钢纤维超高性能混凝土的配合比及力学性能研究

黄高峰

（福建融辉工程质量检测有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）在过去的几十年里被广泛地应用于结构工程[1]，在水胶比低于0.25的情况下可以获得较好的力学性能。因此，超高性能混凝土表现出卓越的抗压强度（超过120MPa）和持续的裂缝后拉伸强度（超过5MPa）[2]。且已有学者指出，由于基体和不连续纤维之间的有效结合，钢纤维在混凝土的应力-应变关系中发挥了关键作用[3]。然而，目前较少有研究钢纤维配合比对超高性能混凝土力学性能的影响。基于此，本研究旨在通过采用4种不同类型的钢纤维进一步评估纤维体积含量、纤维类型和养护周期对超高性能混凝土力学性能的影响，并进一步研究抗压应力-应变的关系、拉伸应力-应变曲线、抗压强度和相应的应变。

1 试验材料与方法

1.1 材料

超高性能混凝土基体的粘合剂材料包括52.5R波特兰水泥、硅灰、硅砂和纳米CaCO3粉末。硅砂被用作细骨料，其比表面积为2.62g/cm3，细度模数为1.58。采用细度为100nm的纳米氧化钙粉末作为界面剂以提高微观结构。同时利用实际减水率约为34%的高性能减水剂，以提高超高性能混凝土混合物的可操作性。

在本研究中，使用4种类型的黄铜涂层钢纤维加入到混凝土基体中，如图1所示。即3种不同长宽比（lf/df）的钩状钢纤维（I型为59.09，II型为72.73，III型为64.00），以及一种长度为1mm、直径为0.2 0mm的直纤维（IV型）。同时分别命名4种纤维类型为C-I、C-II、C-III、C-IV。纤维体积含量分别为0、1%、2%和3%。

图1 4种钢纤维外貌

1.2 试样制备

本研究在室内试验室进行超高性能混凝土的制备。在加入水和减水剂之前，将干粉（即水泥、硅粉和纳米CaCO3）和硅砂预混合。将材料再混合4min以使混合物具有足够的流动性。然后，通过筛子加入钢纤维以确保适当的分散。并将厚度约为25mm的新拌混凝土放置在振动台中心夯实。所有试样在浇铸后约24h脱模，然后在潮湿条件下养护28d。

1.3 试验方法

使用最大承载能力为4000kN的电液伺服机进行抗压测试。在测试之前，所有试样都涂有石膏，以尽量减少两端的不平坦表面。按照规范要求的建议，通过两个圆环将两个线性可变差动变压器（LVDT）放置在试样的相对两侧。施加在圆筒试样上的加载速率设置为0.04mm/min。轴向拉伸试验采用位移范围较大的万能试验机，加载速率为0.5mm/min。

2 试验结果与讨论

2.1 纤维体积含量和纤维类型对坍落度和单位重量的影响

图2为钢纤维体积含量和纤维类型对超高性能混凝土混合物的坍落度和单位重量的影响。不含纤维（C-I）的混合物的坍落度为225mm，而纤维体积含量为1%、2%和3%的超高性能混凝土其坍落度分别为222mm、217mm和212mm。含有不同类型纤维的混凝土坍落度主要范围为217～232mm。坍落度没有随着不同的纤维体积含量或类型而发生明显的变化，这归因于纤维的高长径比和低体积含量的纤维对胶凝材料的流变行为影响不明显[4]。且3.2/r［r为长径比（lf/df）］的最高体积含量和最低比率分别为3%和5.2%。然而，当纤维含量增加时，单位重量也随之增加。不含纤维的混凝土单位重量为2294kg/m3，而纤维含量为1%、2%和3%的超高性能混凝土的单位重量分别为2392kg/m3、2429kg/m3和2498kg/m3。

图2 混凝土坍落度和单位重量变化

2.2 抗压应力-应变的关系

图3为不同纤维体积含量、纤维类型试样的抗压应力-应变曲线。每组试样中有三个试样被测试。应变由LVDT变形的平均值除以LDVT测量长度得到，而应力是由荷载除以试样的横截面积得到。

图3 抗压应力-应变曲线

如图3所示，试样均呈现出应力-应变压缩曲线线性上升。由于大裂纹的出现，峰值应力后的负载能力以很快的速度下降。之后，随着纤维的桥接作用和应力的重新分布，载荷下降的速度也在下降。对于不同纤维体积含量的试样，在裂纹完全发展之前，极限抗压强度略有增加。由于纤维桥接效应提供的能量吸收和应力再分配，在有纤维的试样中，峰顶后阶段很明显。相反，在没有纤维的试样中观察到了突然的载荷下降，这与峰值应力后迅速发展的大裂纹所释放的能量有关。此外，更高的纤维含量会导致更高的剩余强度[5]。对于0～3%掺量的纤维，带有钩状纤维的试样往往在应力-应变曲线上表现出不明显的差异，而带有直纤维的试样则表现出较低的峰值应变（与峰值应力相对应的应变），但剩余强度较高。这可能与直纤维和基体材料之间发生的较大滑动有关。

2.3 拉伸应力-应变曲线

图4为试样测量的拉伸应力-应变曲线。应变反映跨度为80mm的测试区域内的LVDT延伸的平均值，而应力通过载荷除以试样狭窄部分的截面积得到。

图4 拉伸应力-应变曲线

如图4所示，试样C-I及C-II、C-III的应力-应变曲线由4个阶段组成，即弹性阶段、应变-硬化阶段、低应变-硬化阶段和应变-软化阶段。对于拉伸试验中的试样，施加的载荷在弹性阶段也是线性增加。在应变硬化和低应变硬化阶段，观察到屈服强化和微裂纹的发展。在应变硬化阶段和低应变硬化阶段结束时，分别发现第一个和第二个应力峰值。随着低应变硬化阶段的结束，由于纤维桥接效应的逐渐失效，应力随着位移的增加而减少。对于不含纤维的试件，微裂纹在弹性阶段后迅速发展，导致试件失效。因此，C-I的结果反映了超高性能混凝土中基体的抗拉强度。此外，初始裂纹和第一个峰值应力随着纤维含量的增加而增加。然而，当纤维含量超过2%时，对拉伸性能的提高是不明显的[6]。且从图4中可以看出，带有直纤维的试样显示出应变的快速增加，而下降部分的差异表明，由于钩端纤维和基体之间有更强的粘合力，可以实现更好的拉伸性能。对于不同纤维掺量的试样，当试样在早期加载时，弹性阶段的应变振幅增加，这与早期的材料刚度低有关。

2.4 抗压强度和相应的应变

表1为纤维体积含量、纤维类型试样的极限抗压强度和相应应变的变化。钢纤维的体积含量和类型对试样的抗压性能表现出非常有限的影响。峰值应力随着钢纤维体积含量的增加而增加。与试样C-I相比，使用体积含量为1%、2%和3%的钢纤维的超高性能混凝土峰值应力分别增加了1.90%、4.70%和7.32%。然而，不同纤维含量的试样在峰值应变方面表现出不明显的差异，这主要归因于纤维体积含量对流动性的负面作用。此外，不同纤维类型的试样在抗压强度和峰值应变方面的变化都很小。经测量，不同纤维含量和类型的试样的峰值应变约为3500με。

表1 极限抗压强度和应变变化规律

3 结束语

本研究通过抗压和拉伸试验，探讨不同钢纤维类型和掺量对超高性能混凝土力学性能的影响。根据试验结果，得出以下结论：

（1）钢纤维体积含量的增加导致超高性能混凝土的坍落度降低。相反，单位重量随着钢纤维的加入而增加。然而，不同纤维类型的超高性能混凝土的工作性能没有明显变化。

（2）超高性能混凝土的拉伸性能主要受纤维体积含量的影响。此外，与直纤维试样相比，钩接纤维试样可以获得更好的拉伸性能。

（3）不同配合比的超高性能混凝土的抗压应力-应变曲线在峰值强度后呈现突然的载荷下降。