钢-聚甲醛混杂纤维超高性能混凝土力学性能试验

程旭日

[元翔(福州)国际航空港有限公司,福建 福州 350200]

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种新型的混凝土材料,具有高强度、高韧性和长久耐用的特点[1]。在实际工程中,为了进一步提升UHPC的性能,广泛采用纤维掺入技术来增加强度和韧性。混杂纤维超高性能混凝土的力学性能不仅与材料组成相关[2],还受纤维尺寸等因素影响[3]。开展混杂纤维超高性能混凝土的力学性能研究,揭示不同掺量与长径比下的力学性能响应规律,对UHPC工程结构设计具有重要的应用意义。

近年来,国内外学者对混杂纤维超高性能混凝土的力学性能等进行了一系列试验研究和数值模拟。在混杂纤维种类方面,通过研究,Karim等[4]发现,将钢纤维与尼龙、聚乙烯醇和碳纤维等混入时,构件在挠度较大的情况下具有保持强度的能力。另外,Kang等[5]的研究表明,在混凝土中掺入1.0%钢纤维和0.5%聚乙烯纤维时,能够最有效地提高轴拉强度和轴拉变形性能。同月苹等[6]、朱德举等[7]研究表明,适量混入高弹性和低弹性纤维可以显著提高力学性能,但掺入纤维含量过高的UHPC的力学性能可能会略微下降。杨益伦等[8]发现,钢纤维的掺入可改善UHPC强度高而脆性强的特性,提高UHPC抗断裂性能。

在混杂纤维形状方面,根据Ji等[9]的研究结果,异形钢纤维与基体的黏结强度优于平直钢纤维,其中端钩型钢纤维的黏结强度较平直钢纤维提高了121%,表现最佳。Wu等[10]发现,在相同掺量下,端钩型钢纤维相比直型钢纤维和波纹型钢纤维,能够更有效地提高抗压强度、抗弯强度以及与基体的黏结强度。此外,Park等[11]发现,混合平直型、扭转型和端钩型钢纤维具有更高拉伸应力。林毅焌[12]发现,直钢纤维与弓形纤维混杂,可能会导致纤维分布得不均,其断裂能甚至小于单独掺加纤维的情形。不同形状、不同掺量钢纤维混入对UHPC性能的影响较为复杂,需要进行进一步探讨。苏家战等[13]发现,在钢纤维总掺量不变的情况下,混杂短圆直和长圆直钢纤维对UHPC材料的抗拉强度、初裂强度和弹性模量,均能达到正混杂效应;混杂不同长径比的弓形钢纤维,仅提高抗拉强度和弹模,对初裂强度没有明显的影响。

混杂纤维虽然已被广泛应用于混凝土中,纤维尺寸也是影响UHPC性能的重要影响因素,但目前研究少有关于混杂纤维长径比与混杂纤维具体尺寸对混凝土性能影响的探讨。为此,本文以混杂纤维掺量和长径比为主要变化参数,实施了实施17组不同配合比的立方体试件流动度试验与抗压试验,各组配合比分别在3、7、28 d的养护龄期制作6个有效试件,分析其流动度、抗压强度等性能指标,以期揭示纤维掺量与纤维尺寸对超高性能混凝土力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料及基准配合比

水泥为P.O型52.5级硅酸盐水泥;硅灰采用Ⅱ级硅灰,SiO2质量分数≥96%;粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰;石灰石粉,主要成分是重质碳酸钙;细集料采用粒径0.4～0.6 mm的石英砂;减水剂采用聚羧酸型高效减水剂。2种纤维分别为镀铜钢纤维和聚甲醛纤维,纤维参数见表1所示,纤维尺寸如图1所示。

(a) 0.2 mm直径钢纤维 (b) 0.2 mm直径聚甲醛纤维 (c) 0.1 mm直径聚甲醛纤维

表1 纤维参数

本文各试验组的基体配合比相同,如表2所示,根据试验可得,其28 d抗压强度为104.0 MPa,28 d抗折强度为10.1 MPa。

表2 UHPC基体配合比

1.2 试件制备及加载

试件制备步骤如下:首先将所用的胶凝材料与细集料一并放入搅拌机搅拌2 min后,再将水和减水剂均匀混合后加入,搅拌5 min后,再加入纤维并继续搅拌2 min,将搅拌完成的UHPC倒入已铺好密封膜的早期自收缩模具中,置于恒温恒湿室,待达到初凝时间后测试其早期自收缩。对于力学性能和干燥收缩试件,则将UHPC拌合物分层倒入模具后振捣,再覆膜养护24 h后拆模,置于恒温恒湿室养护。

测定拌合物的流动性,跳桌试验示意图见图2所示。力学性能试验按照文献[14-15]所述的方法进行试验加载,使用2 000 kN电液伺服系统万能试验机进行抗压试验,试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。按照上述成型方法浇筑试件,然后在浇筑后的24 h内进行拆模。将试件进行不同龄期的标准养护,包括3、7、28 d 3个龄期。每个龄期期间,制作6个有效试件。试验采用1.0 kN·s-1的速度荷载控制加载。

图2 流动性试验图

1.3 试验方案设计

各试验组的钢纤维与聚甲醛纤维掺量及长径比如表3所示。其中:U0为没有掺入纤维的原始组;A组的钢纤维和聚甲醛纤维掺量不同,长径比相同;B组试验掺入相同掺量和相同长径比的钢纤维与聚甲醛纤维;C组试验比较了钢纤维与聚甲醛纤维在固定掺量的情况,长径比均一致,但尺寸不同;D组和E组将不同长径比的钢纤维与聚甲醛纤维进行混杂。表3中:VS为钢纤维体积掺量;VP为聚甲醛纤维体积掺量;lS为钢纤维长度;dS为钢纤维直径;lP为聚甲醛纤维长度;dP为聚甲醛纤维直径;λS为钢纤维长径比,λS=lS/dS;λP为聚甲醛纤维长径比,λP=lP/dP。

表3 各试验组混杂纤维主要参数

2 试验结果与分析

2.1 流动性试验

2.1.1 不同掺量下UHPC流动度的变化规律

为了研究UHPC流动度在不同掺量下的变化规律,通过逐渐减少钢纤维掺量并逐渐增加聚甲醛纤维掺量的方式进行了5组试验。A1组:VS=2.0%,VP=0;A5组:VS=0,VP=2.0%;另外4组将不同掺量比例的钢纤维和聚甲醛纤维混合掺入UHPC中(表3)。

如图3所示,UHPC的基准组U0的流动度达到最大285 mm。添加2.0%的钢纤维后,流动性下降18%。在UHPC的浇筑过程中,纤维会沿着基体流动方向垂直分布,给基体流动造成阻力,从而降低UHPC的流动性。此外,添加纤维后会以无序的方式分散在UHPC的基体中,形成一种骨架结构,改变了颗粒骨架的组织,进一步削弱了UHPC的流动性。

组别

混杂纤维的总体积掺杂量保持在2.0%时,随着钢纤维含量的增加,UHPC的流动性呈下降趋势。当聚甲醛纤维的体积掺杂量为1.5%,钢纤维的体积掺杂量为0.5%时,UHPC的流动性降低了9.0%。产生这种变化的原因可能是由于聚甲醛纤维的密度比钢纤维小,更容易被分散到UHPC中,而钢纤维在UHPC基体中产生骨架作用,不易分散。此外,基体内部的水分容易吸附在钢纤维表面,进一步阻碍了基体的流动性。因此,在混杂纤维中增加聚甲醛纤维掺量更利于UHPC的流动性。

2.1.2 不同纤维长径比下UHPC流动度的变化规律

根据图4的结果显示,钢-聚甲醛混杂纤维的长径比对UHPC混凝土的流动性有一定的影响。无论钢-聚甲醛混合纤维的直径是否相同,UHPC的流动性都会随着长径比的增加而逐渐降低。

组别

2.2 抗压强度试验

2.2.1 不同掺量下UHPC抗压强度的变化规律

为了研究UHPC抗压强度在不同掺量下的变化规律,不同掺量下UHPC抗压强度的变化情况如图5所示。根据图示结果可以看出,随着养护时间的增加,所有5组UHPC试件的抗压强度呈现增长的趋势。纤维的添加使混凝土内形成了乱向分布的纤维网格骨架,有效抑制了UHPC基体中裂纹的形成和扩展,改善了其脆性状态,从而增强了UHPC的强度。

组别

各实验组中,2%钢纤维掺入的UHPC具有最高的抗压强度。在3、7、28 d时,与基准组U0相比,其抗压强度分别提高了53.0%、38.0%和32.0%。2.0%聚甲醛纤维掺入的UHPC抗压强度的增长最低,3、7、28 d的强度分别增长了15.0%、3.1%和2.9%。在纤维总掺量相同的情况下,随着钢纤维的减少,抗压强度也会下降[16-17]。钢纤维在混凝土内具有增强加固作用,从而提高了立方体试件的抗压强度[18]。同时,聚甲醛纤维增加引入更多内部的缺陷,反而降低环箍作用[19]。

2.2.2 不同纤维长径比UHPC抗压强度的变化规律

B组试验中的纤维直径都为0.2 mm,如图6所示,钢纤维与聚甲醛纤维混合后,试件的抗压强度、纤维的长径比和龄期有一定的关系。在试验组B1～B3中,钢-聚甲醛混合纤维直径均为0.2 mm,长径比分别为60、80和120。可以看出,随着养护龄期的增加,试件UHPC试件的3、7、28 d的抗压强度呈上升趋势,并且都有不同程度的提高。当钢-聚甲醛杂化纤维的长径比为60时,试件抗压强度分别提高了34.0%、36.0%和24.0%。而当长径比为80时,试件的抗压强度分别提高了56.0%、45.0%和28.0%。当钢-聚甲醛混合纤维的长径比为120时,试件的抗压强度分别提高了55.0%、47.0%和32.0%。然而,随着龄期的增加,抗压强度的增幅逐渐减小。这是因为在试验过程中,纤维和基体共同承担荷载,而砂浆的强度和弹性模量会随着龄期和水化程度的加深而逐渐增加,因此纤维对整体抗压强度的影响会逐渐减弱[20-21]。

组别

在C1～C3试验组中,改变了纤维直径,其中钢纤维直径为0.2 mm,聚甲醛纤维直径为0.1 mm。如图7所示,钢-聚甲醛混合纤维的长径比与UHPC试件的抗压强度呈正相关。钢-聚甲醛混合纤维的长径比分别为60、80和120,混合纤维的引入不会对基体的水化过程产生影响。根据UHPC的水化特性,抗压强度随时间的增加而增加,早期发展迅速,后期强度较高。具体而言,当长径比为60时,UHPC的28 d抗压强度最低,比基准组提高了23.0%。而当长径比为120时,UHPC的28 d抗压强度最高,比长径比为60时提高了11.0%。

组别

根据图8中的结果,在长径比相同的情况下,聚甲醛纤维的直径对含有钢-聚甲醛共混纤维的超高性能混凝土试样的抗压强度影响很小。考虑长径比为60、80和120的钢-聚甲醛混合纤维UHPC试样,其抗压强度随着纤维长径比的增加而增加,纤维长度的增加增强了纤维对超高强度混凝土的横向约束,从而提高了其抗压强度。

组别

可知,聚甲醛纤维直径的变化对UHPC试样的抗压强度影响不大,钢纤维对基体有明显的增强作用,而聚甲醛纤维的增强作用并不明显。当相同长径比的钢纤维与聚甲醛纤维混合时,只需考虑纤维的长径比对抗压强度的影响,可以不考虑纤维直径和长度的影响。

3 抗压试验分析

3.1 破坏模式分析

图9为抗压试验中的破坏模式比较,可以看出在抗压试验过程中,未掺纤维的基准组U0的破坏模式与掺入纤维的超高性能混凝土试件有明显的差异。从图9(a)看出,基准组U0没有掺入纤维,宏观裂缝和贯通裂缝同时发生,表现出明显的脆性破坏模式,出现剪切式剥落碎块,破坏前出现起皮和板状鼓起的迹象。从图9(b)中可以看出,纤维的加入可以限制基体的破坏并提高其完整性,使得掺入纤维的UHPC试件的破坏模式变得更具有延性和韧性。纤维的加入抑制了微裂缝的形成,纤维的横向约束效果也更加明显,类似于箍筋的约束作用,核心混凝土的极限抗压强度提高,试件的破坏主要是试件表面周围混凝土的剥落[22]。在试件破坏后形成一些碎块,但这些碎块比未掺纤维基准组的要小得多。

(a) 基准组U0试件破坏形态(未掺纤维)

3.2 最佳配合比指标分析

如前所述,在相同长径比的情况下,纤维的直径和长度对试件的抗压强度影响不大。定义一个指标,即钢纤维与聚甲醛纤维长径比的差值,用来衡量两者之间的差距。

3.2.1λS<λP时不同长径比

进行不同的长径比的试验,聚甲醛纤维和钢纤维的长径比差值λ0分别为20、40和60,钢纤维的长径比小于聚甲醛纤维。钢-聚甲醛纤维混杂与抗压强度的关系如图10所示,在28 d的龄期下,λ0分别为20、40和60时,抗压强度分别提升了25.0%、32.0%和26.0%。λ0为40时,UHPC试件的抗压强度最大。

λ0

可以分析,在混杂不同长径比的纤维时,短纤维在初始阶段能够抑制微裂缝的发生和扩展。当微裂缝发展成宏观裂缝后,较长的纤维起到桥接和延伸的作用。这2种纤维的协同和互补作用显著增强了UHPC材料的抗压性能。然而,当混杂的2种纤维的长径比差值过大时,短纤维容易被拔出或拉断,而长纤维则无法及时桥接宏观裂缝,导致纤维的阻裂效果减弱。同时,当长径比差值过大时,纤维受到的“边界效应”更加明显,从而导致UHPC材料的抗压强度降低。另一方面,当2种纤维的长径比差值过小时,纤维容易形成团块,分布不均匀,形成纤维与基体间的低黏结强度界面,进而降低UHPC的抗压强度。

3.2.2 λS>λP时不同长径比

UHPC的抗压强度随着长径比的增加呈现先升高后降低的趋势。混杂纤维的长径比差值对UHPC的抗压强度影响很大。当混杂纤维的长径比差值过小时,纤维容易相互搭接,形成纤维团聚,导致混凝土内部产生更多的缺陷与孔隙。而当混杂纤维的长径比差值过大时,容易出现“边界效应”,纤维更容易旋转,使纤维的方向与受力方向垂直,从而减弱了纤维的阻裂作用,降低了UHPC材料的抗压强度。

试验结果表明,在不同长径比的钢纤维与聚甲醛纤维混杂时,存在一个最佳的长径比差值40,可以获得最佳的抗压强度。这也表明,在实现混杂纤维效益最大化的过程中,找到合适的长径比差值是关键。只有在这个最佳长径比差值下,才能实现混杂纤维所能发挥的最佳效果,并获得最好的抗压性能。

4 结论

通过对不同配合比的立方体试件流动度试验与抗压试验研究与分析,探讨了不同钢纤维和聚甲醛纤维混杂掺量与长径比对试件的流动度、抗压强度等性能指标的影响,并总结规律。同时,通过试验现象分析钢-聚甲醛混杂纤维超高性能混凝土破坏模式,选取2种纤维长径比差值作为判断最佳配合比的指标,得到试验组最佳配合比。得到以下结论:

1) 掺量对钢-聚甲醛混杂纤维UHPC的性能有显著影响。未掺纤维的基准组流动性能最好,混杂纤维的性能优于单一纤维的掺入。聚甲醛纤维掺量对UHPC的流动性能的提升有促进作用,当掺入1.5%聚甲醛纤维和0.5%钢纤维时,UHPC的流动性受到的影响最小。钢纤维掺量对UHPC的抗压强度增加有积极作用,单独掺入2.0%钢纤维时的抗压强度最高,比基准组增加了32.0%,掺入聚甲醛纤维能改善UHPC的工作性能。

2) 混杂纤维的长径比增大会降低UHPC的流动性,而直径较小的聚甲醛纤维试验组展示了更好的流动性。对于钢纤维与聚甲醛纤维长径比为24 mm的混杂组合,相比基准组,流动性降低了30.0%。在力学性能方面,UHPC的抗压强度随混杂纤维长径比的增加而增加,达到最佳效果时的长径比为120。此时,聚甲醛纤维的直径对钢-聚甲醛混杂纤维UHPC的抗压强度影响较小。

3) 未掺纤维的试件破坏模式呈现脆性破坏,即宏观裂缝和贯通裂缝同时存在。混杂纤维掺入后的超高性能混凝土试件的破坏模式变得更具延展性和韧性。纤维明显起到横向约束作用,抑制了微裂纹的形成,从而提高了试件的极限抗压强度。

4) 对于钢-聚甲醛混杂纤维UHPC材料,为获得较好的延性和抗压能力,可以对混杂纤维的长径比进行优化。选择2种纤维长径比的差值作为指标,对比了不同的长径比组合,钢纤维与聚甲醛纤维的长径比差值增加后,工作性能呈现先增加后减小的趋势。在钢纤维和聚甲醛纤维掺量分别是2.0%以及1.0%时,当长径比差值为40时,流动性相比基准组减弱了25.0%,抗压强度最好,相比基准组U0提升了36.0%。