纤维对海砂超高性能混凝土性能的影响

倪博文，王晶，王祖琦，周永祥，宋普涛，黄政宇

（1.湖南大学，湖南 长沙 410082；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

在我国沿海地区，大规模的工程建设已经导致许多沿海城市面临河砂资源枯竭的困境，因此人们将注意力转移到了储量丰富的海砂上。我国拥有漫长的海岸线，各类砂体面积达34.2万km2，海砂储量1.6万亿t[1]，但海砂中较高的氯离子含量成为阻碍其作为混凝土骨料应用的主要问题。现阶段的研究成果和标准规范已表明，海砂通过淡化将氯离子含量控制在一定限值范围内，能够实现在建设工程中的安全利用。但是在离岸的岛礁等淡水资源短缺的条件下，海砂的淡化成本高，因此如何合理地利用海砂逐渐受到外研究人员的关注。

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）具有超高的力学性能、耐久性和极低的孔隙率[1-2]。超高性能混凝土所具有的优异性能为安全利用海砂提供了技术可行性。但国内外的研究多为采用河砂[4]、玻璃砂[5]、丘砂[6]、尾矿砂[7]替代石英砂制备UHPC，关于使用海砂替代石英砂制备UHPC的研究较少，而且，海砂贝壳含量、氯离子含量等有别于石英砂等骨料，所以海砂UHPC的配制技术需要开展研究工作。目前的研究成果[8]表明，合理掺用钢纤维或混掺一定比例的PVA纤维，能够明显改善UHPC脆性和收缩大的缺点，并提高力学性能。相应地，在使用海砂配制UHPC时，如何设计选择纤维种类与掺量也是需要研究的关键问题。

本试验对海砂UHPC配合比关键参数进行了系统的研究，同时研究了钢纤维和PVA纤维对海砂UHPC力学性能和工作性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：冀东水泥厂生产的P·O 52.5 R水泥；降粘增强剂：建研建材有限公司生产的CABR-J1型混凝土降粘增强剂，主要性能指标见表1；硅灰：比表面积大于18 000 m2/kg，SiO2含量大于92%；聚羧酸高性能减水剂：天津悦鸣，固含量39%，减水率≥30%；海砂：采自福建省附近海域，基本性能见表2，颗粒级配见表3，外观形貌见图1；纤维：钢纤维和高强高模PVA纤维，基本性能见表4。

表1 降粘增强剂的主要性能指标

表2 福建海砂的性能

表3 福建海砂的颗粒级配

图1 福建海砂的外观形貌

表4 钢纤维和高强高模PVA纤维的性能

1.2 试件制备

成型：采用水泥胶砂搅拌机进行搅拌，按照骨料、纤维、水泥、矿物掺合料的顺序进行加料，加料完成后干拌4 min，加入水和外加剂后继续搅拌6min至拌合物呈现较好的流态性能，搅拌完成后倒入40mm×40mm×160mm的模具成型胶砂试件。

养护制度：将成型好的试件在养护箱内标准养护48 h后拆模，之后在70℃恒温蒸汽下养护48 h，其中升温速率为12℃/h，降温速率为15℃/h，蒸汽养护完成后标养3 d进行力学性能测试。

1.3 试验方法

按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试胶砂试件的抗压和抗折强度，按GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试浆体的流动度。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比和砂胶比对海砂UHPC性能的影响

胶凝材料组成为70%水泥+15%降粘增强剂+15%硅灰，固定砂胶比为0.9。由于减水剂掺量过大时减水效率明显降低，还会明显延长混凝土的凝结时间，根据试验经验，减水剂最大掺量不宜超过5.0%，当水胶比为0.13时，减水剂掺量定为5.0%，为尽量保证相邻水胶比的工作性能相近，避免工作状态差别过大而影响相邻水胶比力学性能，水胶比增大时，减水剂掺量适当降低。水胶比对海砂UHPC性能的影响见表5。

表5 水胶比对海砂UHPC强度和流动度的影响

由表5可见，随水胶比增大，海砂UHPC的抗压和抗折强度先提高后降低，当水胶比为0.16时，海砂UHPC的抗压和抗折强度最高，分别为131.2、23.0 MPa。因此，选取0.16水胶比为最佳水胶比。

胶凝材料组成为70%水泥+15%降粘增强剂+15%硅灰，固定水胶比为0.16，减水剂掺量为3.0%，砂胶比对海砂UHPC性能的影响见表6。

由表6可见，随着砂胶比的增大，拌合物的流动性降低。当砂胶比在0.9～1.1内变动时，抗压强度波动较小，砂胶比为1.0时抗压、抗折强度最高，砂胶比过大或过小均会导致强度降低。综合考虑工作性能和力学性能，选取最佳砂胶比为1.0。

表6 砂胶比对海砂UHPC强度和流动度的影响

2.2 硅灰和降粘增强剂掺量对海砂UHPC性能的影响

固定砂胶比为1.0，水胶比为0.16，减水剂掺量为3%，硅灰和降粘增强剂掺量对海砂UHPC性能的影响见表7。

表7 硅灰和降粘剂掺量对海砂UHPC强度和流动度的影响

由表7可见，当硅灰掺量固定为20%时，随着降粘增强剂掺量的增加，拌合物的流动性逐渐提高，当降粘增强剂掺量为15%时抗压和抗折强度最高。当降粘增强剂掺量固定为15%时，硅灰掺量从15%增加到20%，由于增加了5%的硅灰掺量而导致拌合物的流动性降低，但增加硅灰掺量对抗压和抗折强度的提高效果并不明显，因此选定降粘增强剂掺量15%和硅灰掺量15%为最佳的掺合料体系。

2.3 纤维种类和掺量对海砂UHPC性能的影响

根据上述试验结果确定海砂UHPC的基准配合比为：胶凝材料由70%水泥+15%降粘增强剂+15%硅灰组成，水胶比为0.16，砂胶比为1.0，考虑到纤维对工作性能的不利影响，减水剂掺量从3.0%提高到4.0%。纤维种类和掺量对海砂UHPC性能的影响见表8。

表8 纤维种类和掺量对海砂UHPC强度和流动度的影响

2.3.1 单掺钢纤维

对比表8中1#～4#试件可知，随着钢纤维掺量的增加，拌合物的流动性降低，抗压和抗折强度均明显提高，并且对抗折强度的增强效果明显优于抗压强度。与不掺钢纤维的试件相比，钢纤维体积掺量为1.0%、1.5%和2.0%的抗压强度分别提高16.6%、36.6%和39.2%，抗折强度分别提高了45.3%、107.9%和114.5%，这是由于混凝土受到应力作用时，掺入钢纤维会阻碍UHPC内部裂纹的产生和扩展，约束了UHPC内部的变形，使基体的强度得到更充分的发挥，从而提高了UHPC的强度。而当钢纤维掺量从1.5%增加到2.0%时，钢纤维的增强效果不再明显提高。综合考虑力学性能和经济性，钢纤维的体积掺量宜为1.5%。

2.3.2 PVA纤维等体积取代钢纤维

对比表8中2#和8#试件可知，使用1.0%的PVA纤维等体积取代1.0%钢纤维，拌合物的流动性明显降低，抗压强度的变化幅度较小，但抗折强度降低了22.5%；与不掺纤维的1#试件相比，PVA纤维体积掺量为1.0%的试件抗压和抗折强度分别提高了15.8%和12.6%。因此，当对抗压和抗折强度要求不高或者不允许掺钢纤维时，可以选择单掺1.0%体积掺量的PVA纤维来满足海砂UHPC的韧性和抗裂性能等其他性能要求。

2.3.3 混杂纤维

对比表8中3#、5#～7#试件可知，钢纤维掺量固定为1.5%，随着PVA纤维体积掺量的增加，拌合物的流动性明显降低，当PVA纤维体积掺量增加到1.0%时甚至出现成型困难的情况。与3#试件相比，PVA纤维体积掺量为1.0%的7#试件抗压和抗折强度分别降低4.2%和13.0%；PVA纤维体积掺量为0.50%和0.75%时，抗压强度分别降低0.9%和3.0%，抗折强度则分别提高2.8%和3.9%。总体来说，当钢纤维体积掺量为1.5%时，复掺0.50%～0.75%的PVA纤维对海砂UHPC的力学性能影响不大，但流动性明显降低。

3 结论

（1）综合考虑力学性能和工作性能，海砂UHPC推荐的配合比为：胶凝材料由70%水泥+15%降粘增强剂+15%硅灰组成，砂胶比为1.0，水胶比0.16。

（2）随着单掺钢纤维体积掺量的增加，海砂UHPC的抗压和抗折强度提高，综合考虑海砂UHPC的力学性能和经济性，钢纤维的最优体积掺量为1.5%，与不掺钢纤维相比，抗压和抗折强度分别提高36.6%和107.9%。

（3）当钢纤维体积掺量为1.5%时，复掺0.50%～0.75%的PVA纤维对海砂UHPC的力学性能影响不大，但流动性明显降低。