纤维对抗冲磨超高性能混凝土性能的影响

丁庆军，耿雪飞，彭程康琰，张 恒，谯理格，赵明宇

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院， 武汉 430070；2.中建商品混凝土有限公司， 武汉 430200； 3.沈阳建筑大学材料科学与工程学院，沈阳 110168)

0 引 言

我国西部山区地势复杂，多深沟峡谷，桥梁建设量巨大，而山区多发泥石流、洪水等自然灾害，泥沙和石块等固体碎屑物流速快、流量大、破坏力强，桥梁墩柱和水工结构在山洪、泥石流冲磨和动荷载耦合作用下，服役一到两年，普遍出现钢筋保护层混凝土冲磨脱落和裂缝，造成巨大安全隐患和较高的维修成本。普通混凝土材料无法满足西部山区桥梁墩柱和水工建筑物严酷的服役环境，迫切需要开发高强度、高耐磨蚀性能和抗冲击韧性的混凝土材料，以用于桥墩等水工建筑物的新建和修补加固工程，提高严酷环境下桥墩和水工建筑物抗冲磨/冲击性能，延长服役寿命，降低后期维护成本，超高性能混凝土由于其优异的力学性能、抗冲击韧性和耐磨蚀性能而备受关注。提升混凝土抗冲磨性能的研究主要集中在集料、掺合料、外加剂、纤维等方面，其中纤维是影响其抗冲磨性能的重要因素，目前主流的纤维增强理论有Romualdi等提出的“纤维阻裂理论”和“纤维混合定律”[1]。Wille等[2]研究发现纤维能抑制混凝土早期水分流失和后期干燥收缩而产生的微裂纹，提升混凝土基体强度，进而改善混凝土的抗冲击韧性和耐磨蚀性能；宋文浚等[3]研究了不同种类纤维对混凝土抗冲磨性能的影响，发现聚乙烯醇纤维(PVA纤维)对混凝土的抗冲磨强度提升较为显著；Shen等[4-5]研究发现端钩钢纤维可有效改善混凝土开裂问题，为研究UHPC冲击开裂性能提供理论参考。目前，关于纤维混凝土抗冲磨材料的组成、结构与性能，国内外已有大量研究并应用于工程实践[6]，然而在我国西部山区强洪水泥石流冲击冲刷环境下，传统的混凝土抗冲磨材料在实际工程应用过程中抗冲磨强度不足的缺点日益凸显，C120及以上强度等级的超高性能混凝土抗冲磨研究相对缺乏。因此，基于纤维增强理论，进一步研究纤维对超高性能混凝土抗冲磨性能的影响规律和机制，开发高抗冲击韧性和高耐磨蚀性能的抗冲磨UHPC材料，具有实用价值。

选取镀铜长钢纤维、镀铜短钢纤维、多锚点钢纤维和PVA纤维，研究纤维种类、掺量和混掺方式对超高性能混凝土工作性能、力学性能和抗冲磨/冲击性能的影响。

1 实 验

1.1 原材料

(1)水泥：华新水泥股份有限公司P·O 52.5，表观密度3 070 kg/m2，其主要化学组成见表1，性能指标见表2。

表1 原材料主要化学组成Table 1 Main chemical composition of raw materials /wt%

表2 水泥性能指标Table 2 Performance indicators of cement

(2)硅灰：比表面积19 500 m2/kg，其主要化学组分见表1。

(3)粉煤灰微珠：28 d活性指数>90%，物理性能指标见表3。

表3 粉煤灰微珠的物理性能Table 3 Physical properties of fly ash microbeads

(4)纤维：纤维外观见图1，性能指标见表4。

(5)减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量30%，减水率30%。

(6)集料：机制砂，细度模数2.8，石粉含量5%，亚甲蓝值1.0。

(7)水：普通自来水。

图1 不同种类纤维图片
Fig.1 Different kinds of fiber pictures

表4 纤维主要性能指标
Table 4 Main performance indicators of fiber

Performance indicatorCopper plated short steel fiberCopper plated long steel fiberMulti-anchor steel fiberPVA fiberModelCW01-02/06CW01-02/13CW07-09/60-ExteriorMonofilamentMonofilamentEnd hooks-Density/(g/cm3)8.028.057.961.28Elastic modulus/GPa200-220200-220210-230-Nominal length/mm13222612Equivalent diameter/mm0.250.250.502dtexBreaking strength/MPa≥2 200≥2 000≥1 000cn/dtex ≥12Elongation at break/%≥10≥8≥106-8

1.2 试验方法

混凝土试样成型、脱模后，标准养护28 d，进行各项性能测试。

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)和《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)进行超高性能混凝土力学性能测试，抗压强度试样尺寸100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试样尺寸100 mm×100 mm×400 mm。

图2 抗冲击试验示意图(单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of impact resistance test(unit：mm)

参照《水工混凝土试验规程》(DLT 5150—2001)中水下钢球法进行超高性能混凝土抗冲磨性能测试，试验仪器为SJA-1混凝土抗冲磨(水下钢球法)测试仪，试样尺寸φ300 mm×100 mm，如图2所示。(1)试验前，将试样浸泡至少48 h；(2)试验时，取出后擦干明水，称其质量M1；(3)试样放入抗冲磨试验机中冲磨T=72 h，取出擦干明水，称其质量M2；(4)计算试样磨失量MT/kg，MT=M1-M2；(5)测定抗冲磨强度Ra/(h/(kg/m2))，Ra=T×A/MT，其中A为试样受冲磨面积/m2。

参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13：2009)进行抗冲击性能试验，抗冲击试样尺寸φ100 mm×50 mm。选用质量m=1 kg钢球在高度h=1 m的平台进行自由降落冲击混凝土试样，统计混凝土试样出现明显裂缝或开裂时的试验次数n，冲击功W=m×g×h×n。计算冲击功对抗冲击性能进行评价。

2 结果与讨论

2.1 纤维种类

分别制备单掺镀铜短钢纤维、镀铜长钢纤维、多锚点钢纤维和PVA纤维的超高性能混凝土试样，各组试验配合比如表5所示，试验结果如图3所示。

表5 试验配合比Table 5 Experimental mix ratio

图3 试样工作性能、力学性能、抗冲磨/冲击试验结果
Fig.3 Sample work performance, mechanical properties, anti-wear/impact test results

由图3可知，试验掺量下，镀铜短钢纤维制备的混凝土试样工作性能最优，扩展度为600 mm，坍落度为245 mm，而掺加镀铜长钢纤维、多锚点钢纤维和PVA纤维的试样工作性能依次降低。这是由于长钢纤维较短钢纤维与胶凝浆体的连接更紧，而多锚点钢纤维两端为波浪状，与平直状钢纤维相比，其与胶凝浆体的锚固连接作用更强。PVA纤维相对于钢纤维其本身密度小，较软且不易分散，在成型试样时，极易将胶凝浆体聚集于一体，影响试样的工作性能，故PVA纤维制备的试样工作性能低于其他各组钢纤维制备的试样的工作性能。

试验掺量下，多锚点钢纤维制备的试样力学性能、抗冲磨/冲击性能最优，其28 d抗压强度达144.5 MPa，28 d抗折强度达29.7 MPa，28 d抗冲磨强度达161.7 h/(kg/m2)，冲击功1 580 J。纤维在混凝土基体内三维乱向分布，与基体产生锚固粘结作用，形成纤维网络结构，限制微裂缝的发展以及宏观裂缝的产生，提升试样的力学性能。多锚点钢纤维由于其两端为波浪状，对裂缝的产生和发展有着更好的约束作用[5]，所以相比于平直型钢纤维，掺入多锚点钢纤维的混凝土抗压、抗折强度更高。并且多锚点钢纤维与基体的锚固粘结作用更好，在钢球的冲磨冲击作用下，混凝土磨蚀损耗最小，抗冲磨/冲击性能最优。PVA纤维对基体的作用主要体现在受压破坏时对试样表层胀裂的约束[7]，但PVA纤维本身强度过低，单掺PVA纤维混凝土试样的力学性能和抗冲磨/冲击性能低于单掺钢纤维的试样。

2.2 纤维掺量

试验选择多锚点钢纤维来探究纤维掺量对抗冲磨超高性能混凝土性能的影响，试验配合比如表6所示，试验结果如图4所示。

表6 试验配合比Table 6 Experimental mix ratio

由图4可知，试样的工作性能随多锚点钢纤维掺量的增加而降低。纤维掺量为2.0vol%时，扩展度、坍落度分别为580 mm、240 mm；而当纤维掺量为3.0vol%时，扩展度、坍落度分别仅为490 mm、220 mm，已难以满足常规泵送密实施工要求。多锚点钢纤维掺量越高，其与胶凝浆体的连接越强，形成的三维网络结构越紧密，且其掺量达3.0vol%时，纤维分散度小，分散均匀性差，导致工作性能降低。

图4 试样工作性能、力学性能、抗冲磨/冲击试验结果
Fig.4 Sample work performance, mechanical properties, anti-wear/impact test results

多锚点钢纤维掺量为2.5vol%以下时，随着其掺量的增加，混凝土力学性能和抗冲磨/冲击性能提升；纤维掺量由2.5vol%提升至3.0vol%时，混凝土试样力学性能提升幅度较小，抗冲磨/冲击性能反而下降。这是由于在试验范围内，纤维掺量较低时，纤维网络约束混凝土基体，极大地阻碍微观裂纹产生与宏观裂缝发展，纤维变形拔出和滑移可降低混凝土受力时的应力集中，进而提升混凝土力学性能，降低混凝土基体的冲磨磨损，提升其抗冲击韧性。但纤维掺量达到3.0vol%时，纤维分散度低，分散均匀性差，易结团，钢纤维与基体之间的界面粘结强度较低，对混凝土力学性能提升不显著，反而会降低混凝土抗冲磨性能[8]。

2.3 纤维混掺方式

制备长短混掺、长与多锚点混掺、短与多锚点混掺以及短与PVA混掺混凝土试样，研究不同混掺方式对试样的工作性能、力学性能和抗冲磨/冲击性能的影响规律，试验配合比如表7所示，试验结果如图5所示。

表7 试验配合比Table 7 Experimental mix ratio

图5 试样工作性能、力学性能、抗冲磨/冲击试验结果
Fig.5 Sample work performance, mechanical properties, anti-wear/impact test results

由图5和图3可知，混掺纤维试样的工作性能介于同掺量下两者单掺的试样之间，具有良好的力学性能和抗冲磨性能，混掺纤维试样较同掺量下单掺试样的抗冲击性能提升尤为显著。镀铜长钢纤维与多锚点钢纤维混掺制备的试样坍落度、扩展度分别为235 mm、560 mm，28 d抗压、抗折强度和抗冲磨强度达147.5 MPa、30.1 MPa和162.8 h/(kg/m2)，冲击功1 690 J，在具备良好力学、抗冲磨/冲击性能的同时，还具有良好的工作性能。

多锚点钢纤维和其他纤维混掺后与基体的勾连锚固粘结效果更佳，在混凝土受外力时，不同纤维的变形拔出和滑移释放局部应力[9]，混凝土整体吸能性能提升，减缓混凝土冲击破坏，混掺纤维的协同效应抑制了裂缝的产生和发展[10]。而镀铜长钢纤维与镀铜短钢纤维混掺，长纤维抑制宏观裂缝的发展，短纤维桥接微裂缝[11]，虽然没有多锚点钢纤维与基体的锚固粘结作用强，但长短混掺纤维相互耦合作用仍强于单一纤维作用。基于微观力学上的不同作用机制，将镀铜短钢纤维与PVA纤维混掺，当试样内部结构中出现微裂缝后，裂缝部位的两面基体退出承受荷载，改由横贯裂缝的镀铜短钢纤维和PVA纤维共同承担荷载，当镀铜短钢纤维与PVA纤维混掺时，纤维在成型过程中彼此缠绕在一起，形成一种支撑结构体系，从而减少基体的收缩和受到荷载作用前的初始内部缺陷以及内部存在的附加拉应力[9]，因此，镀铜短钢纤维与PVA纤维混掺试样的力学性能和抗冲磨/冲击性能优于单掺PVA纤维的试样。

3 结 论

(1)在掺量2.5vol%下，单掺镀铜短钢纤维时抗冲磨UHPC工作性能较优，单掺多锚点钢纤维时试样的力学性能和抗冲磨/冲击性能较优，单掺PVA纤维时试样的工作性能、力学性能和抗冲磨/冲击性能均低于单掺钢纤维的试样。

(2)在试验范围内，随多锚点钢纤维掺量的增加，混凝土抗冲磨/冲击性能先提升后降低，较优掺量为2.5vol%。

(3)纤维混掺可提升抗冲磨超高性能混凝土力学性能和抗冲磨/冲击性能。镀铜长钢纤维与多锚点钢纤维混掺时，抗冲磨UHPC的28 d抗压、抗折强度、抗冲磨强度和冲击功分别达147.5 MPa、30.1 MPa、162.8 h/(kg/m2)和1 690 J，且具有良好的工作性能。