低掺量钢纤维对UHPC性能的影响

杜永超， 徐海宾， 雷余鹏， 刘松鑫

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

随着全球气候变暖加剧，各种天灾频发，越来越多的人开始注重保护地球环境，降低碳排放[1]。我国提出在2030年前实现碳达峰、在2060年前实现碳中和的目标。要实现这一目标，就必然要解决中国碳排放中的重要贡献者——“中国建筑建材碳排放”。中国建筑节能协会《中国建筑能耗研究报告(2020)》[2]提到2018年建筑全寿命周期碳排放总量为49.3亿t，占比为51.2 %。其中：建材生产阶段碳排放27.2亿t，占比28.3 %；建筑施工阶段碳排放1亿t，占比1%。在实现碳达峰、碳中和的路上，建筑材料是建筑行业的重中之重。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，简称UHPC)经过近30年的发展，取得了很多成果[3-6]。本文对超高性能混凝土制备技术和力学性能进行研究，探究低掺量钢纤维对UHPC性能的影响，提高混凝土的力学性能和工作性能，降低混凝土的碳排放量。

1 试验概况

1.1 原材料

P.O 52.5水泥，比表面积为384 m2/kg；硅灰，纯度为97 %，比表面积为2 321 m2/kg；粉煤灰，比表面积为420 m2/kg；玻璃粉，纯度为85 %，平均粒径为2 μm，密度为2.04 g/cm3；砂子，粒径范围为380～550 μm；ST-01A标准型聚羧酸高性能减水剂，固含量为20%，密度为1.08 g/mL，外观呈淡黄色；WH-A型聚羧酸减水剂，固含量为40%，外观呈黄色；钢纤维分为圆直型钢纤维和端钩型钢纤维;玄武岩纤维呈扁平的长条状。胶凝材料化学组成如表1所示，各种纤维的具体参数如表2所示。

表1 胶凝材料的化学组成 单位：%

表2 纤维物理力学性能指标

1.2 试验方法

(1)制备工艺

将称量好的胶凝材料和细河砂倒入搅拌锅内，慢速搅拌3 min至混合均匀，继续慢搅2 min(并在前30 s内缓慢均匀地加入全部的水和减水剂混合液),然后快搅3 min，慢搅1 min后停机。若掺入纤维，应在快搅3 min阶段，缓慢加入纤维，待全部加入后，再快搅3 min，慢搅1 min后停机。加纤维的过程最好控制在5 min内。之后将搅拌好的材料倒入40 mm × 40 mm × 1 600 mm的标准试模中，振动密实。

(2)流动度测试

在倒入试模前，根据GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试其流动度。测试其流动度时，并未启动跳桌，底板采用的是钢化玻璃板，静置60 s后，测量其最大流动直径和最小流动直径，求其平均值。

(3)养护

制备完成后在室内覆盖塑料薄膜养护，24 h后脱模放入水浴箱中，在90 ℃下养护2 d(含2 h的升温和2 h的降温)，养护完毕后冷却至常温，待试验。

(4)强度测试

对试件进行强度测试时，按照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》测试其抗压强度Rc、抗折强度Rf。前者加载速率为2 400 N/s，Rc取到0.1 MPa，后者加载速率为50 N/s，Rf取到0.1 MPa。

2 钢纤维种类和掺量对UHPC性能的影响

2.1 对UHPC流动度的影响

经前期优化配合比，确定水泥∶粉煤灰∶硅灰∶玻璃粉的基准配合比为1∶0.15∶0.30∶0.1，砂胶比为1.1，水胶比为0.18。在此基础上，研究圆直型钢纤维和端钩型钢纤维在低掺量下对UHPC的流动度的影响，结果如图1所示。

图1 低掺量钢纤维对UHPC流动度的影响

由图1可知：端钩型钢纤维在掺量为0～0.5%时，随着掺量的增加，UHPC的流动度不断增加，当掺量为0.5%时，流动度达到最大(245 mm)，提高了4.7%；端钩型钢纤维掺量超过0.5%时，随着掺量的增加，UHPC的流动度逐渐降低，在掺量为1%时，UHPC的流动度最低(227 mm)，降低了约3%；圆直型钢纤维在掺量为0～0.25%时，随着掺量的增加，UHPC的流动度不断增加，在掺量为0.25%时达到最大(241.5 mm)，提升了约3.6%；圆直型钢纤维的掺量超过0.25%时，UHPC的流动度开始下降，在掺量为1%时，UHPC的流动度最低(217.5 mm)，降低了约6.7%。

无论是端钩型钢纤维还是圆直型钢纤维，在低掺量(掺量为1%以下)时，随着掺量的增加，对UHPC流动度的影响曲线均呈现先增加后降低的趋势。不同之处在于，端钩型钢纤维达到峰值的掺量为0.5%，圆直型钢纤维的峰值掺量为0.25%，并且在达到峰值点时，端钩型钢纤维对UHPC流动度的影响要高于圆直型钢纤维对UHPC流动度影响；在下降段，圆直型钢纤维的下降速度更快。这跟纤维的形状和长径比有关，一般来说，UHPC的尺寸效应要大于普通混凝土[7]。端钩型钢纤维的长度较大，长径比较小，在相同体积掺量下，端钩型钢纤维的数量较少，在制备UHPC的过程中，钢纤维形成纤维网络时更有规则，有利于UHPC流动度的提升。想要在低掺量下提升UHPC的流动度，相比圆直型钢纤维而言，可以适当多添加端钩型钢纤维。

2.2 对UHPC抗压强度的影响

2种类型钢纤维低掺量下对UHPC抗压强度的影响，如图2所示。在掺量低于1%时，随着端钩型钢纤维掺量的增加，UHPC的抗压强度不断增加，在掺量为1%时UHPC的抗压强度为157.3 MPa，提升了约23.9%，当掺量在0～0.5%时，端钩型钢纤维的增幅要高于掺量在0.5%～1%的增幅，即掺量在0.5%时对UHPC的抗压强度提升相对较好。随着圆直型钢纤维掺量的增加，UHPC的抗压强度也在不断增加，当掺量高于0.75%时，有较大提升，在掺量为1%时UHPC的抗压强度最大，为168.2 MPa，提升了约31.4%。因为掺入钢纤维后，UHPC内部会形成钢纤维网状结构，很大程度上提高材料极限承受荷载，并且随着掺量的增加这种网状结构将会变得更为致密[8]，对UHPC抗压强度的提升也会更高。此外，高温养护可以加速水化反应，减少有害孔体积，改善微观结构，进而提高UHPC的抗压强度[9]。

图2 低掺量下钢纤维对UHPC抗压强度的影响

2.3 对UHPC抗折强度的影响

2种类型钢纤维在低掺量下对UHPC抗折强度的影响，如图3所示。在低掺量下，2种钢纤维对UHPC抗折强度的影响，均呈现先略微降低再逐渐升高的趋势，都在掺量为1%时，抗折强度达到最大(端钩型钢纤维为35.2 MPa，提升了约30.4%；圆直型钢纤维为33.7 MPa，提升了约27.2%)。值得注意的是，端钩型钢纤维对UHPC的抗折强度曲线均在圆直型钢纤维对UHPC的抗折强度曲线上方，说明前者对UHPC的抗折强度贡献要高于后者。因为在相同体积掺量下，端钩型钢纤维由于两端均有弯钩，能够很好地形成更为致密的网状结构[10]，在抗折试验时，试件往往发生的是纤维拔出破坏，这种相互勾连的网状结构相比圆直型钢纤维的纤维网状结构更不利于拔出。

图3 低掺量下钢纤维对UHPC抗折强度的影响

3 结 语

(1)低掺量钢纤维能够有效提高UHPC的流动度，并且端钩型钢纤维要优于圆直型钢纤维，在掺量为0.5%时效果最好，能达到245 mm，提高了4.7%。

(2)低掺量钢纤维能够有效提升UHPC的抗压强度，综合考虑，推荐端钩型钢纤维掺量为0.5%，圆直型钢纤维为0.75%，此时UHPC性能的提升相对较优，前者的抗压强度可以达到150.1 MPa，后者为142.5 MPa。

(3)低掺量钢纤维能够有效提升UHPC的抗折强度，端钩型钢纤维对UHPC抗折强度的提升整体均高于圆直型钢纤维。