.0%和1.8%。因此，鋼纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC抗沖擊性能也產(chǎn)生明顯影響，且隨長(zhǎng)徑比的增加，抗沖擊初裂能耗和斷裂能耗增長(zhǎng)率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

表4 不同長(zhǎng)徑比鋼纖維UHPC抗沖擊測(cè)試結(jié)果

2.2.4討論分析

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在外力作用下，纖維與基體將產(chǎn)生相對(duì)滑移，通過(guò)基體與纖維之間剪切應(yīng)力將荷載傳給纖維。纖維的拉力與剪切力達(dá)到平衡時(shí)有：

(2)

(3)

(4)

式中：ff為纖維的應(yīng)力；lf為纖維的長(zhǎng)度；df為纖維的直徑；τ為纖維與基體間界面黏結(jié)強(qiáng)度。

由式(4)可以看出，纖維長(zhǎng)徑比和纖維與UHPC基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度是充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)和增韌的關(guān)鍵因素。適當(dāng)增大纖維長(zhǎng)徑比可有效提高UHPC的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能，但纖維長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)殚L(zhǎng)度較長(zhǎng)的纖維易于相互搭接團(tuán)聚而產(chǎn)生結(jié)團(tuán)，難以在UHPC中均勻分散，在攪拌過(guò)程中也易結(jié)團(tuán)，且鋼纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼筋間距較小的構(gòu)件澆筑產(chǎn)生一定的影響。因此，為了保證UHPC的工作性和施工性能，并使纖維在UHPC中發(fā)揮作用和保證強(qiáng)度，鋼纖維應(yīng)具有合適的長(zhǎng)徑比，一般控制在60～100。

除鋼纖維長(zhǎng)徑比外，纖維與基體界面黏結(jié)強(qiáng)度是有效發(fā)揮纖維作用的關(guān)鍵因素。測(cè)試了UHPC基體及鋼纖維與UHPC基體界面的微觀(guān)形貌，其掃描電子顯微鏡結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，UHPC基體集料與水化產(chǎn)物間形成緊密結(jié)構(gòu)，鋼纖維與UHPC基體界面致密，有效提升了鋼纖維與UHPC基體間黏結(jié)強(qiáng)度，可使鋼纖維緊密地鑲嵌在UHPC漿體中，加強(qiáng)漿體和集料的連接，進(jìn)而提高了UHPC的抗折、抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性和抗沖擊性能等宏觀(guān)性能。

圖5 UHPC微觀(guān)形貌

3 工程應(yīng)用

UHPC可應(yīng)用于碼頭工程樁基裂縫或破損加固修復(fù)。某碼頭工程樁基為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，由于碼頭受外力作用，大管樁出現(xiàn)裂縫和破損，采用鋼套筒壓力灌漿法進(jìn)行修復(fù)，鋼套筒與大管樁環(huán)形空間的間隙為50 mm。采用UHPC進(jìn)行灌注，采用長(zhǎng)徑比為60的鋼纖維，按照表2的配合比拌制UHPC進(jìn)行灌注施工，測(cè)得坍落度為270 mm、擴(kuò)展度為700 mm、3 h豎向膨脹率為0.15%、24與3 h膨脹率之差為0.08%，滿(mǎn)足灌注施工要求；測(cè)得UHPC的7、28 d的抗壓強(qiáng)度為121.8、145.9 MPa，測(cè)得7、28 d的抗折強(qiáng)度為22.5、26.5 MPa，具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度顯著高于60 MPa的常規(guī)要求，且大于管樁本體的抗壓強(qiáng)度。采用UHPC灌漿加固，可省去常規(guī)加固在鋼護(hù)筒環(huán)形空腔中放置的鋼筋網(wǎng)片，簡(jiǎn)化施工和加快灌注施工，加固效果良好。

4 結(jié)論

1)鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC工作性能產(chǎn)生一定影響，隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比增加，UHPC坍落度和擴(kuò)展度降低，流動(dòng)性下降，且鋼纖維易于相互搭接團(tuán)聚而產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，鋼纖維長(zhǎng)徑比不宜大于100。

2)鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性和抗沖擊等力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，且隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比增加，UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性和抗沖擊性能均不斷增大，但增大幅度均呈現(xiàn)不斷降低趨勢(shì)。

3)對(duì)鋼纖維在UHPC中的作用機(jī)理進(jìn)行分析，UHPC基體具有良好的密實(shí)性和強(qiáng)度，鋼纖維與UHPC基體具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度，鋼纖維的長(zhǎng)徑比是纖維增強(qiáng)作用的關(guān)鍵因素，鋼纖維的長(zhǎng)徑比宜控制在60～100，可有效保證UHPC的施工性能和力學(xué)性能。

4)UHPC在某碼頭工程樁基修復(fù)加固中獲得應(yīng)用，UHPC工作性滿(mǎn)足灌注施工要求，并具有較高的抗壓和抗折強(qiáng)度，加固效果良好。