王宇杰
(中國(guó)機(jī)械工業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京100045)
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)也稱(chēng)作活性粉末混凝土,是過(guò)去30 年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料之一,作為20 世紀(jì)后期誕生的新一代建筑材料,其具有超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性等優(yōu)異性能,UHPC 在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了土木工程材料性能的大跨越。UHPC同時(shí)也是一種力學(xué)性能優(yōu)越的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,已逐漸應(yīng)用于各類(lèi)工程中,并擁有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間[1-3]。
由于UHPC 生產(chǎn)成本高昂,其大范圍的推廣應(yīng)用備受限制?,F(xiàn)行UHPC 在配制的過(guò)程中摻入的纖維原材料主要為鋼纖維,這也是UHPC 生產(chǎn)成本較高的原因之一,而關(guān)于其他纖維類(lèi)制品在UHPC 中應(yīng)用效果的相關(guān)研究還較少。因此,在原材料上找到降本增效之路,積極探索研究其他纖維類(lèi)制品在UHPC 中的應(yīng)用,對(duì)降低UHPC 成本和今后UHPC 進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用具有重要意義[4-5]。
聚甲醛是一種高密度、高結(jié)晶的線(xiàn)形高聚物,具有優(yōu)異的綜合性能。用其制備的纖維能夠繼承聚甲醛的大部分優(yōu)點(diǎn)并能發(fā)揮聚甲醛潛在的優(yōu)勢(shì),具有高密度、高模量以及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性[6]。并且,聚甲醛纖維的摩擦系數(shù)小,與鋼纖維相比,其質(zhì)量較輕,耐久性十分優(yōu)異[7]。為探索除鋼纖維外的其他纖維制品在超高性能混凝土中的應(yīng)用效果,本文采用了不同摻量聚甲醛纖維配制UHPC 試件,研究了聚甲醛纖維對(duì)UHPC 工作性和力學(xué)性能的影響,對(duì)聚甲醛纖維在UHPC 中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。
試驗(yàn)過(guò)程中采用重慶云天化天聚新材料有限公司生產(chǎn)的聚甲醛纖維,按照廠家的建議摻量為0.9 kg/m3,本文試驗(yàn)過(guò)程中選取了廠家提供聚甲醛纖維建議摻量的0 倍、0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍和2 倍分別制備相關(guān)不同的UHPC 試樣。試驗(yàn)所用的膠凝材料分別是華潤(rùn)水泥(陽(yáng)春)有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5 水泥,河北金泰成公司的I 級(jí)粉煤灰以及成都東藍(lán)星有限公司生產(chǎn)的硅灰,骨料是選取了0~0.6 mm 的石英砂和0.6~1.25 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)所用減水劑為高性能減水劑,減水率35%,固含量26%。為保證UHPC 在高強(qiáng)度、高韌性的基礎(chǔ)上還具有良好的工作性,試驗(yàn)中統(tǒng)一采用水膠比0.18,并嚴(yán)格控制外加劑用量一致。通過(guò)試配確定實(shí)驗(yàn)配合比如表1 所示。
表1 實(shí)驗(yàn)配合比kg/m3
UHPC 試樣的制備按GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行,在實(shí)驗(yàn)前,應(yīng)將各種原材料分批稱(chēng)量好后倒入攪拌機(jī)中攪拌,在機(jī)器攪拌過(guò)程中將聚甲醛纖維均勻撒入,待試樣攪拌完畢后裝入試模中振搗成型。而后裝入試模,待試件成型后,統(tǒng)一放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù),到規(guī)定齡期進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中,UHPC 流動(dòng)度的測(cè)定采用坍落度法,按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》中的截錐金屬圓模進(jìn)行。在測(cè)定流動(dòng)度的試驗(yàn)過(guò)程中,按照規(guī)范要求,將試樣放置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng),控制好每組試樣過(guò)程所用時(shí)間和所采取操作的一致性,避免人為因素導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差出現(xiàn)。抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的測(cè)定按GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》進(jìn)行,采用40 mm×40 mm×160 mm 試件,測(cè)試試樣的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d 抗壓強(qiáng)度值和抗折強(qiáng)度值。在試驗(yàn)過(guò)程中利用秒表計(jì)時(shí)控制每組試件在配制過(guò)程中的攪拌時(shí)間一致。
不同體積摻量的聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土(UHPC)工作性的影響如表2 所示。
表2 聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土(UHPC)工作性的影響
從表2 中可以看出,隨著聚甲醛纖維摻量的增大,UHPC的流動(dòng)度不斷變化,總的來(lái)看,聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的工作性有明顯的改善作用。其中,當(dāng)聚甲醛纖維摻量為0.45 kg/m3時(shí),UHPC 的工作性最好。分析原因是當(dāng)聚甲醛纖維摻量在0.45 kg/m3時(shí),UHPC 整個(gè)體系的均勻性最好,內(nèi)部的黏聚性有一定程度的降低,從而工作性最好。當(dāng)摻量過(guò)大時(shí),UHPC 體系內(nèi)部的黏聚性增加,導(dǎo)致工作性變差。從而也能看出,當(dāng)聚甲醛纖維在超高性能混凝土中的摻量適宜時(shí),UHPC 的工作性能得到一定程度的改善,從而有利于施工。
不同體積摻量的聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土(UHPC)力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度)的影響分別如表3 和表4所示。
表4 聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土(UHPC)抗折強(qiáng)度的影響
從表3 可以看出,隨著聚甲醛纖維摻量的變化,UHPC 的抗壓強(qiáng)度值變化很小,說(shuō)明聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不大。分析原因是聚甲醛纖維摻入后,在UHPC受壓破壞過(guò)程中不能起到有效的阻抗作用,從而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度變化不大。
表3 聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土(UHPC)抗壓強(qiáng)度的影響
從表4 中可以看出,聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度具有明顯的改善作用。其中,與工作性相似,當(dāng)聚甲醛纖維的摻量為0.45 kg/m3時(shí),UHPC 的抗折強(qiáng)度最高。說(shuō)明聚甲醛纖維在UHPC 中能發(fā)揮增強(qiáng)、增韌和阻裂的效果[8-10]。當(dāng)UHPC受到抗折破壞的過(guò)程中,能觀察和聽(tīng)到UHPC 中聚甲醛纖維拉斷的聲響,說(shuō)明體系內(nèi)部的聚甲醛纖維能協(xié)同體系一起承擔(dān)拉應(yīng)力,從而在一定程度上提高了UHPC 的抗折強(qiáng)度。
為探索聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土工作性和力學(xué)性能的影響,為聚甲醛纖維在超高性能混凝土中的應(yīng)用提供參考,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出了相關(guān)結(jié)論如下:
1)聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的工作性有明顯的改善作用,并且,當(dāng)聚甲醛纖維摻量為0.45 kg/m3時(shí),UHPC 的工作性最好;
2)聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不大;
3)聚甲醛纖維對(duì)超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度具有明顯的改善作用,與工作性相似,當(dāng)聚甲醛纖維的摻量為0.45 kg/m3時(shí),UHPC 的抗折強(qiáng)度最高。
總的來(lái)看,聚甲醛纖維對(duì)改善UHPC 的工作性和力學(xué)性能具有重要意義,聚甲醛纖維能在一定程度上替代鋼纖維在UHPC 的應(yīng)用,從而起到降低超高性能混凝土生產(chǎn)成本和促進(jìn)超高性能混凝土進(jìn)一步推廣應(yīng)用的作用。