纤维混掺超高性能混凝土抗冲磨与拉伸性能研究

王雄锋，陈 波，张晓闯，吕乐乐，张 丰

(1.南京水利科学研究院 水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210029；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 研究背景

很多大型高水头电站，例如向家坝、石头峡、白鹤滩、大石峡以及锦屏一级水电站等其最大泄流流速均超过40 m/s。水工泄水建筑物长期受到高速夹沙、夹石水流的反复冲磨，会造成混凝土的严重冲蚀和磨蚀，大大缩短建筑物的服役寿命[1-2]。在泄水建筑物的修补工程中，常常使用高强度等级混凝土。例如：新疆和田乌鲁瓦提水利枢纽工程、乌鲁木齐河青年渠渠首段、喀群引水枢纽泄洪闸段均受到砂石长期冲磨，后采用C60混凝土对破坏面进行修复。实践证明，提高混凝土的强度等级是抵抗推移质冲磨的有效方法[3]。但是，也有报道[4]指出，在西部某些地区的泄水建筑物中，C60甚至C80的高强混凝土也存在冲磨破坏现象。并且高强混凝土存在脆性大、抗裂性差以及抵抗变形性能差等问题。因此具有超高抗压强度、超高韧性、超高耐久性的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)的出现为泄水建筑物冲磨破坏提供了一种新的修补材料[5]。

纤维作为UHPC的重要组分之一，其品种和掺量对混凝土各项性能有着重要的影响[6-8]。Yoo等[9]研究了不同类型钢纤维和超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene，PE)纤维混掺对UHPC拉伸性能的影响，发现随着PE纤维取代率的增加，钢-PE纤维混掺UHPC的应变能力和能量吸收能力显著提高，但抗拉强度有所下降。Son等[10]采用端钩钢纤维与直径为0.1 mm聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)纤维混掺，研究了混掺比例对混凝土拉伸性能的影响，得出1.5%端钩钢纤维与0.5% PVA纤维混掺比单掺2.0%端钩钢纤维的抗拉强度大的结论，并认为PVA纤维的掺入提高了端钩钢纤维的拉拔阻力，从而进一步提高混凝土的韧性。Li等[11]研究了1.3%短直钢纤维与0.5%多种粗有机纤维混掺UHPC的抗拉性能，发现有机纤维的掺入会提高UHPC的抗拉强度和韧性，但是也会降低抗压强度；不同有机纤维替代部分钢纤维，UHPC抗拉韧性因有机纤维种类不同而呈现不同的规律。Wongprachum等[12]研究了钢纤维、聚丙烯(Polypropylene，PP)纤维和超细聚丙烯纤维对混凝土抗冲磨性能的影响，发现无论何种纤维都能够提高混凝土的抗冲磨性能；当纤维掺量为1.0%时，PP纤维对混凝土抗冲磨性能的提升效果优于钢纤维。Liu等[13]的研究认为纤维能够增强基体的抗剪性能和抗拉性能，从而提高混凝土的抗冲磨性能。

为明晰纤维种类与掺量对UHPC抗冲耐磨性能的影响，同时考虑到钢纤维UHPC在水下冲磨时易发生表面锈蚀，而且钢纤维与有机纤维混掺能提高UHPC的性价比，降低材料成本，本文从拉伸断裂能量吸收的角度研究单掺微细钢纤维UHPC、混掺微细钢纤维-PP纤维/长短PVA纤维UHPC的冲磨性能，为UHPC在泄水建筑物中的应用提供技术支撑。

2 实验

2.1 原材料水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度为49.4 MPa，比表面积为350 m2/kg。硅灰SiO2含量为93.32%，密度为2160 kg/m3。粉煤灰为F类I级粉煤灰，密度为2100 kg/m3。砂为河砂，表观密度为2640 kg/m3，细度模数为2.9。纤维采用圆直镀铜微细钢纤维、聚丙烯(PP)纤维和两种长度的聚乙烯醇(PVA)纤维，具体参数见表1。

表1 纤维物理性能参数

2.2 配合比设计进行UHPC的配合比设计时，先设计最紧密堆积的基体[14-15]，如表2所示，然后在此基础上添加适量纤维。

表2 UHPC基体配合比 单位：kg/m3

纤维混掺方式分为钢-PP纤维混掺、钢-PVA纤维混掺和长短PVA纤维混掺，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、掺量及28 d抗压强度，如表3所示。

表3 编号及其对应的纤维种类与掺量

2.3 试件制备UHPC的制备过程为：(a)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1 min；(b)将水缓慢倒入搅拌机并持续搅拌5～6 min；(c)采用人工均匀投入方式将纤维在2 min内撒入浆体中，接着搅拌3 min；(d)搅拌完成后浇筑混凝土入模具中，并振动15～25 s至密实状态。试件成型完毕后，在(20±2)℃的环境下静置1 d后拆模，将拆模后的试件置于温度(20±2)℃、相对湿度95%以上的标准养护室内继续养护至28 d。

2.4 试验方法

2.4.1 抗冲磨性能试验 试验试件尺寸为φ300 mm×100 mm的圆饼状试件。试验参照《超高性能混凝土试验方法标准》(T/CECS 864—2021)的“水下钢球法”进行，叶片转速为1200 r/min，每隔24 h加水至初始水面高度，累计冲磨72 h。

2.4.2 抗拉性能试验 UHPC的单轴拉伸试验参照《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T 2461—2018)进行。试件采用哑铃形状试件，试件厚度为13 mm；两端夹持段长为75 mm，宽度为60 mm；中间受拉区段长为100 mm，宽为30 mm。

3 结果与讨论

3.1 纤维混掺对抗冲磨性能的影响

3.1.1 钢纤维与粗合成纤维混掺UHPC抗冲磨性能 钢纤维UHPC和钢-PP/PVA纤维混掺UHPC的抗冲磨强度如图1所示。

图1 UHPC抗冲磨强度

UHPC基体(Blank组)抗冲磨强度为51.0 h/(kg/m2)，对比UHPC基体的抗冲磨强度，钢纤维掺量1.0%～2.0%时，抗冲磨强度增长8%～41%。结果表明，随着钢纤维掺量的增加，UHPC抗冲磨强度呈增长趋势。这是因为钢纤维在UHPC基体中形成了吸收滚动钢球冲击和研磨能量的保护层[16]。此外，由图1中曲线趋势可以看出，当钢纤维掺量超过1.5%时，UHPC抗冲磨强度增长幅度变快。这是由于当钢纤维体积掺量较大时，纤维与纤维、纤维与混凝土之间形成的三维网格效果更好，相互搭接的纤维能够将钢球冲击荷载分散，降低冲击瞬时应力，提高抗冲磨性能。除此之外，钢纤维掺量增加能够显著提高试样中钢纤维密度[17]，促使冲磨表层有更多的钢纤维吸收钢球冲磨能量，保护基体免受钢球直接冲击。

1.0%钢纤维与0.2%、0.5%、0.8%和1.0%PP有机纤维混掺，钢-PP纤维混掺UHPC的抗冲磨强度分别为60.6、65.7、66.7和69.7 h/(kg/m2)，相比1.0%钢纤维UHPC，抗冲磨强度分别提高了10%、19%、21%和26%。1.0%钢纤维与0.2%、0.5%、0.8%和1.0%PVA有机纤维混掺，钢-PVA纤维混掺UHPC的抗冲磨强度分别为54.8、57.9、60.9和68.5 h/(kg/m2)，相比1.0%钢纤维UHPC，抗冲磨强度分别提高了0、5%、10%和24%。在1.0%钢纤维掺量的UHPC中加入0.2%～1.0%的PP纤维或PVA纤维，能进一步提高UHPC抗冲磨性能。这是因为，表面的有机纤维与钢纤维共同形成一层薄的缓冲层，以吸收钢球的研磨和冲击能量。

相较于同掺量的钢纤维UHPC，钢-PP纤维混掺UHPC纤维总掺量1.2%～2.0%时，抗冲磨强度变化幅度为-3%～13%，结果表明，当纤维掺量较少时(1.2%～1.8%)，PP纤维替代部分钢纤维能够提高UHPC抗冲磨强度。这是由于试件表面钢纤维一部分被撬起脱落，一部分被钢球磨断(如图2所示)，导致表面由钢纤维形成的缓冲层削弱，钢球直接冲击和磨蚀UHPC基体[12]；与此同时，裸露在表面的PP纤维仍部分埋置在基体表层，减小钢球直接对基体造成冲击和磨蚀损害。相较于同掺量的钢纤维UHPC，钢-PVA纤维混掺UHPC纤维总掺量1.2%～2.0%时，抗冲磨强度下降1%～4%，PVA纤维替代部分钢纤维掺入UHPC中对抗冲磨强度几乎没有影响。此外，当纤维掺量为2.0%时，钢纤维UHPC抗冲磨强度略高于钢-PP纤维混掺UHPC。造成这一结果的原因可能是随着钢纤维掺量的增大，使得试件表面形成较多的相互搭接的钢纤维(如图3)，因此减弱了钢纤维被钢球冲磨后翘起脱落的现象，大幅提高了钢纤维UHPC的抗冲磨性能。综上所述，纤维掺量相同时，钢-PP纤维混掺UHPC的抗冲磨性能整体略优于钢纤维UHPC，而钢-PVA纤维混掺UHPC与钢纤维UHPC的抗冲磨强度基本相当。

图2 钢纤维脱落形成的坑

图3 相互搭接的钢纤维

3.1.2 长短PVA纤维混掺UHPC抗冲磨性能 长短PVA纤维混掺UHPC与纤维掺量同为2.0%的钢纤维UHPC、钢-PP/PVA纤维混掺UHPC抗冲磨强度进行对比，试验结果如图4所示。

图4 纤维掺量为2.0%的UHPC抗冲磨强度

A0V20、A5V15、A10V10、A15V5和A20V0抗冲磨强度分别为58.5、68.7、55.7、50.4和60.6 h/(kg/m2)。与UHPC基体相比，长短PVA混掺纤维UHPC抗冲磨强度变化幅度为-1.2%～34.7%，除A15V5组外，其他4组PVA纤维UHPC的抗冲磨强度均高于UHPC基体，掺加PVA纤维有利于提升UHPC的抗冲磨强度。长短PVA纤维混掺UHPC的抗冲磨强度，比同掺量钢纤维UHPC下降4%～29%；比同掺量钢-PP/PVA纤维混掺UHPC下降0～27%，长短纤维混掺UHPC的抗冲磨强度低于同掺量的钢纤维UHPC和钢-PP/PVA纤维混掺UHPC。当长短PVA纤维的比例为1∶3时(A5V15)，长短PVA纤维混掺UHPC抗冲磨强度最高，优于单掺长PVA纤维或单掺短PVA纤维，比单掺长PVA纤维UHPC(A20V0)的抗冲磨强度提高了17.4%，比单掺短PVA纤维UHPC(A0V20)的抗冲磨强度提高了13.4%。由图4可知，长短PVA纤维混掺UHPC时，长短PVA纤维存在一个最优比例。单掺长PVA纤维UHPC抗冲磨强度略高于单掺短PVA纤维UHPC，这可能是因为较长的纤维在混凝土中的埋置长度较大，能够和混凝土基体有更好的黏结作用，在冲磨过程中不易被带出，使得表面存在较多的纤维能够吸收钢球的冲击能量。

3.2 轴心抗拉性能研究试验研究了单掺钢纤维与钢纤维-PVA混掺UHPC的抗拉性能。

3.2.1 钢纤维UHPC拉伸应力-应变曲线 钢纤维UHPC拉伸应力-应变曲线如图5所示。

图5 钢纤维UHPC轴心抗拉应力-应变曲线

从图5中看出，钢纤维掺量对UHPC的拉伸性能产生了较明显的影响。对于未掺纤维的Blank组试件，曲线只有上升段和直线下降段，即经历弹性阶段后试件直接断裂，属于脆性破坏。1.2%掺量钢纤维UHPC试件表现出应变软化行为，其破坏过程经历了2个阶段：第1阶段为弹性阶段，在应力达到峰值时结束；第2阶段为软化阶段，应变增加，应力呈现上下波动，随着应变进一步地增大，应力快速下降，该阶段曲线整体呈逐渐下降趋势。1.5%、1.8%和2.0%钢纤维掺量的UHPC试件表现出应变硬化行为，其破坏过程经历了3个阶段：第1阶段为弹性阶段，达到弹性极限时结束；第2阶段为应变硬化段，该阶段随着应变的增加，应力也在增加，直至达到峰值应力时结束；第3阶段为残余下降段，应变持续增大，应力快速下降。混凝土在细观上为多相介质组成的复合材料，受力过程中所表现出的非线性应力-应变关系是细观非均质损伤演化过程的宏观表现[18]。

从图5中可以得出，1.5%、1.8%和2.0%钢纤维掺量的UHPC试件在峰值荷载后的应力-应变曲线斜率随着钢纤维掺量的增大而减小。这是由于一方面钢纤维在试件破坏过程中是拔出失效；另一方面钢纤维形状为短直圆钢纤维，在裂缝处的钢纤维与基体之间主要以摩擦应力为主，当达到峰值荷载后发生滑移的钢纤维桥接基体的作用大幅减弱，因此，钢纤维掺量越多，峰值后发生滑移的钢纤维也就越多，导致曲线下降幅度变快。

3.2.2 钢-PVA纤维混掺UHPC拉伸应力-应变曲线 钢-PVA纤维混掺UHPC拉伸应力-应变曲线如图6所示。

图6 钢-PVA纤维混掺UHPC拉伸应力-应变曲线

从图6可知，随着PVA纤维掺量的提高，钢-PVA纤维混掺UHPC的弹性上升段的峰值应力分别为6.56、7.22、7.68和7.73MPa，均高于Blank组的5.54 MPa，提高幅度为18.4%～39.5%，PVA纤维替代0.2%～1.0%掺量的钢纤维后，抑制了基体微裂缝的产生与扩展的能力仍比较显著[19]。与钢纤维UHPC的拉伸应力-应变曲线普遍表现出应变硬化现象不同，钢-PVA纤维混掺UHPC的拉伸曲线总体上均表现出应变软化现象，这表明PVA纤维对UHPC的增强增韧效果要弱于钢纤维。

3.2.3 UHPC抗拉强度 钢纤维UHPC和钢-PVA纤维混掺UHPC的抗拉强度如图7所示。钢纤维体积掺量分别为1.2%、1.5%、1.8%和2.0% UHPC试件的抗拉强度比基体分别提高了24.7%、50.7%、59.7%和79.1%，抗拉强度明显提高。钢纤维在基体开裂后桥接基体，承受外部荷载，当纤维掺量增

图7 UHPC抗拉强度

多时，能够承受更大的外界荷载，所以随着钢纤维掺量的增加，UHPC抗拉强度增大。

随着PVA纤维掺量的增加，钢-PVA纤维混掺UHPC抗拉强度逐渐增大。钢-PVA纤维混掺UHPC中，PVA纤维掺量从0.2%增大到1.0%时，UHPC抗拉强度提升了17.8%。随着PVA掺量的增加，钢-PVA纤维混掺UHPC的抗拉强度增长幅度减缓，这是因为PVA纤维掺量的增加使得更多纤维参与桥接裂缝，抑制裂缝发展；与此同时，过多的PVA纤维导致UHPC内部孔隙缺陷逐渐显著，使得UHPC抗拉强度的提升随着PVA纤维掺量的增大而减缓。

对比相同掺量的钢纤维UHPC，1.2%、1.5%、1.8%和2.0%纤维掺量的钢-PVA纤维混掺UHPC抗拉强度分别下降了5.3%、15.7%、15.2%和28.3%，PVA纤维取代部分钢纤维时，UHPC的抗拉强度有所下降，随着PVA纤维的替代率增大，UHPC抗拉强度下降幅度增大，这与Yoo等[9]的研究结果一致。因为在钢纤维和PVA纤维与UHPC基体的拉拔试验中，钢纤维与基体的抗拉拔强度比PVA与基体的抗拉拔强度高[20]，所以PVA纤维替代部分钢纤维后纤维桥接应力降低，能量吸收能力减弱，导致混掺PVA纤维后的UHPC抗拉强度下降。

3.2.4 UHPC拉伸断裂能 纤维除了对强度的影响外，对混凝土的抗裂性和变形能力有着良好的作用。基于试样在拉伸应力达到初裂强度前不开裂，初裂后残余形变不增加的两个假设[11]，对试件应力-应变数据进行处理，得出试件拉伸应力与裂缝扩展宽度的关系，UHPC拉伸应力-变形曲线如图8所示。

图8 UHPC拉伸应力-变形曲线示意[11]

UHPC试件在拉伸过程中的总变形量δ为：

δ=δo+δe+ω

(1)

根据上述假设得出以下关系式：

(2)

式中：δ为试件总变形；δe、δo分别为试件弹性变形和断裂区以外的残余变形；ω为裂缝扩展宽度；σ为拉伸应力；ε为拉伸应变；δp为峰值应力对应的总变形；σp为峰值应力；Et为弹性模量；l为试件单轴拉伸测试标距。

将式(2)代入式(1)可以得出拉伸应力-裂缝扩展宽度(σ-ω)关系式如下：

(3)

由式(3)可得UHPC拉伸应力-裂缝扩展宽度曲线，如图9所示。为定量化评价不同纤维掺量试件的σ-ω的差异，引入断裂能Gf参数。断裂能是指单位面积裂缝所消耗的能量，即为应力-裂缝宽度曲线下的面积。Gf计算式为：

图9 UHPC轴拉应力-裂缝扩展宽度曲线

(4)

Liu等[17]建议对钢纤维与PVA纤维混掺混凝土拉伸韧性评估时，ω值选取0.5和1.0 mm，这有利于评估钢纤维-PVA纤维混掺混凝土在抗拉峰值后的作用。计算ω为0.5和1.0 mm时UHPC的断裂能，如图10所示。

图10 不同裂缝宽度时UHPC断裂能

钢纤维体积掺量从1.2%增大到2.0%，UHPC在ω为0.5与1.0 mm时，断裂能分别增长了43.17%和27.81%，表明钢纤维掺量的增加一定程度上能够提高UHPC的韧性。当ω较小时，钢纤维抑制UHPC裂缝萌生与扩展的现象显著，增韧效果明显；当ω较大时，钢纤维出现了脱黏滑移，导致与基体之间的作用力显著下降，增韧效果减弱。纤维掺量1.2%～2.0%，ω为0.5和1.0 mm时，钢-PVA纤维混掺UHPC相较于同掺量的钢纤维UHPC断裂能下降幅度分别为8%～43%和1%～67%。钢纤维比PVA弹性模量大且与基体粘结强度更大，在抑制微裂缝萌生和发展中效果更好，所以当纤维掺量相同时，钢纤维UHPC比钢-PVA纤维混掺UHPC断裂能高，韧性更好。因此，钢纤维抑制微裂缝萌生与扩展的效果优于同掺量的钢-PVA混掺纤维。

综上所述，在混凝土受拉过程中，混掺UHPC中的钢纤维对抑制微裂缝发展起主要作用，但裂缝进一步扩展后，钢纤维与基体发生滑移，其对基体的桥接效果明显下降，导致钢纤维抑制裂缝发展作用明显减弱。而PVA纤维弹性模量与基体基本相当，且与基体化学黏结性强，在裂缝生成与扩展过程中能吸收一定的能量，这一定程度上阻碍了既有微裂缝的扩展和新裂缝的生成，能起到增韧的效果。试验发现，在相同掺量时，钢-PP纤维混掺UHPC抗冲磨强度略优于钢纤维UHPC；钢-PVA纤维混掺UHPC抗冲磨强度与钢纤维UHPC基本相当，但抗拉性能略低于钢纤维UHPC。因此，对UHPC性能影响不大的条件下，钢纤维与粗有机纤维混掺使用能够减少钢纤维的用量，从而降低UHPC成本。

4 结论

(1)在1.0%掺量的钢纤维UHPC中加入0.2%～1.0%的PP纤维或PVA纤维，能进一步提高UHPC抗冲磨性能；纤维总掺量相同时，钢-PP纤维混掺UHPC的抗冲磨性能略优于钢纤维UHPC，而钢-PVA纤维混掺UHPC与钢纤维UHPC的抗冲磨强度基本相当，长短PVA纤维混掺UHPC抗冲磨强度最低；存在一个最优长短纤维混掺比例。在泄水建筑物修补中建议使用1.0%钢纤维和0.2%～0.8% PP纤维混掺UHPC提高结构的抗冲磨性能。

(2)钢-PVA纤维混掺UHPC拉伸应力-应变曲线表现为应变软化；纤维总体积掺量相同时，钢-PVA纤维混掺UHPC抗拉强度较钢纤维UHPC降低5.3%～28.3%。

(3)裂缝扩展宽度为0.5和1.0 mm时，钢-PVA纤维混掺UHPC相较于钢纤维UHPC断裂能的降低幅度分别为8%～43%和1%～67%，钢纤维比钢-PVA纤维混掺能更好地抑制微裂缝的萌生与扩展。