朱德舉 ，李龍飛 ，周琳林 ，李安令 ，白夏楊 ，郭帥成

（1.綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙 410082；2.湖南省綠色先進土木工程材料國際科技創(chuàng)新合作基地（湖南大學），湖南 長沙 410082；3.建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙 410082）

利用海水海砂代替淡水和河砂制備混凝土，可以有效保護淡水資源以及減少河砂開采造成的環(huán)境破壞.由于海水海砂中氯離子會加速鋼筋的銹蝕，因此，海水海砂難以應用于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土體系.超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）［1］因其低滲透性和高氯離子固化能力，有望避免海水海砂引入造成的銹蝕問題.Teng 等［2］利用白水泥和經篩選后的海砂制備了超高性能海水海砂混凝土（Ultra-high performance concrete seawater seasand concrete，UHPSSC），發(fā)現(xiàn)海水和海砂的使用會降低UHPSSC流動性但能提高其早期強度.UHPC憑借其超高的強度、良好的韌性，以及優(yōu)異的耐久性［3-7］，已經引起了眾多學者的關注.UHPC通常使用優(yōu)質的石英河砂作為細骨料，但目前河砂資源日益枯竭，采用海砂代替河砂有望顯著降低UHPC 的制造成本［8］.

通常采用鋼纖維提升UHPC 的強度和韌性［9-10］.Tafraoui 等［11］研究表明，當水膠比固定時，受熱養(yǎng)護制度和鋼纖維摻量能夠顯著影響UHPC 的抗壓強度和抗折強度.除了鋼纖維以外，聚丙烯纖維［12］、聚乙烯纖維［13］、聚乙烯醇纖維［14］、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）［15］、耐堿玻纖［16］及玄武巖纖維［17］也是常用的增強纖維類型.其中UHMWPE 纖維具有比鋼纖維等更高的強度和與鋼纖維相當?shù)膹椥阅Ａ浚梢燥@著提升水泥基材料的抗裂性能和韌性［18-20］，而且UHMWPE 纖維不存在鋼纖維的銹蝕問題，更加適用于UHPSSC 的增強增韌.目前，UHMWPE 纖維主要應用于普通混凝土體系，研究主要集中在UHMWPE纖維增強混凝土構件（包括梁［21］、板［22］、墻［23］等）的抗爆和抗沖擊性能等方面.習海平等［24］進一步研究了UHMWPE 纖維對普通UHPC 的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)UHMWPE 纖維可以顯著提升其抗折強度，對抗壓強度的提升效果受到其長徑比的影響.目前針對UHMWPE 纖維提升UHPC 性能的研究還較少，采用UHMWPE纖維對UHPSSC的進行增強增韌的研究更是空白.

此外，Rougeron 等［25］認為混凝土配合比設計過程更像是一種技術而非一種科學.僅通過簡單計算和調整混凝土各組分摻量，并非設計混凝土配比的原理，合適的混凝土配比既能達到和易性要求，又能滿足力學性能、長期耐久性、經濟性以及生態(tài)等方面的要求.已有學者采用Taguchi設計、混料設計、正交設計、響應面法、單純形重心設計法等進行了相關研究.單純形重心設計法是一種效率較高的混料試驗統(tǒng)計模型，能根據(jù)試驗點和響應值給出響應曲線，具有較高的精度和可靠性.孫偉等［26］基于單純形重心設計法，提出了不同齡期抗壓強度與復合膠凝組成之間的定量數(shù)學解析式.

本文首先采用單純形重心設計法進行三元膠凝UHPC 體系的組分設計，采用海水海砂制備UHPC，通過單摻和混摻不同體積分數(shù)的短切UHMWPE 和鋼纖維，深入研究了纖維對UHPSSC 流動性、抗壓強度、抗折強度及彎曲性能的影響.

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

水泥（C）為湖南南方水泥公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；硅灰（S）的SiO2質量分數(shù)在97%以上；粉煤灰（F）為湖南電力粉煤灰開發(fā)公司生產的普通Ⅱ級粉煤灰.基于X 射線熒光（X-ray fluorescence，XRF）光譜分析得到水泥、硅灰、粉煤灰的化學成分，如表1 所示.海砂取自山東青島，其堆積密度為1 460 kg/m3，表觀密度2 610 kg/m3，壓碎值3.1%，含泥量1.6%，氯離子質量分數(shù)0.012%，硫酸根質量分數(shù)0.11%，貝殼質量分數(shù)為1.85%，篩分后保留1.18 mm 以下的顆粒用于制備UHPSSC.人工海水根據(jù)美國ASTM D1141 標準配制［27］，成分如表2 所示.減水劑采用西卡建材公司生產的聚羧酸型高效減水劑，減水率22%.短切超高分子量聚乙烯纖維及鋼纖維的性能指標如表3所示.

表1 膠凝材料的主要化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Main chemical composition of cementitious materials (mass fraction) %

表2 人工海水的化學成分Tab.2 Chemical composition of artificial seawater

表3 不同纖維的物理和力學性能Tab.3 Physical and mechanical properties of different fibers

1.2 試件制備

采用單純形重心設計法設計了C-S-F 三元膠凝體系混凝土的組成，如圖1 所示.目標性能可量化表征為各膠凝材料所占比例的函數(shù)F（x1，x2，x3）：

式中：xi為各膠凝材料的質量分數(shù).通過圖1 中7 組試驗值代入方程（1）可以得到基于所使用礦物摻和料對目標性能影響的系數(shù)βi，從而得到目標性能與礦物摻和料摻量之間的關系.在本試驗中，i=1時，代表水泥；i=2 時，代表硅灰；i=3 時，代表粉煤灰.固定水膠比0.2，砂膠率1.0，減水劑質量占膠凝材料質量的2%，根據(jù)圖1 膠凝材料組成計算UHPSSC 的配合比，如表4 所示.采用符號和其質量分數(shù)來命名配合比，例如C75S15F10代表該配合比為75%水泥+15%硅灰+10%粉煤灰.然后根據(jù)測得的流動度和力學性能，對UHPSSC 配合比進行優(yōu)化.進一步基于優(yōu)化得到的配合比研究纖維摻量對其綜合力學性能的影響，所選定的纖維體積分數(shù)分別為0%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%.文中試件編號 U0.3 表示UHPSSC 中摻入0.3% 體積分數(shù) 的UHMWPE 纖維；S0.3 表示UHPSSC 中摻入0.3%體積分數(shù)的鋼纖維；U0S0 表示UHPSSC 中摻入0%的UHMWPE 纖維及0%的鋼纖維，其他編號以此類推.

表4 UHPSSC的配合比設計（質量分數(shù)）Tab.4 Mix proportion design of UHPSSC（mass fraction）%

圖1 膠凝材料組成設計Fig.1 Composition design of cementitious materials

制備過程如下：先將水泥、硅灰、粉煤灰和海砂倒入攪拌機低速干拌3 min，隨后加入水和減水劑低速攪拌3 min，然后高速攪拌2 min，最后均勻加入纖維攪拌8 min.測完流動性后進行澆模，澆筑完成后在振動臺振動1 min，表面抹平后覆蓋保鮮膜，放至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24 h 后拆模，將試件放入80 ℃蒸養(yǎng)箱養(yǎng)護48 h，隨后冷卻至室溫進行相關力學性能測試.

1.3 性能測試

流動度測試參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005），抗折抗壓強度測試參考《水泥膠砂強度檢測方法》（GB/T 17671—1999），彎曲性能測試采用MTS微機控制電子試驗機（型號C43.304），加載方式為三點彎曲，跨距為100 mm，加載速率為0.5 mm/min，跨中撓度通過安置在試件中間底部的LVDT 進行記錄，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm.根據(jù)ASTM C1018-97［28］采用韌性指數(shù)表征試件開裂之后的耗能能力，韌性指數(shù)越高表示試件開裂后耗能越大.

2 結果與討論

2.1 三元膠凝組成的優(yōu)化與確定

基于單純形重心設計法，以流動度及抗折、抗壓強度為目標性能，將測試值（表5）代入公式（1），可分別建立UHPSSC 流動度（s）、抗壓強度（σc）、抗折強度（σb）與膠凝體系配合比之間的關系，如公式（2）～（4）所示.根據(jù)擬合的公式繪制三元等值線圖，定量表征流動度、抗壓強度和抗折強度隨膠凝組成的變化情況，如圖2 所示.由圖2（a）～（c）可知，在C-S-F 體系中，UHPSSC 的流動度隨著硅灰摻量的增加而降低，隨著粉煤灰摻量的增加而變大.由于硅灰粒徑比為100 nm 左右，顯著小于粉煤灰和水泥粒徑（20 μm 左右），其較高的比表面積需要更多膠凝材料包裹以保證流動性，因而會導致流動性降低；而粉煤灰為表面光滑的球狀顆粒，其滾珠效應能在一定程度上改善混凝土的流動性.UHPSSC 的抗壓強度隨著硅灰摻量的增加先增大，在摻量15%左右時達到最大，同時隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低.其抗折強度隨著硅灰摻量的增加而增大，同時隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低.這是因為硅灰和粉煤灰均可與水化產物Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應生成C-S-H 凝膠，促進混凝土的二次水化.此外，由于硅灰顆粒遠小于水泥顆粒，可以通過填充作用進一步提升水化產物的密實度.由于火山灰反應較慢，粉煤灰將降低混凝土的早期水化程度.

表5 基于三元膠凝體系的UHPSSC工作性能和力學性能Tab.5 Workability and mechanical properties of UHPSSC with ternary cementitious system

為同時保證UHPSSC 的流動度和強度，限定流動度達到240 mm 以上，抗壓強度和抗折強度分別不低于120 MPa 和12 MPa，可確定最佳硅灰摻量為10%～20%、粉煤灰摻量為0～15%、水泥摻量為70%～80%，如圖2（d）所示.采用膠凝材料m水泥∶m硅灰∶m粉煤灰=0.75∶0.15∶0.10，所制備的UHPSSC 流動度為260 mm，抗壓強度為123.6 MPa，抗折強度為12.02 MPa.

圖2 采用三元膠凝體系的UHPSSC的目標性能等值線圖Fig.2 Target performance contour plot of UHPSSC with ternary cementitious system

2.2 單摻UHMWPE及鋼纖維對UHPSSC性能的影響

圖3 給出了不同體積分數(shù)的UHMWPE 纖維及鋼纖維對UHPSSC 流動度的影響.隨著兩種纖維摻量的增加，UHPSSC 的流動度均會逐漸降低.這是由于纖維摻量增多，使?jié){體內部摩擦阻力增大，導致流動度顯著降低.摻入UHMWPE 纖維的UHPSSC 的流動度降低幅度更大，當UHMWPE 纖維體積分數(shù)從0%增加到0.3%和1.0%時，流動度由260 mm 分別降低到205 mm 和150 mm，降幅為21.2%和42.3%.與UHMWPE 纖維相比，當鋼纖維體積分數(shù)從0%增加到1.0%時，降幅僅有13.5%，其對UHPSSC 流動度的影響較小，且試件更易成型.這是因為鋼纖維較UHMWPE 纖維在UHPSSC 中的分散性更好，從而對其流動度影響較小，而UHMWPE 纖維表面憎水，從而分散均勻性較差，使UHPSSC的流動度降低明顯.

圖3 纖維體積分數(shù)對UHPSSC流動度的影響Fig.3 Effect of fiber volume fraction on the flowability of UHPSSC

圖4 為不同體積分數(shù)下的UHMWPE 纖維及鋼纖維對UHPSSC抗壓強度的影響.可以看出UHPSSC的抗壓強度隨著纖維摻量的增加均逐漸提升，原因在于UHMWPE 纖維或鋼纖維的摻入，可抑制UHPSSC 的裂縫萌生和發(fā)展，提升其抗壓強度.當UHMWPE 纖維和鋼纖維體積分數(shù) 從0%增加到1.0%時，UHPSSC 的抗壓強度由123.6 MPa 分別增加到140.6 MPa 和148.9 MPa，增幅為13.8%和20.5%.而在相同摻量下，相對于UHMWPE 纖維，摻入鋼纖維的UHPSSC 抗壓強度略高，表明鋼纖維對UHPSSC抗壓強度的提升效果優(yōu)于UHWMPE 纖維.原因在于UHMWPE 纖維在UHPSSC 中分散性相對較差，會增加其內部孔隙或缺陷，從而影響增強效果.

圖4 纖維體積分數(shù)對UHPSSC抗壓強度的影響Fig.4 Effect of fiber volume fraction on the compressive strength of UHPSSC

圖5 為單摻UHMWPE 纖維或鋼纖維的UHPSSC試樣荷載-位移曲線.對于不含纖維的UHPSSC 試件，其達到開裂荷載后發(fā)生脆性斷裂，而摻入纖維后UHPSSC 試件的抗彎強度和韌性均顯著提升.對于摻入UHMWPE 纖維的UHPSSC 試件，可同時觀測到初裂和二次峰值荷載.UHPSSC 試件初裂后，荷載主要通過纖維與水泥基材料界面橋聯(lián)作用承擔，橋聯(lián)作用隨著纖維摻量增加而增強，而初裂荷載主要由水泥基材料的開裂強度決定.當纖維體積分數(shù)達到1%時，UHPSSC 試件的二次峰值荷載會超過其初裂荷載.對于摻入鋼纖維的UHPSSC 試件，當纖維摻量較少時，試件開裂后，由于纖維的橋接作用不足以抵抗外荷載從而造成荷載的急促下降，隨后，裂紋沿試件高度擴展造成更多的纖維參與橋接作用，從而使荷載緩慢下降.而當纖維摻量較大時，試件開裂后，由于纖維的橋接作用明顯，荷載會繼續(xù)增大到極限荷載.圖6給出了不同纖維增強的UHPSSC試件破壞斷面形貌.可以看出，在不同摻量下，摻入UHMWPE纖維的UHPSSC 試件均為纖維滑移、拔斷破壞，摻入鋼纖維的UHPSSC 試件均為纖維拔出破壞.另外，相比于UHMWPE 纖維，UHPSSC 中的鋼纖維已發(fā)生不同程度的銹蝕，這主要是因為海水海砂中含有大量氯離子.然而，UHMWPE 纖維能夠耐氯鹽腐蝕，這使得其在UHPSSC 試件中幾乎無腐蝕.針對UHPSSC中存在鋼纖維銹蝕問題，需要進行針對性防銹處理.表6 列出了單摻UHMWPE 纖維或鋼纖維的UHPSSC 力學性能的變化情況.隨著纖維摻量的增加，UHPSSC 的抗折強度均逐漸提升.這是由于在UHPSSC 中摻入高強度的纖維，在受到彎曲荷載時，纖維可對UHPSSC 基體提供一定的橋聯(lián)應力，開裂后可在一定程度上抑制裂縫進一步發(fā)展，承擔基體開裂所釋放的部分應力，并通過充分發(fā)揮纖維和基體之間的黏結能力將所受荷載賦予側面還未破壞的部分，最后纖維被完全拔斷或拔出，UHPSSC 完全破壞.當UHMWPE 纖維體積分數(shù)從0%增加到1.0%時，UHPSSC 的抗折強度由12.0 MPa 增加到16.5 MPa，增幅達37.5%，其中體積分數(shù)從0%增加到0.7%時，增幅僅為12.1%，對抗折強度提升效果不太明顯，而體積分數(shù)從0.7%增加到1.0%時，抗折強度增幅達22.2%，對抗折強度提升效果較為明顯；當鋼纖維體積分數(shù)從0%增加到1.0%時，UHPSSC 的抗折強度由12.0 MPa 增加到22.4 MPa，增幅達86.7%，同樣鋼纖維體積分數(shù)從0.7%增加到1.0%時，其提升幅度顯著大于體積分數(shù)從0%增加到0.7%.而在相同摻量下，摻入鋼纖維的UHPSSC 抗折強度較UHMWPE 纖維略高，說明鋼纖維對UHPSSC 的增強效果優(yōu)于UHWMPE纖維.

圖5 單摻UHMWPE或鋼纖維的UHPSSC荷載-位移曲線Fig.5 Flexural load-displacement curves of UHPSSC reinforced with UHMWPE fiber or steel fiber

表6 單摻UHMWPE纖維或鋼纖維UHPSSC的彎曲力學性能Tab.6 Flexural mechanical properties of UHPSSC with UHMWPE fiber or steel fiber

圖6 單摻不同體積分數(shù)的UHMWPE或鋼纖維的UHPSSC破壞斷面形貌Fig.6 Failure morphologies of UHPSSC with different volume fractions of UHMWPE fiber or steel fiber

2.3 混摻UHMWPE和鋼纖維對UHPSSC性能影響

將體積分數(shù)為0.5%的UHMWPE 纖維與0.5%、1.0%的鋼纖維混摻，研究了兩者的混雜效應.圖7給出了混摻UHMWPE 和鋼纖維的UHPSSC 彎曲性能曲線，表7列出了不同摻量纖維的UHPSSC 流動度及抗壓強度和抗折強度.可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPSSC 的流動度略有下降，抗折和抗壓強度有很大提升，抗壓強度由127.1 MPa 增長到153.4 MPa，增幅達20.7%；抗折強度由12.8 MPa 增長到21.9 MPa，增幅達71.1%.混摻較單摻情況下，UHPSSC 的流動度有所下降，抗折、抗壓強度都有所提升.其中，單摻是指在UHPSSC 中僅摻入0.5%的UHMWPE 纖維，混摻是指在UHPSSC 中摻入0.5%的UHMWPE 纖維，并同時分別摻入0.5%或1.0%的鋼纖維.隨著鋼纖維摻量的增加，UHPSSC 的彎曲韌性、峰值荷載（強度）都大幅提升，說明混摻對其彎曲性能起到了顯著的增強增韌效果.混摻UHMWPE 和鋼纖維的UHPSSC 彎曲破壞斷面的形貌如圖8 所示.鋼纖維從基體中拔出，UHMWPE 纖維被拔斷，與單摻兩種纖維時UHPSSC的破壞形態(tài)基本相同.

圖7 混摻UHMWPE和鋼纖維的UHPSSC荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of UHPSSC reinforced with UHMWPE and steel fibers

表7 混摻UHMWPE和鋼纖維的UHPSSC工作性、抗壓強度和彎曲力學性能Tab.7 Workability，compressive strength and flexural mechanical properties of UHPSSC reinforced with UHMWPE and steel fibers

圖8 混摻UHMWPE和鋼纖維的UHPSSC破壞斷面形貌Fig.8 Failure morphologies of UHPSSC reinforced with UHMWPE and steel fibers

3 結 論

1）在水泥-硅灰-粉煤灰三元體系中，隨著硅灰摻量的增加，UHPSSC 的流動度逐漸降低；抗壓強度先增大后降低，在質量分數(shù)為15%時達到最大；抗折強度逐漸提升.隨著粉煤灰摻量的增加，UHPSSC 的流動度逐漸提高，抗壓強度和抗折強度均逐漸降低.膠凝材料組成最優(yōu)配比為m水泥∶m硅灰∶m粉煤灰=0.75∶0.15∶0.10.

2）單摻UHMWPE 纖維或鋼纖維，隨著纖維摻量的增加，UHPSSC 的流動度均會降低，其中前者的降低幅度大于后者；力學性能均提高.當纖維體積分數(shù)相同時，鋼纖維對其力學性能的增強效果更好，但鋼纖維發(fā)生銹蝕.

3）混摻UHMWPE 纖維和鋼纖維的UHPSSC 流動度略有下降，抗折強度、抗壓強度和彎曲韌性都大幅提高，起到了明顯的增強增韌效果.