纤维及砂种类对超高性能混凝土抗压强度的影响

陈博洋，刘鑫，李卓珅，刘驰，葛文杰

（扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州225127）

0 引言

UHPC是一种具有超高力学性能、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料。与传统高性能混凝土相比，UHPC水胶比低，并且通过剔除粗骨料使其密实性以及均质性得到提升，从而使UHPC具有超高的力学性能及较低的孔隙率；高效减水剂的掺入使其具有良好的施工性能；纤维的掺入使其韧性和延性都有很大提升。

目前配制UHPC大多使用石英砂作为原料，但由于石英砂的供应并不能满足市场需求，且许多工程受环境及地理位置等因素的制约，若仅采用石英砂会增加成本。一些沿海沿江城市海砂与江砂资源丰富，因此可将海砂与江砂用于UHPC以取代石英砂，而山区则可采用生产建设时产生的岩石制作机制砂以取代石英砂。因此，在研究不同配合比对UHPC抗压强度的影响基础上，研究不同种类纤维及砂对UHPC抗压强度的影响，对于促进纤维以及海砂、江砂与机制砂在UHPC中的应用具有推动作用。

1 试验原材料及试验过程

1.1 试验原材料

水泥：P·O 42.5级，扬州绿扬有限责任公司；硅灰：400目，SiO2质量分数为96.74%，河南巩义市恒嵩滤材有限公司；矿渣粉：S95级，SiO2质量分数为32.80%，河南巩义市恒嵩滤材有限公司；粉煤灰：Ⅱ级，河南巩义市恒嵩滤材有限公司；石英砂：40～80目，SiO2质量分数＞99%，安徽胜利石英砂厂；海砂：细度模数1.849，过4.75 mm筛，江苏扬建集团有限公司；江砂：细度模数1.978，过4.75 mm筛，江苏扬建集团有限公司；机制砂：细度模数1.978，过4.75 mm筛，江苏扬建集团有限公司；玄武岩纤维：规格BCS16-198；镀铜钢纤维：直径0.22 mm、长13 mm，长径比59.1，端部不带弯钩，抗拉强度＞2 850 MPa，河北德丝网制品厂；减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率32%，江苏苏博特新材料股份有限公司；拌合水：自来水。

1.2 UHPC制备步骤及试验设计

1.2.1 制备步骤

由于UHPC剔除了粗骨料，其体系更接近于水泥砂浆，故搅拌装置选用行星式砂浆搅拌机，具体制备过程如下：①称料，根据设计的配合比称量所需的各类材料。②搅拌，将称量好的水泥、砂、硅灰、矿渣粉、粉煤灰依次倒入JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机，干拌3 min，然后将称好的水与高效减水剂混合均匀后倒入搅拌机，先慢转3 min，再快转2 min至混合物出浆，混合均匀并观察其流动度，之后慢转3 min，这期间将体积分数为1%的钢纤维或玄武岩纤维缓缓加入搅拌锅，搅拌均匀并保证浆体完全包裹住纤维，最后快转2 min，将浆体倒出。③成型，使用40 mm×40 mm×160 mm的钢制模具浇筑成型，之后再放在振捣机上振捣1 min，确保UHPC试块密实，减小UHPC试块中的孔隙率，然后用保鲜膜包住，防止养护期间水分蒸发，导致水胶比改变。④养护，放入养护室养护24 h后拆模，将UHPC试块放入水箱中，让水完全浸没UHPC试块，将水箱放入标准养护室养护。

1.2.2 试验设计

采用三种配比（A1、A2、A3）研究不同配比对UHPC抗压强度的影响并确定最佳配比，在此基础上进一步研究不同纤维及不同砂对UHPC抗压强度的影响。试验参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[1]进行，具体配比及试验结果见表1。

表1 UHPC配合比及抗应强度

2 试验结果与分析

2.1 最佳配合比的确定

选取表1中的a.SF组，在A1、A2、A3三种配比下同时加入等量的石英砂及钢纤维，分别对其3 d、7 d、28 d的试块进行抗压强度试验以确定最佳配合比，如图1所示。

从图1中可以看出，三种配比下UHPC 28 d抗压强度均达到125 MPa以上。硅灰掺量为30%时，UHPC的抗压强度高于掺量为25%时的强度，掺入粉煤灰会使UHPC的抗压强度略微降低。由此可见，A1配合比下的UHPC抗压强度明显高于A2和A3配合比下的强度，所以选定A1配合比为最佳配合比。

图1 不同配合比的UHPC抗压强度

2.2 纤维种类对UHPC力学性能的影响

选取表1中的A1a组，在最佳配合比A1下，以石英砂为基础，分别选用不掺纤维、掺入1%钢纤维以及掺入1%玄武岩纤维的组别，研究纤维类型对UHPC抗压强度的影响，如图2所示。

图2 不同纤维类型的UHPC抗压强度

由图2可以看出，与不掺纤维的混凝土相比，在UHPC中掺入体积分数为1%的钢纤维有助于提高UHPC的抗压强度；当掺入体积分数为1%的玄武岩纤维时，在混凝土龄期较短时，抗压强度相较于同时间未掺纤维的UHPC有所提高。随着混凝土龄期的增加，掺入玄武岩纤维的UHPC抗压强度反而相较于原来有所下降，说明掺入玄武岩纤维的UHPC早期抗压强度较高，但会降低最终的抗压强度。

2.3 砂种类对UHPC力学性能的影响

选取表1中的A1a.SF组，在最佳配合比A1下掺入1%的钢纤维，以石英砂为基础，分别用海砂、江砂、机制砂取代石英砂，研究不同类型砂对UHPC抗压强度的影响，如图3所示。

图3 不同砂类型的UHPC抗压强度

从图3可以看出，掺石英砂UHPC的28 d抗压强度达到144.73 MPa，而用海砂和江砂取代石英砂配制的UHPC抗压强度只能达到129.14 MPa和137.45 MPa，均低于用石英砂配制的UHPC。可能原因在于海砂中的氯离子含量较高，大量氯离子的存在会在水泥的水化过程中产生不利影响，从而降低UHPC的抗压强度[2]；江砂自身的强度较低，含有杂质会对强度产生不利影响。用机制砂配制的UHPC，其28 d抗压强度高达153.92 MPa，高于其他三种砂配制的UHPC，原因在于机制砂的石料是由人工破碎而成的，表面不规则、比较粗糙，可以增加颗粒之间的相互咬合力[3]，进而提高UHPC的抗压强度。

3 结论

通过对采用不同配合比、掺入不同纤维类型以及不同砂类型的超高性能混凝土进行抗压性能试验，分析了不同配合比、不同纤维类型以及不同砂类型对超高性能混凝土抗压强度的影响，得到如下结论。

（1）在一定范围内，增加硅灰掺量可以改善UHPC的抗压强度，而用粉煤灰取代水泥会降低其抗压强度。采用30%硅灰、15%矿渣粉以及不掺粉煤灰的配合比所配制的超高性能混凝土抗压强度较高。

（2）加入体积分数为1%钢纤维相较不掺加纤维的UHPC，抗压强度明显提高。而加入体积分数为1%玄武岩纤维的UHPC的抗压强度低于不加纤维和掺入等量钢纤维的UHPC。

（3）与石英砂相比，海砂、江砂用于超高性能混凝土会降低其抗压强度，机制砂用于超高性能混凝土会提升其抗压强度。将海砂、江砂以及机制砂用于超高性能混凝土仍待进一步研究。