钢纤维掺量及规格对桥梁用超高性能混凝土性能影响的研究

欧 忙,任玉英,谢芸菲

(1.郑州工业应用技术学院建筑工程学院,河南 郑州 451100；2.大连理工大学 建设工程学院,辽宁 大连 116024)

混凝土作为目前世界上应用最多的一类建筑材料，被广泛应用在各类建筑结构中。近年来，全球范围的混凝土用量始终保持在50亿m3/a以上[1]。随着各类高耸建筑和大跨桥梁的设计修建频频出现，对混凝土性能的使用要求也逐渐提高，普通混凝土的性能已难以满足。鉴于普通混凝土本身存在的抗拉强度低、抗裂性能差等缺陷，研制使用性能更佳的优质混凝土成为新的研究方向[2-4]。

1994年，Larrard 和Sedran首次提出“超高性能混凝土”这一概念[5]。超高性能混凝土作为一类新型复合材料的诞生，能够有效改善混凝土的均匀性和密实度，韧性、抗拉、抗弯等力学性能及耐久性均得到提升，得到业内的广泛认可，但受生产条件和养护条件的制约，同时考虑经济性的情况下，尚未进行大规模推广应用。

国内外在超高性能混凝土方面已进行一定程度的研究，虽然国内这方面研究起步较晚，但已取得一定成果。赵军[6]等人研究发现，掺入剪切波纹型钢纤维时，当掺量不超过2%，对提高混凝土抗压强度有帮助；朱海棠[7]等人研究发现，随着钢 纤维掺量的增加，能够提供混凝土的弯曲韧性；黄承逵[8]等人研究发现，钢纤维混凝土在抗冲击性能和耐疲劳性能方面的提高效果显著；梁兴文[9]等人研究发现，掺入长钢纤维的超高性能混凝土的力学性能优于掺入短钢纤维，且效果显著；YOO[10]等人研究发现，随着钢纤维掺量的提高，超高性能混凝土的抗压性能是先提高后降低，表明应合理选择钢纤维的掺量。可见，钢纤维掺量及规格对超高性能混凝土的性能有很大程度的影响，为进一步探究这一问题，在前人研究的基础上，本文将通过对比试验进行施工性能和力学性能方面研究。

1 试验部分

1.1 试验材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸盐水泥，具体成分见表1；砂：精制石英砂，粒径20目～50目；微硅粉：深灰色，具体指标及成分见表2；矿粉：白色，具体指标及成分见表3；减水剂：瑞士西卡530P聚羧酸减水剂，白色粉末状；钢纤维：镀铜平直型，长度分别为13、16、18、20 mm共4种规格，具体指标见表4；水：普通矿泉水。

表1 水泥组成成分表Table 1 Composition of cement材料类型水泥不同成分占比/%CaO+MgOSiO2Al2O3Fe2O3K2O+Na2OTiO2水泥60.8318.957.115.961.340.00

表2 微硅粉组成成分表Table 2 Composition of micro silica powder材料类型烧失量/(g·m-2)活性指数/(g·m-2)比表面积/(g·m-2)微硅粉不同成分占比/%SiO2CaO+MgOK2O+Na2OAl2O3Fe2O3TiO2微硅粉2.81252096.370.360.220.180.120.00

表3 矿粉组成成分表Table 3 Composition of mineral powder材料类型粒径/μm矿粉不同成分占比/%SiO2CaO+MgOK2O+Na2OFe2O3TiO2/%Al2O3矿粉1.695.831.861.790.330.090.00

表4 钢纤维物理及力学指标表Table 4 Physical and mechanical indexes of steel fiber规格长度/mm容重/(g·cm-3)直径/mm长径比弹性模量/MPa抗拉强度/MPa外观类型137.800.20652.05×1052 850平直型167.800.20802.05×1052 850平直型187.800.20902.05×1052 850平直型207.800.201002.05×1052 850平直型

(a) 长度13 mm

1.2 试验设计

a.试验分组[11-13]。

在本试验中共设置2个组别，分别为：

① 试验1：A1～A9为0%～4%的不同钢纤维掺量试验组，选用13 mm长、Φ 0.2 mm的钢纤维；

② 试验2：A6、B1～B3为不同长径比的钢纤维试验组，本组试验选用2.5%的钢纤维体积掺量，长度分别为13、16、18、20 mm共4种。

在上述试验中，试验1中仅设置钢纤维掺量为变量，试验2中仅设置钢纤维长径比为变量，其余各组分相对比例保持不变，混凝土的水胶比设置为0.18，分组情况详见表5。

表5 试验分组表Table 5 Test grouping table组号钢纤维规格/mm钢纤维体积掺量/%组号钢纤维规格/mm钢纤维体积掺量/%A1130 A7133 A2130.5A8133.5A3131A9134A4131.5B1162.5A5132B2182.5A6132.5B3202.5

b.试验仪器。

游标卡尺: 150 mm×0.02 mmⅡ型，哈尔滨量具集团有限责任公司；数显式液压万能试验机：BJWE-S300B，济南铂鉴测试技术有限公司；微机控制电液伺服万能试验机：WAW-2000，上海华龙测试仪器有限公司。

c.试验方法。

根据《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)和《活性粉末混凝土》(GB T 31387-2015)的试验要求，抗压强度试件采用100 mm×100 mm×100 mm标准立方体，每组3个，抗折强度试件采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，每组3个。按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)在注模前进行扩展度试验，然后将试件在标准养护条件下养护28 d后，进行抗压强度、抗折强度试验。其中，抗压强度试验采用微机控制电液伺服万能试验机(WAW-2000)，最大量程2 000 kN，试验过程中控制加载速度为5 kN/s；抗折强度试验采用数显式液压万能试验机(BJWE-S300B)，量程为300 kN，试验过程中控制加载速度为0.05 mm/min。

图2 扩展度试验

图3 抗压强度试验

图4 抗折强度试验

2 钢纤维掺量对超高性能混凝土性能影响试验结果与分析

不同掺量钢纤维对超高性能混凝土的扩展度、抗压强度、抗折强度[14-15]的影响如下：

从图5可以看出，随着钢纤维掺量的增加，超高性能混凝土的扩展度呈降低趋势，特别是当掺量超过1%后，扩展度降低量特别显著，这是因为钢纤维掺量增加使得钢纤维与混凝土之间的摩擦增强而降低了混凝土的流动性。当掺量到达1%之前，随着钢纤维掺量增加，扩展度变化幅度较大，约为-6.5%；当掺量到达1%之后，随着钢纤维掺量增加，扩展度变化幅度显著降低，约为-1.0%。

图5 扩展度测试结果图

从表6和图6、图7可以看出：① 当钢纤维掺量为0时，超高性能混凝土的抗压强度为107.13 MPa，当掺量为4%时，超高性能混凝土的抗压强度为166.84 MPa，增幅达55.7%，可见，钢纤维的掺入对改善超高性能混凝土抗压强度有显著作用。同时，随着钢纤维掺量的增加，超高性能混凝土的抗压强度在整体上呈增加趋势，试验结果表明，钢纤维增加了混凝土内部的粘结性，对混凝土内部微裂缝的发展起到了很好的抑制作用。钢纤维掺量自0.5%递增至4%过程中，相邻组之间抗压强度增加幅度相近。② 随着钢纤维掺量的逐级递增，抗折强度变化幅度相差较大。当掺量在3.5%以下时，随着钢纤维掺量的增加，超高性能混凝土的抗折强度整体上呈增加趋势，最大值为43.74 MPa，而当掺量超过3.5%时，抗折强度出现陡降，变化幅度为-22.5%。试验结果表明，当钢纤维掺量达到4%时，混凝土内部钢纤维出现“结团”现象，对内部的密实度造成影响，对混凝土的抗折强度有负面作用。

表6 抗压强度与抗折强度测试结果Table 6 Test results of compressive strength and flexural strength钢纤维体积掺量/%抗压强度试验值/MPa抗压强度平均值/MPa抗折强度试验值/MPa抗折强度平均值/MPa101.622.30107.3107.1321.421.57112.521.0125.720.10.5135.6131.1823.221.45132.321.1133.320.41137.3137.3020.922.43141.325.9143.124.31.5147.1146.7328.026.35150.026.8143.035.22159.4149.3832.635.00145.737.1154.736.42.5162.3157.2439.936.80154.734.1154.442.13162.6160.1338.939.45163.337.3162.045.93.5161.2161.1243.143.74160.242.2170.633.34164.3166.8433.533.91165.735.0

图6 抗压强度测试结果图

图7 抗折强度测试结果图

综上所述，不同掺量的钢纤维对超高性能混凝土扩展度、抗压强度、抗折强度的影响不同，且在确定钢纤维合理掺量时，应综合考虑钢纤维掺量对抗压强度和抗折强度的影响存在差异性，同时考虑施工时对混凝土流动性的要求。

3 钢纤维长径比对超高性能混凝土性能影响试验结果与分析

不同长径比钢纤维对超高性能混凝土的扩展度、抗压强度、抗折强度的影响如下：

图8 扩展度测试结果图

从图8可以看出，在保持钢纤维掺量在2.5%的情况下，随着钢纤维长径比的增加，超高性能混凝土的扩展度呈降低趋势。试验结果表明，钢纤维长径比越大，钢纤维与超高性能混凝土之间的相互作用越显著，摩擦力越大，从而引起超高性能混凝土的流动性降低，扩展度变小。当长径比为65时，扩展度为613 m；当长径比为100时，扩展度为508 mm，长径比的增加共引起变化幅度为-17.1%。

从表7和图9、图10可以看出：在保持钢纤维掺量在2.5%的情况下，随着钢纤维长径比的增加，超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度整体上呈增加趋势，但变化幅度均较小。当钢纤维长径比为100时，超高性能混凝土的抗压强度最大值为164.89 MPa，抗折强度最大值为42.05 MPa。试验结果表明，随着钢纤维长径比的增加，钢纤维与混凝土内部的接触作用更加显著，应力作用距离增加，对混凝土内部裂缝发展的抑制作用提高，从而引起超高性能混凝土的抗压强度、抗折强度等性能有所提高。

表7 抗压强度与抗折强度测试结果Table 7 Test results of compressive strength and flexural strength长径比抗压强度试验值/MPa抗压强度平均值/MPa抗折强度试验值/MPa抗折强度平均值/MPa154.736.465162.3157.2439.936.80154.734.1162.037.080168.4162.4137.939.11156.942.4166.640.090164.1164.2034.438.70162.041.8167.544.6100156.0164.8938.742.05171.142.8

图9 抗压强度测试结果图

图10 抗折强度测试结果图

综上所述，不同长径比的钢纤维对超高性能混凝土扩展度、抗压强度、抗折强度的影响不同。当钢纤维掺量确定后，考虑施工时混凝土流动性的前提下，适当提高钢纤维长径比有助于提高超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度。

4 结论

本文针对钢纤维掺量及规格在超高性能混凝土中的应用展开了研究，探究了两种参数变化对超高性能混凝土的扩展度、抗压强度、抗折强度等方面性能的影响，得到如下结论：

a.当钢纤维长径比为65时，随着掺量的增加，超高性能混凝土扩展度呈降低趋势，抗压强度呈增加趋势，抗折强度呈先增加后降低的趋势，抗压强度、抗折强度最大值分别为166.84、43.74 MPa，对应的钢纤维掺量分别4%和3.5%。因此，在确定钢纤维合理掺量时，应综合考虑钢纤维掺量对超高性能混凝土抗压强度和抗压强度的影响存在差异性，同时考虑施工时对混凝土流动性的要求。

b.当钢纤维为2.5%时，随着长径比的增加，超高性能混凝土扩展度呈降低趋势，抗压强度、抗折强度均呈增加趋势，抗压强度、抗折强度最大值分别为164.89、42.05 MPa。因此，在选择钢纤维长径比时，钢纤维掺量确定后，考虑施工时混凝土流动性的同时，适当提高钢纤维长径比有助于提高超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度。

c.钢纤维掺量和规格对改善超高性能混凝土的施工流动性和力学性能存在一定差异性，两者之间相互影响，钢纤维的最佳掺量并不唯一，因此，应在满足混凝土工作性能的前提下，适当提高钢纤维的长径比，从而改善超高性能混凝土在桥梁工程中的应用，较少裂缝的出现，提高耐久性。