林華明

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)往往無(wú)法滿足一些特殊要求，例如在地震、爆炸或大型機(jī)械作用下需要更高的抗震性能和韌性。因此，人們對(duì)于開(kāi)發(fā)出具有超高韌性的纖維混凝土產(chǎn)生了濃厚興趣。黃博滔[1]認(rèn)為超高韌性纖維混凝土材料（UHTCC）具有顯著的應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂特征。劉澤立[2]以UHTCC為研究對(duì)象，使用聚乙烯醇纖維（PVA）和改性聚丙烯纖維（PP）作為自變量，設(shè)計(jì)了20組配合比，并評(píng)估了UHTCC混凝土的耐久性能。另外，文韜[3]等改性PP纖維摻入量與超高韌性混凝土的抗折性能成正比。然而，在纖維含量較低時(shí)，整體材料可能缺乏足夠的纖維支撐來(lái)承受拉應(yīng)力。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)混凝土流動(dòng)狀態(tài)，按照2.06:1的質(zhì)量比復(fù)配20～40目和40～120目的石英砂，維持0.2的水膠比，摻入聚丙烯纖維1 kg/m3、鋼纖維200 kg/m3，不僅能賦予混凝土更強(qiáng)抗折性能，且能保障混凝土內(nèi)鋼纖維分布均勻。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的配合比，混凝土28d時(shí)能達(dá)到不低于130 MPa的抗壓強(qiáng)度和不低于35 MPa的抗折強(qiáng)度，滿足實(shí)際工程需要。

1 超高韌性纖維混凝土概述

超高韌性纖維混凝土是一種新型的復(fù)合材料，是通過(guò)在混凝土中添加特定類(lèi)型的纖維材料來(lái)增強(qiáng)其韌性和耐久性。此類(lèi)纖維包含鋼纖維、玻璃纖維、聚合物纖維等，它們與水泥基質(zhì)形成有效的協(xié)同作用，提供了優(yōu)異的力學(xué)性能[4]。該材料具有出色的抗裂性能和高強(qiáng)度，相比傳統(tǒng)混凝土，在抗拉、抗彎、抗沖擊等方面表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。

該材料的特點(diǎn)包含：（1）高韌性。通過(guò)添加纖維材料，使得混凝土在受力時(shí)能夠克服裂縫擴(kuò)展的傾向，從而提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和延展性。（2）抗裂性。由于添加了纖維材料，在混凝土內(nèi)部形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地阻止了裂縫的擴(kuò)展。即使在受到大幅度荷載時(shí)，UHTFRC也能夠保持較小的裂縫寬度。（3）高強(qiáng)度。纖維材料的添加不僅提高了混凝土的韌性，還增加了其整體強(qiáng)度。與傳統(tǒng)混凝土相比，具有更高的抗壓和抗彎強(qiáng)度，能夠承受更大的荷載。（4）耐久性。由于纖維材料的存在，超高韌性纖維混凝土具有出色的耐久性。能夠有效地抵御化學(xué)侵蝕、凍融循環(huán)和疲勞等外界環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損害。

2 超高韌性纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 主要原材料選擇

（1）水泥。常見(jiàn)的水泥類(lèi)型包括硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥等。在配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)所需的強(qiáng)度等級(jí)和工程要求，選擇適當(dāng)類(lèi)型和品種的水泥。（2）礦物摻合料。礦物摻合料是指將一定量的粉狀或顆粒狀非金屬無(wú)機(jī)物加入超高韌性纖維混凝土中，用于改善其力學(xué)性能和耐久性能[5]。常用的礦物摻合料包括粉煤灰、硅灰、礦渣粉等。在配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)超高韌性纖維混凝土的使用環(huán)境和要求，選擇適當(dāng)類(lèi)型和摻量的礦物摻合料。（3）石英砂。石英砂是超高韌性纖維混凝土中常用的細(xì)集料，其主要作用是填充膠凝材料之間的空隙，增加混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度。在配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)所需的流動(dòng)性、工作性能和力學(xué)性能等要求，選擇適當(dāng)級(jí)配和含水率的石英砂。（4）鋼纖維。鋼纖維是超高韌性纖維混凝土中重要的增強(qiáng)材料，其主要作用是增加混凝土的韌性和抗裂性能。常見(jiàn)的鋼纖維類(lèi)型包括直徑0.2～1.0mm的鋼絲或鋼筋。在配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)所需的韌性指標(biāo)和力學(xué)性能等要求，確定適當(dāng)長(zhǎng)度、直徑和摻量的鋼纖維。（5）聚丙烯纖維。聚丙烯纖維是超高韌性纖維混凝土中常用的增強(qiáng)材料之一，其主要作用是增加混凝土的韌性和抗裂性能。聚丙烯纖維具有良好的耐堿性和耐久性，在混凝土中分散均勻，并與水泥基體形成協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。在配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)所需的韌性指標(biāo)和力學(xué)性能等要求，確定適當(dāng)摻量的聚丙烯纖維[6]。（6）減水劑。減水劑是超高韌性纖維混凝土中常用的添加劑，其主要作用是調(diào)節(jié)混凝土的流動(dòng)性和工作性能。通過(guò)使用適當(dāng)類(lèi)型和摻量的減水劑，可以降低混凝土的黏稠度，提高流動(dòng)性，從而方便施工操作，并保證混凝土內(nèi)部纖維分散均勻。在配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)所需的流動(dòng)性、工作性能和力學(xué)性能等要求，選擇適當(dāng)類(lèi)型和摻量的減水劑。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 石英砂緊密堆積模型

圍繞3種石英砂開(kāi)展緊密堆積計(jì)算，其中石英砂1為20～40目、表觀密度2.626 kg/m3、緊密密度1.448 kg/m3、孔隙率0.448；石英砂2為80～120目，表觀密度2.368 kg/m3、緊密密度1.589 kg/m3、孔隙率0.339；石英砂3為40～120目、表觀密度2.474 kg/m3、緊密密度1.565 kg/m3、孔隙率0.367。

以式（1）為依據(jù)，參考3種石英砂表觀與緊密密度進(jìn)行最緊密堆積用量比的計(jì)算。

式中：ρ1、ρ2代表較粗、細(xì)砂表觀密度，kg/m3。經(jīng)理論推導(dǎo)后，以2.08:1的質(zhì)量比進(jìn)行石英砂1和2的復(fù)摻；以2.06:1的質(zhì)量比進(jìn)行石英砂1和3的復(fù)摻。

2.2.2 三元膠材體系組分用量比例的確定

為了確定復(fù)合膠凝材料的最緊密堆積特性，開(kāi)展最小需水量試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選定水泥和礦粉作為膠凝材料，使用硅灰來(lái)替代部分膠凝材料，探索不同取代量能轉(zhuǎn)變?cè)境睗?、固體狀態(tài)的拌合物為平坦均勻的漿體所需要最低用水量。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以觀察到，在硅灰分別為10%和15%的摻量時(shí)，有著基本相同的最小用水量。因此后續(xù)試驗(yàn)中選擇這兩組摻量展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

表1 水泥、礦粉、硅灰體系最小用水量

以下兩種膠凝材料比例進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）m（水泥）: m（礦粉）: m（硅灰）=72 : 18 : 10

（2）m（水泥）: m（礦粉）: m（硅灰）=68 : 17 : 15

然而，該方法只考慮了物理方面的最緊密堆積特性，并沒(méi)有考慮硅灰摻量對(duì)水泥水化過(guò)程的影響。在綜合考慮水化影響時(shí)，還需調(diào)整水泥與硅灰比例。

2.2.3 鋼纖維摻量

在實(shí)際工程中應(yīng)用超高韌性纖維混凝土?xí)r，需要考慮其抗壓和抗折等力學(xué)性能。使用高彈模的鋼纖維可以有效提升超高韌性纖維混凝土的力學(xué)特性。然而，并過(guò)多的鋼纖維也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。例如，隨著鋼纖維摻量的增加，超高韌性纖維混凝土的流動(dòng)性會(huì)變差，并出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。這是因?yàn)殇摾w維的存在會(huì)干擾混凝土的流動(dòng)性，使其變得更加黏稠[7]?？赡軙?huì)影響施工過(guò)程和材料的均勻性，且增加鋼纖維摻量也會(huì)導(dǎo)致成本上升。

基于以上考慮，最終選擇將鋼纖維體積摻量控制在2%。該摻量既能夠在一定程度上提升超高韌性纖維混凝土的力學(xué)性能，又不會(huì)對(duì)流動(dòng)性產(chǎn)生過(guò)大影響，并且相對(duì)成本較為合理。這樣可以確保超高韌性纖維混凝土在實(shí)際工程中發(fā)揮出最佳作用。

2.2.4 水膠比

在混凝土制備中，水膠比是一個(gè)重要的參數(shù)。如果水膠比過(guò)低，會(huì)影響混凝土的流動(dòng)性，影響水泥的水化。相反，如果水膠比過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部密實(shí)性下降，并對(duì)強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響[8]?；诖?，本次試驗(yàn)中選擇三種不同的水膠比進(jìn)行研究，分別為0.16、0.18和0.20。

2.3 初始配合比確定

表2列出超高韌性纖維混凝土初始配合比，其中摻加的鋼纖維為總體積2%的量，即200kg/m3，摻加的減水劑為膠凝材料質(zhì)量2.5%的量。

表2 超高韌性纖維混凝土配合比初步設(shè)計(jì)（kg/m3）

3 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果及力學(xué)性能測(cè)試

3.1 工作性能測(cè)試

超高韌性纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)中，骨料只包含超細(xì)砂。為了判斷所設(shè)計(jì)的配合比是否滿足工程現(xiàn)場(chǎng)澆筑需求，參考GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了流動(dòng)性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知，3#、4#、7#和8#初始工作狀態(tài)不佳，基本上沒(méi)有流動(dòng)性，拌合物成團(tuán)粘聚在一起，無(wú)法通過(guò)重力直接倒出攪拌鍋，因此并沒(méi)有獲得跳桌擴(kuò)展度數(shù)據(jù)。

通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，選用連續(xù)級(jí)配的石英砂1和石英砂2導(dǎo)致了流動(dòng)性變差。復(fù)配這兩種骨料后整體粒徑偏?。醇?xì)度偏大），影響級(jí)配連續(xù)性，從而導(dǎo)致拌合物流動(dòng)性下降。1#、2#、5#和6#由于復(fù)配石英砂1和3，級(jí)配連續(xù)性可觀，隨著水膠比的增大，流動(dòng)性明顯改善。尤其是0.20的水膠比時(shí)，流動(dòng)性非常好，能夠達(dá)到不低于250mm的跳桌擴(kuò)展度，且加入鋼纖維基本不會(huì)影響流動(dòng)性。

基于以上分析結(jié)果，配合比設(shè)計(jì)中，按2.06 : 1的質(zhì)量比復(fù)配使用石英砂1和3。

3.2 力學(xué)性能測(cè)試

為了評(píng)估超高韌性纖維混凝土的力學(xué)性能，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行測(cè)試。其中，正方體試件尺寸為100mm×100mm×100mm，長(zhǎng)方體試件尺寸為150mm×150mm×600mm。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002），對(duì)試件進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以看出，采用石英砂1和石英砂2復(fù)配的試樣在強(qiáng)度方面普遍較低，而采用石英砂1和石英砂3復(fù)配的試樣則具有更高的強(qiáng)度表現(xiàn)。這是因?yàn)檩^小粒徑的石英砂無(wú)法提供足夠的強(qiáng)度。另外，含氣量小于3.0%的試樣密實(shí)性更高，抗壓強(qiáng)度也有所提升。表明成型中，足夠的振動(dòng)時(shí)間是減少試塊內(nèi)部氣泡的決定性因素之一。

表3 不同配合比設(shè)計(jì)結(jié)果的力學(xué)性能

3.3 配合比優(yōu)化

根據(jù)上述試驗(yàn)確定優(yōu)化后的超高韌性纖維混凝土配合比9#為：水泥730 kg/m3、硅灰157 kg/m3、礦粉157 kg/m3、石英砂1 800 kg/m3、石英砂3 388 kg/m3、鋼纖維200 kg/m3、聚丙烯纖維1 kg/m3、用水208 kg/m3。摻加的減水劑為膠凝材料總質(zhì)量2.5%的量。

測(cè)試結(jié)果顯示，摻加較少的聚丙烯纖維，并不會(huì)對(duì)超高韌性纖維混凝土的工作性能產(chǎn)生顯著影響。工作性能測(cè)試確定相關(guān)參數(shù)為：220mm的坍落度、620mm的擴(kuò)展度，含氣量2.5%，倒坍時(shí)間1.9s。力學(xué)性能測(cè)試中，依照0.20的水膠比，選取初始配合比1#、5#以及優(yōu)化配合比9#進(jìn)行評(píng)估。具體的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 超高韌性纖維混凝土配合比優(yōu)化后的強(qiáng)度比對(duì)

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可以看出，從強(qiáng)度發(fā)展方面來(lái)看，超高韌性纖維混凝土密切關(guān)聯(lián)著水泥用量，增加膠凝體系中使用的水泥量時(shí)，會(huì)迅速提升混凝土強(qiáng)度。相較于初始配合比5#配比，9#水泥用量減少了22kg。然而，在各齡期的強(qiáng)度測(cè)試中，并沒(méi)有顯著差異。在對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益予以考慮的基礎(chǔ)上，確定為低水泥用量[9]。根據(jù)流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳用水量中的水膠比為0.19～0.20，施工實(shí)際中以具體情況為根據(jù)酌情調(diào)整。

4 結(jié)論

本文提出抗裂性能、延展性和能量吸收能力更強(qiáng)的超高韌性纖維混凝土配合比方案，在抗震、防爆以及修復(fù)老化結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)出了巨大的潛力，為進(jìn)一步推動(dòng)超高韌性纖維混凝土在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。研究主要得到以下結(jié)論：通過(guò)調(diào)整最小用水量法試驗(yàn)結(jié)果，確定膠凝材料中水泥：礦粉：硅灰=70 : 15 : 15的最佳質(zhì)量比。依據(jù)混凝土流動(dòng)狀態(tài)，按照2.06:1的質(zhì)量比復(fù)配20～40目和40～120目的石英砂，維持0.2的水膠比，摻入聚丙烯纖維1kg/m3、鋼纖維200kg/m3，不僅能賦予混凝土更強(qiáng)抗折性能，且能保障混凝土內(nèi)鋼纖維分布均勻。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的配合比，混凝土28d時(shí)能達(dá)到不低于130 MPa的抗壓強(qiáng)度和不低于35 MPa的抗折強(qiáng)度，滿足實(shí)際工程需要。

綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)超高韌性纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)和力學(xué)性能研究，為該材料在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。