钢-聚丙烯混杂纤维增强超高性能混凝土强度试验研究

陈 倩，徐礼华，吴方红，曾彦钦，梁旭宇

(武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一种新型水泥基复合材料，其超高性能主要表现在良好的工作性能、超高的物理力学性能和优异的耐久性能。迄今，超高性能混凝土大致分为两类：一类是活性粉末混凝土(RPC)，不含粗骨料；另一类是含粗骨料的超高性能混凝土(CA-UHPC)。纤维增强混凝土是在混凝土复合的基础上(粗骨料、细骨料、水泥化合物等)再次复合的材料，通过掺入单相纤维或者同时掺加不同种类、不同含量或不同尺度的纤维来改善混凝土固有的抗拉强度低、脆性差等缺点。研究表明[1-2]，将聚丙烯纤维和钢纤维混杂加入混凝土后，两种纤维协同工作，纤维相互空间作用得到加强，能够形成工作性能良好的空间整体，进而使UHPC力学性能得到一定程度的改善和提高。然而，国内现有UHPC相关规范[3-4]仅对UHPC原材料、配合比设计、试验方法和结构设计与施工技术进行了规定，并未给出含纤维UHPC与基体混凝土强度的理论关系以及纤维增强UHPC本构模型。对于钢-聚丙烯混杂纤维增强超高性能混凝土这样一种相当复杂的多相复合材料而言，其本构关系的研究无疑将成为其整体发展的重要制约因素，而基本强度为本构模型建立的基础，因此，系统地研究钢纤维和聚丙烯纤维各参数对UHPC拉压基本强度的影响以及混杂纤维UHPC与基体混凝土强度之间的关系对于推进UHPC的工程实践应用具有重要意义。

自1994年“超高性能混凝土”的概念[5]提出以来，国内外学者对超高性能混凝土材料制备与力学行为进行了大量研究，陈宝春[6]、阁培渝[7]、冯乃谦[8]、Shi[9]等学者都对其进行了系统的综述分析。目前，国内外研究学者对超高性能混凝土力学性能的研究主要集中在抗压性能[10-12]、抗拉性能[13]、弯曲韧性[14-15]、抗冲击性能[16]等方面，普遍考虑了纤维掺量、长径比，纤维形状及类型，养护方式，温度等因素的影响。文献[1,14,17-19]通过试验研究了钢纤维掺量对RPC和超高强混凝土(UHSC)力学性能的影响。研究表明，高模量的钢纤维对提高RPC和UHSC力学性能具有显著效果，钢纤维的掺入提高了RPC抗压和抗折强度，尤其对抗折强度的提高非常明显。文献[20-25]在混凝土中加入聚丙烯纤维，通过试验研究表明，由于聚丙烯纤维弹性模量较低，在混凝土中不能起到承力骨架作用，因而单掺聚丙烯纤维对混凝土强度无明显提升作用，但聚丙烯纤维可桥接微裂纹，抑制裂纹扩展，从而增强混凝土延性。文献[1-2]将聚丙烯纤维和钢纤维混杂加入RPC中，研究表明，在适当掺量的条件下，钢纤维与聚丙烯纤维混杂RPC的力学性能要优于单掺任何一种纤维的RPC，更优于不掺纤维的RPC。以上研究对指导UHPC力学性能研究方向具有重要意义，但也有着试验数据较少、数据点较离散、模型通用性不够的问题。

本文通过立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验，系统地分析钢纤维体积率、聚丙烯纤维体积率和长径比等参数对UHPC强度的影响，并基于试验结果运用多元回归分析，建立了考虑纤维参数的UHPC立方体抗压强度预测模型，提出了UHPC轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系式，为工程设计提供参考。

1 实 验

1.1 配合比设计

文献[26-27]研究表明，钢纤维长径比对UHPC力学性能的影响不明显，体积率小于1.50%的钢纤维对UHPC增强增韧效果不明显，体积率大于2.00%的钢纤维不易分散且造成UHPC流动性较差。因此，本文试验不考虑钢纤维长径比对UHPC力学性能的影响，统一选取钢纤维长径比为60，钢纤维体积率Vsf分别为1.50%、1.75%、2.00%。选取聚丙烯纤维体积率Vpf为0.05%、0.10%、0.15%，长径比为167、280、396。根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[3]和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[28]，确定了UHPC基准配合比，见表1。

表1 基准配合比Table 1 Designed concrete mix proportions

为研究钢纤维体积率、聚丙烯纤维体积率和长径比对UHPC力学性能指标的影响，本次试验共设计了19种配合比，各配合比主要参数见表2。每个配合比设计3个100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块用于轴心抗压试验，3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块用于立方体抗压试验，3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块用于劈裂抗拉试验。

表2 试块主要参数Table 2 Main parameters of specimens

Note: S represents steel fiber; PA, PB, PC represents polypropylene fiber with aspect ratio of 167, 280, 396, respectively.

1.2 试验材料

图1 纤维外形图Fig.1 Pictures of fibers shape

采用武汉新途工程纤维制造有限公司生产的钢纤维和聚丙烯纤维，其物理力学性能见表3，外观特征见图1。基体混凝土材料组成为：P·O 52.5级的普通硅酸盐水泥、河砂(中砂，最大粒径为5 mm)、硅粉(二氧化硅含量大于95%，平均粒径为0.1～0.2 μm，堆积密度为2.626 g/cm3)、粉煤灰(Ⅰ级，比表面积800 m2/kg，堆积密度为1.9 g/cm3)、高效减水剂(聚羧酸系高性能减水剂，减水率>37%)。经X射线荧光光谱仪分析，水泥、硅灰、粉煤灰的主要化学成分见表4。

表3 纤维参数及物理力学性能Table 3 Parameters, physical and mechanical properties of fibers

表4 胶凝材料的主要化学成分Table 4 Main chemical composition of the cementitious materials /%

1.3 试块制作

为使SF和PF均匀分散，采用强制式单卧轴混凝土搅拌机，经过前期试配，UHPC按照以下步骤进行搅拌：(1)将包括中砂、水泥、硅灰、粉煤灰在内的全部干料倒入搅拌机搅拌2 min；(2)将70%的高效减水剂加入全部水中搅拌均匀，随后倒入搅拌机中搅拌5 min，使胶凝材料全部成为可流动的浆体；(3)将SF和PF均匀地撒入混合料中，持续搅拌2 min；(4)根据拌合物的流动性适量加入剩余的高效减水剂，直到达到较好的流动性。搅拌完成后，将混凝土装入塑料混凝土试模中，在振动台上振捣30 s后抹平，在试模表面覆盖一层保鲜膜。在室温下静置养护24 h后脱模并对试件进行编号，放入标准养护室中养护28 d。

1.4 加载装置与加载制度

立方体抗压强度试验依据规范[3]，在量程为3 000 kN的YAW-3000微机控制电液伺服压力试验机上进行，加载速率为1.3 MPa/s。劈裂抗拉强度试验参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[29]，在量程为300 kN的SHT5605-P微机控制电液伺服万能试验机上进行，加载速率为0.09 MPa/s。轴心抗压强度试验参考CECS 13—2009《纤维混凝土试验方法标准》[30]，在量程为1 500 kN的RMT-301岩石与混凝土力学试验机上进行。正式加载前先进行预压，预压荷载约为破坏荷载的40%(300 kN)，以5 kN/s的加荷速率进行两次反复加卸载后，再次调整位移传感器位置使其读数不超过1 mm。正式加载采用变形控制，加载速率为0.001 mm/s，直到试块完全破坏或轴向位移达到3.5 mm停止试验。

2 结果与讨论

2.1 纤维对立方体抗压强度的影响

各试块强度试验结果见表2。掺入钢纤维和聚丙烯纤维后，UHPC立方体抗压强度有所提高。相比于素UHPC，当掺入钢纤维体积率为1.50%～2.00%、聚丙烯纤维体积率为0.05%～0.15%时，立方体抗压强度提高幅度最高可达36.3%。

2.1.1 钢纤维体积率的影响

图2所示为钢纤维长径比(lsf/dsf)为60、聚丙烯纤维长径比(lpf/dpf)为167的UHPC中，钢纤维体积率(Vsf)对UHPC立方体抗压强度(fcu)的影响。由图可知，掺入适量钢纤维可以提高UHPC立方体抗压强度。试验参数范围内随着Vsf增加，fcu略有减小。分析其原因为，尽管钢纤维的加入可以通过阻止裂缝发展而起到增强作用，但钢纤维不易搅拌均匀，易出现纤维成团现象而降低混凝土密实性，使混凝土内部缺陷增多，当钢纤维掺量越大时，越易出现纤维成团现象(见图3)，从而使钢纤维的特性没有得到充分发挥，导致高掺量的UHPC强度反而低于较低掺量。图2中所示掺入钢纤维和0.10%聚丙烯纤维的PA10组fcu高于P0组，这表明与单一钢纤维相比，由钢纤维和0.10%聚丙烯纤维组成的混杂纤维对UHPC立方体抗压强度增强效果更好。

图2Vsf对UHPC立方体抗压强度的影响
Fig.2 Effect of steel fiber volume fraction on cubic compressive strength of UHPC

图3 钢纤维成团现象
Fig.3 Picture of fiber cluster

2.1.2 聚丙烯纤维的影响

图4所示为聚丙烯纤维 (Vpf、lpf/dpf)对fcu的影响。由图4(a)可知，Vpf=0.10%的聚丙烯纤维对UHPC立方体抗压强度的效果为提高，提高幅度为1.2%～9.0%；Vpf=0.05%和Vpf=0.15%的聚丙烯纤维会略微降低UHPC立方体抗压强度，降低幅度分别为0.8%～3.8%和3.6%～6.9%。故按照Vpf对fcu提高幅度排序为：0.10%>0%>0.05%>0.15%。0.10%聚丙烯纤维和钢纤维混掺对UHPC立方体抗压强度有正混杂效应。文献[2,23,31-32]对混杂纤维混凝土的研究也得出了将钢纤维与0.10%聚丙烯纤维进行混掺可获得较好力学性能的结论。由图4(b)可知，lpf/dpf=167的聚丙烯纤维可提高UHPC的立方体抗压强度，提高幅度为1.2%～9.0%；lpf/dpf=280和lpf/dpf=396的聚丙烯纤维会降低UHPC立方体抗压强度，降低幅度分别为8.5%～11.6%和12.7%～22.3%。故按照lpf/dpf对fcu提高幅度排序为：167>0>280>396。长径比为167的聚丙烯纤维和钢纤维混掺对UHPC立方体抗压强度有正混杂效应。文献[33]对钢-聚丙烯混杂纤维普通混凝土的研究也得出了长径比为167的聚丙烯纤维对混凝土轴心抗压强度和劈裂抗拉强度的影响优于396的结论。综上可以得出对UHPC立方体抗压强度最优的聚丙烯纤维配比为PA10(长径比167，体积率0.10%)。

图4 聚丙烯纤维对UHPC立方体抗压强度的影响
Fig.4 Effect of polypropylene fiber on the cubic compressive strength of UHPC

2.2 纤维对轴心抗压强度的影响

各试块强度试验结果见表2。掺入钢纤维和聚丙烯纤维后，UHPC轴心抗压强度有所提高。相比于素UHPC，当掺入钢纤维体积率为1.50%～2.00%、聚丙烯纤维体积率为0.05%～0.15%时，轴心抗压强度提高幅度最高可达31.9%。

2.2.1 钢纤维体积率的影响

图5 钢纤维体积率对UHPC轴心抗压强度的影响Fig.5 Effect of steel fiber volume fraction on the axial compressive strength of UHPC

图5所示为lsf/dsf=60、lpf/dpf=167的UHPC中，钢纤维体积率(Vsf)对UHPC轴心抗压强度(fc)的影响。可以看出，掺入适量钢纤维可以提高UHPC轴心抗压强度，Vsf为1.50%、1.75%和2.00%的UHPC比素UHPC的fc分别提高了13.1%～31.9%、11.2%～15.6%和0.7%～3.9%。Vsf对fc提高幅度排序为：1.50%>1.75%>2.00%>0%。这一规律与立方体抗压强度相同。

2.2.2 聚丙烯纤维的影响

图6所示为聚丙烯纤维(Vpf、lpf/dpf)对轴心抗压强度(fc)的影响。由图6(a)可知，掺入0.10%聚丙烯纤维可提高UHPC轴心抗压强度，提高幅度为2.2%～4.5%；掺入0.05%和0.15%聚丙烯纤维会略微降低UHPC轴心抗压强度，降低幅度分别为0.7%～6.6%和0.5%～10.4%。故按照Vpf对fc提高幅度排序为：0.10%>0%>0.05%>0.15%。由图6(b)可知，掺入长径比为167的聚丙烯纤维可以提高fc，提高幅度为2.2%～4.5%；掺入lpf/dpf为280和396的聚丙烯纤维会降低fc，降低幅度分别为4.5%～11.4%和17.3%～27.1%。按照lpf/dpf对fc提高幅度排序为：167>0>280>396。故对UHPC轴心抗压强度最优的聚丙烯纤维配比为PA10(长径比167，体积率0.10%)。这一结论与立方体抗压强度相同。

图6 聚丙烯纤维对UHPC轴心抗压强度的影响
Fig.6 Effect of polypropylene fiber on the axial compressive strength of UHPC

2.3 纤维对劈裂抗拉强度的影响

各试块强度试验结果见表2。掺入钢纤维和聚丙烯纤维后，UHPC劈裂抗拉强度有显著提高。相比于素混凝土，当掺入钢纤维体积率为1.50%～2.00%、聚丙烯纤维体积率为0.05%～0.15%时，劈裂抗拉强度提高了378%～539%(9.48～13.52 MPa)。

2.3.1 钢纤维体积率的影响

图7 钢纤维体积率对UHPC劈裂抗拉强度的影响Fig.7 Effect of steel fiber volume fraction on the splitting tensile strength of UHPC

图7所示为lsf/dsf=60、lpf/dpf=167的UHPC中，钢纤维体积率(Vsf)对UHPC劈裂抗拉强度(ft,s)的影响。由图可知，掺入适量钢纤维可显著提高UHPC劈裂抗拉强度。Vsf为1.50%、1.75%和2.00%的UHPC比素混凝土ft,s分别最大提高了506%(约12.69 MPa)、539%(约13.52 MPa)和523%(约13.11 MPa)。这主要得益于钢纤维较高的弹性模量和抗拉强度以及钢纤维与水泥基体之间良好的粘结作用。在等拉应变情况下，钢纤维对混凝土有较强约束作用，进而阻止UHPC裂缝形成及发展[34]，同时，钢纤维可以起到桥接裂缝的作用，钢纤维与水泥基体之间的粘结可以将开裂面荷载传递至未开裂面，进而有利于UHPC劈裂抗拉强度的提升。按照Vsf对ft,s提高幅度排序：1.75%>2.00%>1.50%>0%。试验参数范围内随着Vsf增加，ft,s显著提高，在Vsf为1.75%时达到最高，超过1.75%后略有下降。分析其原因，当Vsf超过1.75%达到2.00%时，钢纤维掺量较大，搅拌时容易成团，造成混凝土密实度下降、和易性降低，内部缺陷增多，而导致钢纤维增强增韧特性没有得到充分发挥。

2.3.2 聚丙烯纤维的影响

图8所示为聚丙烯纤维(Vpf、lpf/dpf)对UHPC劈裂抗拉强度(ft,s)的影响。由图8(a)可知，掺入体积率为0.10%的聚丙烯纤维可以提高UHPC劈裂抗拉强度，而另两个掺量聚丙烯纤维作用为降低，降低幅度分别为0%～8.7%和1.4%～10.8%。故按照Vpf对ft,s提高幅度排序为：0.10%>0%>0.05%>0.15%。文献[20,35]对RPC的研究也得出了掺入Vpf为0.10%的聚丙烯纤维可以提高ft,s的结论。由图8(b)可知，掺入lpf/dpf为167的聚丙烯纤维可以提高ft,s，掺入lpf/dpf为280和396的聚丙烯纤维会降低ft,s，降低幅度分别为7.6%～8.8%和13.0%～19.7%。故按照lpf/dpf对ft,s提高幅度排序为：167>0>280>396。综上可以得出对UHPC劈裂抗拉强度最优的聚丙烯纤维配比为PA10。综合拉压强度，试验参数范围内最佳纤维配比为，体积率为1.50%的钢纤维和长径比为167、体积率为0.10%的聚丙烯纤维混掺，即本文编号为S15PA10的UHPC试块，其标准养护条件下立方体抗压强度可达124.3 MPa，轴心抗压强度可达122.8 MPa，劈裂抗拉强度可达15.19 MPa。

图8 聚丙烯纤维对UHPC劈裂抗拉强度的影响
Fig.8 Effect of polypropylene fiber on the splitting tensile strength of UHPC

3 强度预测模型与强度转换式

3.1 立方体抗压强度预测模型

由试验结果可知，钢纤维和聚丙烯纤维对UHPC立方体抗压强度均有影响。根据复合材料力学混合律，将UHPC看作由基体相、钢纤维相和聚丙烯纤维相组成的三相复合材料，建立钢-聚丙烯混杂纤维UHPC立方体抗压强度计算公式为：

fcu=fcu0(1+α1λsf+α2λpf)

(1)

式中，fcu、fcu0为含纤维UHPC和素UHPC的立方体抗压强度值；α1、α2为钢纤维和聚丙烯纤维影响系数；λsf、λpf为钢纤维和聚丙烯纤维特征参数，λsf=Vsflsf/dsf，λpf=Vpflpf/dpf；Vsf、Vpf为钢纤维和聚丙烯纤维体积率；lsf/dsf、lpf/dpf为钢纤维和聚丙烯纤维长径比。

图9 UHPC立方体抗压强度预测模型Fig.9 Prediction model of UHPC cubic compressive strength

鉴于文献[26]中试块养护条件与本文类似，均为标准养护条件，为拓宽本文研究范围，使试验数据具有更高的可靠性，基于本文和文献[26]所测UHPC立方体抗压强度试验值，利用Origin软件多元线性回归分析模块对式(1)进行回归，结果为：

fcu=fcu0(1+0.138λsf+0.002 1λpf)

(2)

将式(2)强度预测值与本文和文献[26]中试验值进行了对比，见图9，相关系数R2=0.983，说明拟合效果较好。用本文强度预测模型对文献[2,36]试验值进行预测，文献[2]中fcu0取93.16 MPa，文献[36]中fcu0取136.43 MPa。模型预测值与试验值的相对误差见表5，表中序号1～15数据来源于文献[2]，序号16～22数据来源于文献[36]。相对误差均在15%以内，表明本文建立的UHPC立方体抗压强度预测模型在一定范围内能较好地验证其他学者的试验结果。

3.2 强度转换式

参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[37]中混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度关系式形式，根据本文试验实测值，利用Origin软件对UHPC立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与轴心抗压强度之间的关系进行线性回归拟合得到下式：

fc=0.92fcu

(3)

(4)

将式(3)、式(4)计算值与本文试验值进行了对比，拟合效果见图10。

表5 UHPC立方体抗压强度预测模型验证Table 5 Model verification of fcu of UHPC

图10 UHPC强度转换式
Fig.10 Strength relation of UHPC

4 结 论

(1)钢纤维对UHPC立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均有提高作用，试验参数范围内对抗压强度最优体积率为1.50%，对劈裂抗拉强度最优体积率为1.75%。

(2)聚丙烯纤维对UHPC强度的影响较弱，试验参数范围内最佳配比为长径比167，体积率0.10%。

(3)综合拉压强度，试验参数范围内最佳纤维配比为，体积率为1.50%的钢纤维和长径比为167、体积率为0.10%的聚丙烯纤维混掺，其标准养护条件下立方体抗压强度可达124.3 MPa，轴心抗压强度可达122.8 MPa，劈裂抗拉强度可达15.19 MPa。

(4)基于本文试验结果数据，建立了考虑纤维参数影响的UHPC立方体抗压强度预测模型，提出了UHPC轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的关系式，预测模型和公式适用于本文纤维参数范围内含钢纤维和聚丙烯纤维的UHPC。