龍珂炎LONG Ke-yan；孫潔SUN Jie；高佳欣GAO Jia-xin；孫夢(mèng)欣SUN Meng-xin；朱盈潔ZHU Ying-jie

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，工程界對(duì)混凝土性能的要求越來越高，經(jīng)過各國(guó)專家研究，超高性能混凝土（UHPC）于1994 年應(yīng)運(yùn)而生。超高性能混凝土有遠(yuǎn)大于普通混凝土的抗壓性能及韌性、耐久性和耐磨性。上世紀(jì)90 年代，湖南大學(xué)黃政宇[1]通過將活性摻合料加入到525 硅酸鹽水泥中，并加入高效減水劑和短鋼纖維，制配得到了抗壓強(qiáng)度超過200MPa 的超高性能混凝土。

然而UHPC 膠凝材料用量大、成本較高，因此國(guó)內(nèi)有學(xué)者[2-3]考慮在UHPC 中加入粗骨料，一定程度上減少膠凝材料用量，且由于骨料間的咬合作用和骨料與纖維間的錨固作用，提高了混凝土整體性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了粗骨料對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響，J.Ma 等[4]研究了有無粗骨料對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)粗骨料摻入可減少攪拌時(shí)間，含有粗骨料的UHPC 與無粗骨料的UHPC 間抗壓強(qiáng)度差別不明顯。黃維蓉等[5]采用河砂替代石英砂并添加粗骨料的方式研究了不同粗骨料摻量和粒徑對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響。

隨著纖維混凝土優(yōu)越的力學(xué)性能不斷被發(fā)現(xiàn)，將各類纖維引入混凝土中以提高混凝土抗裂、韌性等性能的研究越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者[4、6、7]關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)將PE纖維摻入含骨料超高性能混凝土的研究還較少。本文采用抗壓及劈裂抗拉試驗(yàn)研究含粗骨料的PE 纖維超高性能混凝土力學(xué)性能，進(jìn)而選出纖維最優(yōu)配比。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥：P.O 5.25 級(jí)普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表1、表2；硅灰：由河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司生產(chǎn)，比表面積21m2/g，其他指標(biāo)見表3；粉煤灰：由河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司生產(chǎn)，密度2.55g/cm3，其他指標(biāo)見表4；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%以上；石英砂：粒徑1～2mm；鋼纖維：鍍銅細(xì)微鋼纖維，直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm，密度7.85g/cm3；聚乙烯纖維：由深圳特力新材科技有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度10mm，密度970kg/m3；粗骨料：粒徑為4.5mm～16mm 人工碎石。

表1 水泥物理性能

表2 水泥化學(xué)成分及燒失量

表3 白色（98 含量）進(jìn)口微硅灰

表4 一級(jí)粉煤灰

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制備32 組超高性能混凝土立方體試塊，根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[8]和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]，確定UHPC 基準(zhǔn)配合比，見表5。文獻(xiàn)[10-11]研究表明鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC 力學(xué)性能影響不明顯。因此本試驗(yàn)不考慮鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)UHPC 力學(xué)性能影響，統(tǒng)一選取鋼纖維長(zhǎng)徑比為65，體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。選取聚乙烯纖維體積率為0%、0.3%、0.6%、0.9%，粗骨料體積率為0%、15%、30%、40%。根據(jù)試驗(yàn)因素與水平數(shù)，確定采用L16（45）正交表，正交試驗(yàn)因素與水平表見表6。

表5 試驗(yàn)用基準(zhǔn)配合比

表6 正交試驗(yàn)因素與水平表

1.3 試件制作及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)，經(jīng)前期適配，按以下步驟進(jìn)行攪拌：①將水泥、石英砂、硅灰和粉煤灰在內(nèi)全部干料倒入攪拌機(jī)干拌60s；②將75%溶有減水劑的水倒入攪拌機(jī)中，攪拌2～3min；③將PE 均勻撒入混合料中，加入剩余減水劑和水?dāng)嚢?min，并在攪拌時(shí)均勻撒入鋼纖維，直到達(dá)到較好流動(dòng)性；攪拌完成后裝入100mm×100mm×100mm 的三聯(lián)模具中進(jìn)行成型，在振動(dòng)臺(tái)上振搗30s 后抹平。室溫下靜置24h 后脫模并對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)；放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。

立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度按照GB/T50081－2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]采用SYE-2000A 壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。正交試驗(yàn)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 極差分析

對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表8、表9。

表8 抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果表

表9 劈裂抗拉強(qiáng)度極差分析結(jié)果表

根據(jù)極差分析結(jié)果，繪制因素指標(biāo)趨勢(shì)圖（圖1-圖6）。

圖1 抗壓強(qiáng)度與鋼纖維體積率關(guān)系

圖2 抗壓強(qiáng)度與PE 纖維體積率關(guān)系

圖3 抗壓強(qiáng)度與粗骨料體積率關(guān)系

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度與鋼纖維關(guān)系

圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度與PE 纖維關(guān)系

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度與粗骨料關(guān)系

由表7 可直觀分析，抗壓強(qiáng)度最大值組為16，對(duì)應(yīng)配比為A4B4C1，即鋼纖維體積率2.0%，聚乙烯纖維體積率0.9%，粗骨料體積率0%；劈裂抗拉強(qiáng)度最大值組為11，對(duì)應(yīng)配合比為A3B3C2，即鋼纖維體積率1.5%，聚乙烯纖維體積率0.6%，粗骨料體積率0%。

由表8 和表9 極差分析可知，三因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響順序均為：A＞B＞C，即鋼纖維＞聚乙烯纖維＞粗骨料，抗壓強(qiáng)度最優(yōu)配比為A4B4C2；劈裂抗拉強(qiáng)度的影響順序均為：A＞C＞B，即鋼纖維＞粗骨料＞聚乙烯纖維，劈裂抗拉強(qiáng)度最優(yōu)配比為A3B1C1。

由因素指標(biāo)趨勢(shì)圖可分析，對(duì)抗壓強(qiáng)度三因素Re值：A＞B＞C，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度三因素Re 值：A＞C＞B，即三因素對(duì)UHPC 力學(xué)性能影響與上述極差分析結(jié)果相同。

2.2 方差分析

為更精確地得出試驗(yàn)因素和誤差對(duì)結(jié)果的影響，在極差分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行方差分析。立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的方差分析見表10 和表11。

給出判定標(biāo)準(zhǔn)，若Fj＞f0.01（2，6）=10.92，則表示影響非常顯著，用***表示；若f0.01（2，6）=10.92＞Fj＞f0.05（2，6）=5.14時(shí)，則表示影響顯著，用**表示；若f0.01（2，6）=10.92＞Fj＞f0.10（2，6）=3.46 時(shí)，則表示有一定影響，用*表示；若Fj＜f0.10（2，6）=3.46 時(shí)，則表示無顯著影響。

由于立方體抗壓強(qiáng)度中MSB＜MSE，立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度中MSC＜MSE，即PE 纖維和粗骨料的均方均小于誤差均方，須將該因素并入誤差項(xiàng)e 記作新誤差項(xiàng)e△后作方差分析計(jì)算。

由表10 和表11 知，對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度，f0.01（2，6）=6.42＞FA＞f0.05（2，6）=5.14，鋼纖維體積率對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度有顯著影響；對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，f0.05（2，6）=5.14＞FA＞f0.10（2，6）=3.46，f0.10（2，6）=3.46＞FB，鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度有一定影響，粗骨料對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度無顯著影響，由立方體抗壓強(qiáng)度中的MSB＜MSE及立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度中的MSC＜MSE，即PE 纖維和粗骨料的均方均小于誤差均方，可知粗骨料和PE 纖維對(duì)超高性能混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均無明顯影響。

表10 立方體抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果表

表11 立方體劈裂抗拉強(qiáng)度方差分析結(jié)果表

2.3 PE 纖維對(duì)破壞形態(tài)的影響

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，對(duì)試塊施加壓縮荷載，未加入聚乙烯纖維的立方體試塊在達(dá)到破壞荷載時(shí)，試塊突然破碎并伴隨裂塊迸濺，為脆性破壞，而對(duì)于加入聚乙烯纖維的試塊，在施加荷載過程中，試塊先產(chǎn)生微裂縫，并逐漸擴(kuò)展，在達(dá)到破壞荷載后，試塊無裂塊迸濺，基體保持原有完整性，由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞；劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，未加入聚乙烯纖維的試塊在達(dá)到破壞強(qiáng)度后試件沿破裂面直接劈裂成兩塊，并發(fā)出巨大響聲，為顯著脆性破壞，加入聚乙烯纖維的試塊在加壓過程中不斷發(fā)出響聲，在達(dá)到破壞強(qiáng)度后未破碎，保持整體性。

2.4 原因分析

①查閱文獻(xiàn)[13]知，加入聚乙烯纖維后，由于纖維的橋接作用，在試件承受壓力時(shí)，橋架于裂縫之間的纖維在拉斷過程中消耗大量能量，抑制了混凝土基體中裂縫的生成和發(fā)展，使混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞，減小了試塊的損傷破壞程度，提高了其抵抗變形的能力，使其在達(dá)到破壞荷載后仍不破碎，維持試塊整體性。②由因素指標(biāo)趨勢(shì)圖可知，在0%至15%范圍內(nèi)，試塊抗壓強(qiáng)度隨粗骨料體積率增大而增大，當(dāng)體積率大于15%后，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[5]后分析，粗骨料在混凝土中作為剛性骨架與鋼纖維在錨固作用下增強(qiáng)混凝土整體性，增大立方體抗壓強(qiáng)度，而當(dāng)粗骨料體積率超過15%后，多余骨料造成聚乙烯纖維和鋼纖維結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致漿體內(nèi)結(jié)構(gòu)缺陷增多，立方體抗壓強(qiáng)度降低。③考慮因素指標(biāo)趨勢(shì)圖中聚乙烯纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯，結(jié)合方差分析的結(jié)論，并參考有關(guān)文獻(xiàn)[14-15]知，在摻有粗骨料的情況下，部分纖維包裹于粗骨料外層，未均勻分散在混凝土內(nèi)，造成離散性較大，強(qiáng)度無法保證。

3 結(jié)論

本文研究了聚乙烯纖維和粗骨料對(duì)超高性能混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，分析作用機(jī)理，得出如下結(jié)論：①聚乙烯纖維有較好的阻裂作用，能使超高性能混凝土在受壓情況下由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞，保持試塊整體性。②聚乙烯纖維對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用，當(dāng)聚乙烯纖維體積率為0.9%時(shí)平均抗壓強(qiáng)度最大提高了7.9%。③粗骨料在體積率為0%～15%范圍內(nèi)對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，當(dāng)體積率大于15%后，增強(qiáng)作用降低并出現(xiàn)降低抗壓強(qiáng)度的影響。