纤维混杂超高性能混凝土流动性与抗压强度研究*

杜杰贵,王雄锋,陈 波,张晓闯

(1.昭通市宜昭高速公路投资开发有限公司,云南 昭通 657000; 2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种具有卓越性能的水泥基复合材料,其抗压强度通常在120～200MPa,具有出色的耐久性[1-2]。UHPC的水胶比较低(0.14～0.20),胶凝材料的使用量较高,并掺有纤维,与普通混凝土相比,UHPC的黏度增加会导致工作性能降低[3]。因此,降低UHPC的黏度以提高施工性能变得必要。对UHPC的力学性能和施工性能的影响在于合理选择减水剂类型、合理使用纤维[4]。减水剂掺量过少会导致混凝土的施工性能变差,而过多则可能引起缓凝现象,明显降低混凝土的早期强度[5]。

目前在UHPC中应用最广泛的纤维是钢纤维[6],但钢纤维(steel fiber,SF)存在成本高、易锈蚀等问题,因此,越来越多学者开始关注有机合成纤维。主要使用的纤维有聚乙烯醇纤维(polyvinyl alco,PVA)、聚丙烯纤维(polypropylene,PP)、聚乙烯纤维(polyethylene,PE)等,研究结果显示,这些合成纤维对UHPC都有一定的增强作用。有机纤维与钢纤维混杂在UHPC中具有较好的增强效果,但会降低混凝土的流动性。本文通过试验研究分析有机纤维掺量和种类对UHPC拌合物性能和抗压强度的影响。

1 试验概况

1.1 原材料与配合比

水泥采用海螺P·O 42.5普通硅酸盐水泥,28d抗压强度为49.4MPa,比表面积为350m2/kg。硅灰采用北京某公司生产的硅粉,ω(SiO2)=93.32% (质量分数),密度为2.16g/cm3。粉煤灰采用F类I级粉煤灰,密度为2.1g/cm3。砂为某地河砂,表观密度为2.64g/cm3,细度模数为2.9。减水剂为固体聚羧酸减水剂,外观为淡橙色粉体,减水率为28%,含水率≤3%。纤维采用圆直钢纤维、聚丙烯纤维和2种长度的聚乙烯醇纤维,如图1所示。

图1 纤维样品Fig.1 Fiber samples

UHPC基体配合比为水泥∶硅灰∶粉煤灰∶河砂∶水∶减水剂=1∶0.23∶0.31∶1.69∶0.25∶0.01。纤维混杂模式分为钢-PP纤维混杂、钢-PVA纤维混杂和长短PVA纤维混杂,并结合单掺钢纤维UHPC进行对比分析,各组UHPC编号及其对应纤维种类和掺量如表1所示。

表1 编号及其对应纤维掺量Table 1 Number and its corresponding fiber dose

1.2 试件制备

UHPC的制备过程为:①依据配合比准备好材料;将胶凝材料、砂和减水剂投入搅拌机中干拌1min;②将水缓慢倒入工作中的搅拌机并持续搅拌5～6min;③采用人工均匀投入方式将纤维在2min内撒入浆体中,接着搅拌3min;④搅拌完成后浇筑混凝土入模具中,并振动15～25s至密实状态。试件成型完毕后,在(20±2)℃静置1d后拆模,将拆模后的试件置于(20±2)℃、相对湿度95%以上的标准养护室内养护28d。

1.3 试验过程

根据T/CECS 864—2021《超高性能混凝土试验方法标准》对UHPC进行扩展度测试。将新鲜的UHPC拌合物一次性均匀填满坍落度筒,加满后刮去多余拌合物,沿筒口抹平,不进行插捣。清除坍落度筒周围多余的UHPC拌合物,将坍落度筒垂直平稳提起。当试样不再扩展时,用钢尺测量UHPC拌合物展开面的最大直径与最大直径呈垂直方向的直径,取其平均值作为扩展度试验结果,具体如图2所示。

图2 扩展度试验Fig.2 Extensibility test

试验参照《超高性能混凝土试验方法标准》,制备100mm×100mm×100mm的立方体试块,进行抗压强度试验。当UHPC试件养护至28d时,使用伺服式液压试验机(最大压力为3 000kN)进行试验,加载方式为力控制加载,加载速度为5kN/s,每组试验测试6块试件,试验仪器如图3所示。

图3 电伺服试验机Fig.3 Electric servo tester

2 流动性试验结果与分析

2.1 纤维掺量对钢-PP/PVA纤维混杂UHPC流动性的影响

纤维对UHPC拌合物工作性能影响较大,单掺钢纤维、钢-PP/PVA纤维混杂UHPC扩展度的测试结果如图4所示。

图4 钢纤维、纤维混杂UHPC扩展度Fig.4 UHPC expansion degree of steel fiber and fiber blend

对照组扩展度为580mm,当钢纤维掺量为1.0%,1.2%,1.5%,1.8%和2.0%,扩展度分别降低至534,525,480,470mm和450mm;以1.0%钢纤维与0.2%,0.5%,0.8%和1.0% PP纤维混杂时,钢-PP纤维混杂UHPC扩展度降低至542,530,516mm和485mm;以1.0%钢纤维与0.2%,0.5%,0.8%和1.0%PVA纤维混杂时,钢-PVA纤维混杂UHPC扩展度降低至555,510,497mm和474mm。

随着纤维掺量的增加,UHPC拌合物扩展度降低,工作性能变差。这是因为纤维与基体的摩擦力和内聚力以及自由水的消耗,增大了UHPC中颗粒的运动阻力[7-8];纤维在基体中随机分布充当骨架,阻碍了UHPC拌合物的流动[9]。纤维掺量从0增大到2.0%,UHPC拌合物扩展度下降幅度最大的是钢纤维UHPC,其次是钢-PVA纤维混杂UHPC,最后是钢-PP纤维混杂UHPC。这是因为短钢纤维形状细长,比表面积更大[10];PVA纤维为亲水纤维,钢纤维和PVA纤维与UHPC基体之间产生更高的内聚力导致UHPC拌合物扩展度的下降幅度更大[11-12]。

2.2 长短PVA纤维混杂对UHPC流动性的影响

为研究长短纤维混杂对UHPC扩展度的影响,12mm PVA纤维和6mm PVA纤维以不同比例混杂的几组UHPC扩展度试验结果如图5所示。

图5 长短PVA混杂UHPC的扩展度Fig.5 Expansion degree of long and short hybrid PVA fiber UHPC

由图5可知,A0V20,A5V15,A10V10,A15V5,A20V0的扩展度分别为650,620,596,571和535mm。对比对照组,A0V20,A5V15和A10V10扩展度较大,UHPC的工作性能提高。长短PVA纤维混杂,随着长纤维占比的增大,UHPC扩展度减小。这是因为长纤维与UHPC基体摩擦力和内聚力更大,长纤维与基体之间构建的骨架作用越强[13],阻碍了纤维的分散和骨料的流动,导致UHPC的工作性能变差。

3 抗压强度试验结果与分析

3.1 试件破坏模式

UHPC抗压破坏模式如图6所示。对照组在受压破坏过程中,随着荷载的增大,部分试块爆裂弹出,当荷载达到最大值时,突然失效并发生爆裂,呈现出脆性破坏模式。这是由于UHPC基体的抗压强度大,受荷载过程中试件内部存在巨大的形变能量,当破坏裂缝贯通时由于没有受到限制,形变在一瞬间完全释放,导致UHPC基体发生爆裂现象。

图6 试件抗压破坏状态Fig.6 Specimen compressive damage state

掺入纤维是有效改变UHPC基体脆性破坏的一种方式。钢纤维UHPC、钢-有机纤维混杂UHPC破坏模式表现出延性破坏,在受力破坏过程中并未出现混凝土块爆裂弹射现象。相较于钢-有机纤维UHPC,钢纤维UHPC受压试件的垂直裂缝数量和裂纹宽度增加,这是由于穿过基体裂缝的纤维可以提供桥接力来限制开裂并控制开裂后的裂缝扩展,从能量角度来说纤维桥接混凝土时产生的形变和滑移吸收了外部荷载的功,提高了UHPC的抗压强度。这在实际应用中对保持混凝土结构的整体性起到了重要作用。

3.2 不同钢纤维体积掺量对UHPC抗压强度的影响

采用单掺体积掺量1.0%,1.2%,1.5%,1.8%和2.0%的钢纤维研究不同钢纤维体积掺量对UHPC抗压强度的影响,试验结果如图7所示。

图7 钢纤维掺量对UHPC抗压强度的影响Fig.7 Influence of steel fiber content on UHPC compressive strength

对照组抗压强度为109.5MPa,强度最低,当钢纤维掺量分别为1.0%,1.2%,1.5%,1.8%和2.0%时,抗压强度分别为113.1,120.8,123.2,126.1,132.6MPa。以对照组为基准,随着钢纤维体积掺量的增大,UHPC抗压强度分别提升了3%,10%,13%,15%和21%,随着钢纤维掺量的增加,UHPC抗压强度逐渐增大。UHPC纤维掺量较低时(1.0%),纤维对抗压强度的影响不大,当纤维掺量为2.0%时,其抗压强度提高幅度最大。未掺入纤维的UHPC基体在受压过程中表现为压剪破坏,试件在受压过程中,试件端面与压板之间由于试件横向膨胀受到约束而在接触面上产生摩阻力,所以试件破坏时留下一个未被破坏的棱锥体且发生爆裂。当有纤维加入试件中时,其乱向分布构成的三维纤维网格与UHPC基体共同承受外力,一方面钢纤维能够约束变形,产生“环箍效应”;另一方面高抗拉强度、高弹性模量的钢纤维能够抑制微裂纹发展[14]。从能量角度来说,在受压过程中,钢纤维与基体不断发生黏结滑移,钢纤维与基体间良好的黏结力消耗了大量能量,因此试件抗压强度提高。

3.3 钢-PP/PVA纤维UHPC抗压强度

有机纤维选用PP纤维和PVA纤维进行试验,设置了1.0%钢纤维分别与0.2%,0.5%,0.8%,1.0%有机纤维混杂UHPC试验组进行试验,具体抗压强度如图8所示。

图8 钢-有机纤维混杂UHPC抗压强度Fig.8 Compressive strength of steel-organic fiber hybrid UHPC

钢-PP纤维混杂UHPC与钢纤维UHPC抗压强度增长幅度相似,随着PP纤维掺量的增加,UHPC抗压强度小幅提升。钢-PP纤维混杂UHPC中,1.0%钢纤维分别与0.2%,0.5%,0.8%,1.0% PP纤维混杂时,UHPC的抗压强度分别为120.3,121.8,124.6,128.9MPa,相较于1.0%钢纤维UHPC抗压强度分别提升了6%,8%,10%,14%。随着PP纤维掺量的增加,UHPC抗压强度提升幅度增大,PP纤维与钢纤维混杂有着较好的正混杂效应。

钢-PVA纤维混杂UHPC组中,相较于1.0%钢纤维UHPC抗压强度113.1MPa,1.0%钢纤维与0.2%,0.5%,0.8%和1.0%PVA纤维混杂UHPC的抗压强度分别提高了13%,7%,6%和0%,随着PVA纤维掺量的增加,钢-PVA纤维混杂UHPC抗压强度降低。一方面,PVA纤维能够促进UHPC基体之间的桥接,形成纤维与基体的骨架共同承担外力;另一方面,亲水性PVA纤维更容易降低UHPC拌合物的流动性,导致硬化后的UHPC内部出现更多的孔隙和缺陷,对UHPC抗压性能产生了负面影响[13,15]。当PVA纤维掺量逐渐增加,纤维对UHPC的负面影响起主导作用,导致UHPC抗压强度增长趋势放缓,甚至造成抗压强度下降。

纤维掺量为1.2%～2.0%时,相较于同掺量的钢纤维UHPC抗压强度,钢-PP纤维混杂UHPC抗压强度变化幅度为-3%～0;钢-PVA纤维混杂UHPC抗压强度变化幅度为-15%～6%。

3.4 长短PVA纤维混杂UHPC抗压强度

由前面研究和前人试验总结,当UHPC混杂纤维总体积掺量为2.0%时,UHPC各项性能较好。本试验以纤维总体积掺量为2.0%,设置了长短PVA纤维混杂UHPC分别为A0V20,A5V15,A10V10,A15V5,A20V0。对5种不同混杂比例的UHPC进行抗压强度试验,试验结果如图9所示。

图9 长短PVA纤维混杂UHPC抗压强度Fig.9 Compressive strength of long and short hybrid PVA fiber UHPC

上述长短PVA纤维混杂UHPC抗压强度分别为92.9,100.2,102.5,103.1,109.5 MPa,相较于对照组抗压强度,分别下降了15.1%,8.5%,6.4%,5.8%和0。长短PVA纤维混杂UHPC抗压强度均低于基体抗压强度,这是因为UHPC基体强度高,低弹性模量的PVA纤维在高荷载环境下对抗压强度的提升作用不大;此外,2.0%体积掺量的PVA纤维容易减弱浆体的自密实能力,导致硬化后的基体内部孔隙尺寸增大和孔隙率增加[16],进而导致抗压强度降低。长短PVA纤维混杂UHPC抗压强度随着长尺寸纤维占比的增大而逐渐增加,这是由于长尺寸纤维与基体的锚固长度更长,在桥接裂缝时产生的滑移黏结力比短纤维更大。

4 结语

本文研究了UHPC拌合物性能及UHPC抗压强度,分析了钢纤维掺量、钢纤维与有机纤维混杂、长短PVA纤维混杂对UHPC拌合物流动性和抗压强度的影响,主要结论如下。

1)随着纤维掺量的增加,UHPC扩展度降低,工作性能变差。纤维与基体之间存在摩擦力和内聚力,增大了UHPC中颗粒的运动阻力;分布在基体中的纤维形成的三维乱向网络,阻碍了UHPC拌合物的流动。

2)在1.0%钢纤维UHPC的基础上,掺入0.2%～1.0%的有机纤维时,UHPC抗压强度有所提高。与1.0%钢纤维UHPC相比,纤维掺量1.2%～2.0%的钢-PP纤维混杂UHPC抗压强度提升了6%～14%;纤维掺量1.2%～2.0%的钢-PVA纤维混杂UHPC抗压强度提升了0～13%。有机纤维掺量的增加一方面使得纤维与UHPC基体形成的三维骨架区域更大,另一方面纤维产生的环箍效应更为明显。

3)对比同掺量钢纤维UHPC,钢-PP纤维混杂UHPC抗压强度变化不大;钢-PVA纤维混杂UHPC抗压强度变化较明显。相同纤维体积掺量时,相对于钢纤维UHPC,钢-PP纤维、钢-PVA纤维混杂UHPC抗压强度最大降低幅度分别约3%,15%。