钢纤维直径及组合对UHPC性能的影响

陈 竞，周红梅，谢正元，彭昱翔，黄华甫

（1.柳州欧维姆结构检测技术有限公司，广西 柳州 545005；2.广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006）

0 引言

UHPC作为一种纤维增强型混凝土被广泛应用于桥梁、市政、建筑等工程中，与普通混凝土相比其胶凝材料用量、水胶比、骨料类型、掺杂纤维的种类等方面存在较大差异，具有高强度、高韧性、高耐久性的特点，能够增强结构强度与耐久性[1-4].但目前而言，对于UHPC的研究不够充分，导致其性能差异较大，应用推广缓慢[5].

由于不同原材料的种类及原材料的物理、力学性能的影响以及掺量的不同都会对超高性能混凝土的性能产生极大影响；钢纤维作为主要原材料之一，其具有增强断裂韧性、提高抗拉强度、阻止裂纹开裂的效果.钢纤维的加入，阻止了混凝土裂缝的扩展，试件受压后整体性较好[6].岳国柱[7]的研究表明：钢纤维的掺量与超高性能混凝土的各项性能呈现正相关性，但对抗压强度与抗折强度而言，钢纤维掺量具有使这两项力学性能指标达到最高强度的临界值.陈宝春等[8]的研究表明：钢纤维掺量达到转折点时，抗压强度及韧性的提高不大甚至降低，且钢纤维的形状、长度、直径等会对其增强增韧效果具有很大影响.高育欣等[9]的研究表明：不同尺寸的纤维混掺能互相牵制并阻碍其旋转，增加工作性.

综上所述，适当钢纤维的掺入可以改善混凝土的各项性能，但钢纤维掺入的分布状态、纤维间距、纤维掺量等具体机理影响的研究并不详细.根据董健苗等[10-13]对其机理的研究表明：钢纤维具有复合增强与阻裂作用，在纤维间距相同下，增强效果与纤维直径有关，并且钢纤维的乱向分布效果低于顺向排列，因此，传统的复合理论不够完善.在此基础上选用4种直径的钢纤维，设计了不同钢纤维直径、直径组合及掺量的22组试验，在干粉配比及水灰比都相同的条件下配制常温养护型超高性能混凝土，并进行流动度、抗压强度、抗折强度、抗拉强度试验，以研究不同直径、直径组合及掺量的镀铜微丝钢纤维对UHPC性能的影响.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

水泥：柳州产P.O52.5普通硅酸盐水泥，主要物理性能见表1.硅灰：半加密硅灰，灰色粉末，SiO2含量≥92%，比表面积23 m2/g.矿粉：柳州产S95粒化高炉矿渣粉.石英砂：SiO2含量≥99%，20～70目（0.850 mm～0.212 mm）连续集配石英砂.减水剂：聚羧酸减水剂，白色粉末，减水率≥30%.钢纤维：选用4种不同尺寸的平直型镀铜微丝钢纤维，直径分别为0.18 mm、0.22 mm、0.26 mm、0.30 mm，长度都为13.00 mm，抗拉强度2 000 MPa，外形见图1.

表1 水泥主要性能指标Tab.1 Main performance indexes of cement

图1 不同直径平直型镀铜微丝钢纤维Fig.1 Different diameter flat copper plated microfilament steel fiber

1.2 试验方法

为研究钢纤维直径及掺量对常温养护型超高性能混凝土性能的影响，利用相同配合比的UHPC干粉及水胶比，掺加不同大小直径及掺量的钢纤维进行试验；为研究不同直径钢纤维复掺（组合）对UHPC性能的影响，将钢纤维总体积掺量设定为2.0%，在4种钢纤维中选择直径0.30 mm分别与直径0.18 mm、0.22 mm进行复掺试验，详细配合比见表2.

表2 试验配合比设计Tab.2 Experimental mix design

1.3 试件制备及测试方法

搅拌前根据搅拌机的2/3体积容量换算原材料总质量，根据质量配合比计算各组分，并将各组分质量称量准备，用水量按水胶比计算称量.搅拌时，首先将所有干粉和水投入HJW-60单卧轴强制式混凝土搅拌机中，开机搅拌3 min，停机，投入备好的钢纤维，重新开机搅拌2 min，完成UHPC拌合物的制备.

流动度试验参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》标准进行测定，采用上口内径70 mm，下口内径100 mm，高60 mm的截锥圆模，底板为500 mm×500 mm的玻璃板.将搅拌好的UHPC倒入截锥圆模并刮平，之后提起截锥圆模，让UHPC在玻璃板上无扰动自由流动，流动停止后测其扩展度，如图2所示.

抗折强度（如图3所示）及抗压强度（如图4所示）试验按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行，使用40 mm×40 mm×160 mm试模，置于标准养护箱内养护28 d后进行试验（如图5所示）.

抗拉强度试验参照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中轴心抗拉强度试验方法进行，试模采用600 mm×196 mm轴向拉伸试模，在标养室养护28 d后测试试件抗拉强度.

图2 流动度试验Fig.2 Fluidity test

图3 抗折强度试验Fig.3 Flexural strength test

图4 抗压强度试验Fig.4 Compressive strength test

图5 抗拉强度试验Fig.5 Tensile strength test

2 试验结果及分析

2.1 钢纤维对UHPC流动度的影响

2.1.1 单掺

通过试验测量不同掺量配合比流动度发现，钢纤维体积掺量为1.0%时，单掺4种直径钢纤维在浆体中都相对较为分散，对UHPC拌合物的流动度基本不产生影响，特别是较小直径钢纤维在掺量不高的情况下，可在黏稠的UHPC浆体中顺着流动方向旋转，使得多数纤维的轴向与浆体流动方向基本一致，对浆体流动性影响较小；但随着掺量的增加，钢纤维在浆体内相互交错形成的三维骨架增多，越密集，对浆体流动的阻碍越大，且直径越大，对流动度的影响程度越大，试验数据见表3.直径0.30 mm钢纤维对流动度的影响更大，掺量分别增加到1.5%、2.0%、2.5%时，相对1.0%掺量的流动度分别降低了1.8%、6.8%、13.9%.试验数据如图6所示.

表3 在各直径及掺量下的流动度Tab.3 Fluidity under each diameter and dosage mm

图6 不同直径钢纤维单掺流动度试验Fig.6 Single mixing fluidity test of steel fiber with different diameters

2.1.2 复掺

选择钢纤维总体积掺量2.0%的条件进行试验，试验基础为直径0.18 mm、0.22 mm两种钢纤维，分别按25.0%、50.0%、75.0%的比例复掺直径0.30 mm钢纤维，然后与之单掺的流动度进行比较，当掺入比例小于50.0%，复掺钢纤维的流动度均大于单掺钢纤维的流动度，试验数据见表4.其中，直径0.30 mm钢纤维占比25.0%的提升幅度最大，相对单掺0.18 mm、0.22 mm的UHPC浆体，流动度分别提升了2.5%、2.2%；但随着0.30 mm钢纤维掺量的增大，其在浆液中形成刚度较高的交联钢纤维网，降低了浆液的流动度，掺量100%时，降幅分别为6.1%、4.7%.测量数据如图7所示.

表4 不同钢纤维直径组合的流动度Tab.4 Fluidity of different combinations of steel fiber diameters mm

图7 不同直径钢纤维复掺流动度试验Fig.7 Fluidity test of steel fiber mixed with different diameters

2.2 钢纤维对UHPC抗压强度的影响

2.2.1 钢纤维直径及掺量对UHPC抗压强度的影响

钢纤维掺量不超过2.0%时，单掺入直径为0.22 mm、0.26 mm、0.30 mm的钢纤维，多组试验数据验证其试块28 d抗压强度随着纤维直径的增加而逐渐降低，表明在一定掺量范围内，钢纤维体积掺量一致时，随着直径的增加，个体钢纤维的总数量相应减少，UHPC基体中钢纤维间距增大，钢纤维对基体的约束阻裂作用降低，导致抗压强度呈下降趋势，见表5.从表5还可以看出，所有掺量中除单掺直径0.18 mm钢纤维试件28 d抗压强度低于单掺直径0.22 mm钢纤维试件抗压强度外，掺加其他直径钢纤维抗压强度却与“随着直径增加而降低”的规律相悖，这表明过细直径不利于钢纤维对超高性能混凝土基体的增强.

表5 不同直径钢纤维单掺及复掺的混凝土抗压强度Tab.5 The compressive strength of concrete mixed with steel fiber of different diameters

2.2.2 不同直径的钢纤维组合对UHPC抗压强度的影响

当钢纤维总体积掺量为2.0%的条件下，将直径0.30 mm钢纤维分别按25.0%、50.0%、75.0%的比例替换直径为0.18 mm和0.22 mm钢纤维，将复掺纤维与单掺纤维的抗压强度进行对比，见表5试验数据.由图8可以看出，掺入复掺钢纤维试块抗压强度相对于单掺钢纤维各组试块均有不同程度提高，还大幅缩小了抗压强度标准差，均匀性得到提高.复掺增强效果对于单掺直径0.18 mm以及单掺直径0.30 mm钢纤维的UHPC试块尤为明显.直径0.30 mm钢纤维弥补了单掺直径0.18 mm钢纤维复合增强作用有限的不足，同时直径0.18 mm钢纤维弥补了单掺直径0.30 mm钢纤维导致纤维间距过大的缺陷，两者复掺获得了良好的耦合效应.

图8 不同直径钢纤维复掺的抗压强度Fig.8 The compressive strength of concrete single mixed with steel fibers of different diameters

2.2.3 钢纤维直径对掺量的影响

如表5所示，掺不同直径钢纤维的UHPC试块28 d抗压强度，基本都随着钢纤维体积掺量的增加而增加.单掺直径0.18 mm钢纤维抗压强度：当体积掺量超过1.5%之后，继续提高钢纤维掺量，强度增长不明显；体积掺量由1.5%提升至2.0%，抗压强度增长3.2%；体积掺量由2.0%提升至2.5%，抗压强度仅增长1.4%.单掺直径0.30 mm钢纤维试块抗压强度：体积掺量从1.0%提高至2.5%，抗压强度分别增长了13.9%、6.7%、5.2%，其抗压强度都随着钢纤维掺量的提高而获得较明显的增长.此结果表明：当钢纤维间距达到一个阈值时，继续提高钢纤维掺量也不会使UHPC的强度获得增长.

同体积掺量条件下，直径0.30 mm钢纤维的单根总数量仅为直径0.18 mm钢纤维单根总数量的60.0%，其纤维间距大幅提高，达到纤维间距阈值的体积掺量也相应提高，显示钢纤维间距相同时，钢纤维对基体的增强作用与直径成正比，钢纤维的有效掺量上限与直径成正比.

2.3 钢纤维对UHPC抗折强度的影响

2.3.1 单掺

不同直径钢纤维的UHPC试块28 d抗折强度，随着钢纤维掺量的增加而提高，试验数据见表6.掺量低于1.5%，不同直径对UHPC试块抗折强度的增强幅度相近；掺量由1.5%提高至2.0%，不同直径抗折强度的增幅分别为5.4%、7.2%、10.1%、12.9%；由2.0%提高至2.5%，增幅分别为2.5%、4.0%、5.9%、8.3%；可以看出，掺量达1.5%以上时，钢纤维掺量对UHPC试块抗折强度的提升幅度表现出与钢纤维直径成正比的关系，试验数据如图9所示.

表6 各直径钢纤维在不同掺量下的抗折强度Tab.6 Flexural strength of steel fibers of various diameters under different dosages MPa

图9 不同直径钢纤维单掺抗折强度Fig.9 The flexural strength of concrete single mixed with steel fibers of different diameters

2.3.2 复掺

钢纤维总掺量设定为2.0%，分别以直径0.18 mm、0.22 mm钢纤维为基础复掺直径0.30 mm钢纤维，随着复掺中0.30 mm钢纤维占比的提高，UHPC抗折强度也分别从31.5 MPa、32.6 MPa提高至34.9 MPa，见表7试验数据.同时可得出直径越小，提高钢纤维掺量对于UHPC试块抗折强度的增幅越小，且通过增加钢纤维掺量来提高UHPC抗折强度的掺量上限也越低，复掺钢纤维UHPC的抗折强度如图10所示.

表7 各钢纤维直径组合的抗折强度Tab.7 Flexural strength of each steel fiber diameter combination MPa

图10 不同直径钢纤维复掺抗折强度试验Fig.10 The flexural strength of concrete mixed with steel fibers of different diameters

2.4 钢纤维对UHPC抗拉强度的影响

2.4.1 单掺

直径0.18～0.30 mm钢纤维在相同掺量下，UHPC试件的抗拉强度随着直径的增大而降低，见表8试验数据；在钢纤维掺量1.0%～2.5%的范围内，抗拉强度随着掺量的增加而提高，在掺量超过2.0%后，提高的幅度开始减小，2.5%时，抗拉强度分别为12.8 MPa、12.6 MPa、12.2 MPa、11.4 MPa，不同直径钢纤维单掺的抗拉强度如图11所示.

表8 各直径钢纤维在不同掺量下的抗拉强度Tab.8 Tensile strength of steel fibers of different diameters under different dosages MPa

图11 不同直径钢纤维在不同掺量下的抗拉强度Fig.11 Tensile strength of steel fibers of different diameters with different contents

2.4.2 复掺

掺入总体积2.0%的复掺纤维时，随着直径0.30 mm钢纤维在直径0.18 mm及0.22 mm钢纤维中占比的提升，抗拉强度逐渐从12.1 MPa及11.8 MPa降低至10.3 MPa（图12），说明当UHPC掺入平直型镀铜微丝钢纤维时，抗拉强度的提高主要靠UHPC浆料与钢纤维的粘结力，同掺量条件下，钢纤维直径越大，比表面积越小，粘结力也越小，不利于抗拉强度的提高，其试验数据见表9.

图12 不同直径钢纤维复掺的抗拉强度Fig.12 Tensile strength of steel fiber mixed with different diameters

表9 各钢纤维直径组合的抗拉强度Tab.9 Tensile strength of each steel fiber diameter combination MPa

3 结论

1）UHPC流动度与钢纤维直径及掺量呈负相关性.单掺时，直径0.18 mm及0.30 mm钢纤维掺量从1.0%增加到2.5%，流动度降幅分别为6.7%、13.9%；复掺时，随着直径0.30 mm钢纤维占比提高，流动度先增大后减小，在25.0%掺量时增幅最大，为2.5%；之后流动度开始下降，最大降幅为6.1%.

2）随着钢纤维掺量的增加，UHPC抗压、抗折、抗拉强度都逐渐增大，其最大分别为173.5 MPa、37.8 MPa、12.8 MPa，抗压强度标准差逐渐减小，最低为7.4 MPa.

3）随着钢纤维直径的增大，UHPC抗折强度逐渐提高，最高为37.8 MPa；抗拉强度逐渐降低，最低为7.1 MPa；抗压强度在掺量从1.0%提升至2.0%的过程中呈降低趋势，超过2.0%后，呈升高趋势，最大值为173.5 MPa.

4）综合UHPC流动度、力学性能及经济性，建议UHPC中钢纤维直径为0.22 mm，掺量为1.5%～2.0%.