钢纤维掺量及石英砂级配对超高性能混凝土性能的影响

周玉娟，王全超，徐文冰，占 文，舒腾飞

(1.宁波市高等级公路建设管理中心,宁波 315192; 2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,武汉 430040;3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,武汉 430040)

混凝土作为当今社会用量最大的建筑材料，已被广泛应用于各种工程建设中，混凝土对城市及交通工程的建设起着极其重要的作用。然而，普通水泥基材料存在脆性大、氯盐条件下耐腐蚀性差、高力学性能要求下自重大等缺点，尽管纤维的引入对水泥基复合材料具有一定的增强增韧[1-2]，但纤维的掺入并不能阻止粗集料-水泥石间微裂纹的产生，对水泥基材料的密实度并没有改善。

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)由于其致密的微观结构、优良的力学性能及耐久性能有效地解决了普通水泥基材料的现存问题。超高性能混凝土发展至今已取得了不少研究成果及工程应用[3-4]，但现在仍存在一些问题[5-8]，如拌合物粘稠工作性能较差、养护工艺复杂、成本较高等。该研究依据最紧密堆积原理，采用常规养护制度配制出自流平且力学性能非常优异的超高性能混凝土，研究了钢纤维掺量、石英砂的细度及其级配等因素对所制超高性能混凝土力学性能的影响，以解决现存超高性能混凝土工作性差、养护工艺复杂等问题。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥：海螺水泥股份有限公司生产的52.5级普通硅酸盐水泥，3 d抗折强度7.2 MPa、抗压强度38.0 MPa，28 d抗折强度10.8 MPa、抗压强度60.2 MPa；硅灰：上海亨创化工有限公司生产，比表面积18 680 m2/kg，粒径0.1～0.15 μm；粉煤灰漂珠：巩义市欧尚耐材有限公司生产，粒径200目。化学成分组成见表1。

表1 原材料的化学组成 /%

石英砂：佛山玉峰粉体材料有限公司生产，粒径分别为16-26目、26-40目、40-70目、70-120目，其物理参数如表2所示。镀铜带钩钢纤维：上海真强纤维有限公司生产，长径比65，直径0.2 mm，长度13 mm。减水剂：为减水率35%粉末状固体减水剂。拌合水为普通自来水。

表2 石英砂的物理参数

1.2 试验方法

依据实验室前期探索试验结果，确定了最优基准配合比，见表3，其中钢纤维掺量为体积掺量，其余原材之间比例为质量百分比。

表3 研究所用基准配合比

依照配合比将称量好的水泥、硅灰、粉煤灰漂珠、粉体减水剂、石英砂，倒入搅拌锅中慢搅1 min混合均匀，将称量好的水倒入搅拌锅中慢搅3 min，然后缓慢加入称量好的镀铜钢纤维再慢搅3 min，继续快速搅拌1 min即可成型，所制UHPC砂浆可实现自流平。将搅拌好的砂浆倒入40 mm×40 mm×160 mm的试模中振动25次成型。试样成型一天后拆模，标准养护室养护至相应龄期，进行力学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 钢纤维掺量对UHPC性能的影响

在基准配合比的基础上，首先研究了钢纤维掺量对UHPC试样性能的影响，带钩钢纤维的体积掺量为0.33%至3%，上述配比中所用石英砂的粒径为16-26目。由图1可知，当钢纤维掺量大于1%时，随着带钩钢纤维体积掺量的增加，所制UHPC试样的工作性能会相应降低；当钢纤维体积掺量大于2%时，UHPC试样的工作性能已不能满足自流平，这将会增加其实际工程应用中的泵送难度，并增加UHPC试样的成本。当带钩钢纤维体积掺量为2%时，所制UHPC试样的抗折强度增幅最大，其28 d的抗折强度可达38.0 MPa，相较于带钩钢纤维体积掺量为0.33%和1.67%的UHPC试样分别增加了12.7 MPa和7.4 MPa，继续增加带钩钢纤维体积掺量，所制UHPC试样的抗折强度增加并不明显(如图2所示)。并且，如图3所示，随带钩钢纤维体积掺量的增加，所制UHPC试样的抗压强度逐渐增加，较带钩钢纤维体积掺量为0.33%的UHPC试样，当带钩钢纤维体积掺量为2%时，其抗压强度增加了47.4 MPa，达到170.1 MPa，其力学性能得到了大幅提升。综合考虑所制UHPC试样的成本及工作性能，论文选定带钩钢纤维的最佳体积掺量为2%。

钢纤维的掺入能够改善所制UHPC试样力学性能的主要原因为均匀杂向分布的钢纤维能使混凝土基体形成环箍效应[9]，能够约束UHPC基体收缩所产生的微裂纹并阻止其发展，且UHPC基体在受力时，均匀分布的钢纤维搭接环箍效应可以阻止UHPC基体的横向膨胀发展，从而提高UHPC试样力学性能。

2.2 石英砂的细度对UHPC性能的影响

分别采用粒径范围为16-26目、26-40目、40-70目、70-120目的石英砂为骨料制备UHPC试样，并对所制UHPC试样的工作性能及力学性能进行测试，探究石英砂的细度对所制UHPC试样性能的影响。

结果如图4所示，采用16-26目、26-40目、40-70目石英砂为骨料的试样均具有较优异的工作性能；随着石英砂粒径的减小，所制UHPC试样工作性能逐渐降低，且采用70-120目石英砂为骨料时，所制UHPC试样工作性能降低明显(图4(a))，故不宜单独采用粒径范围小于70目(0.212 mm)的石英砂为骨料制备UHPC试样。由图4(b)、图4(c)可知，所制UHPC试样具有非常优异的力学性能，28 d抗折抗压强度最低也可达到34.2 MPa、161.3 MPa。所制UHPC试样的力学性能并非随石英砂粒径的减小而增大，单一粒径范围石英砂中，以26-40目石英砂为骨料的UHPC试样工作性及力学性能最优，其28 d抗折抗压强度分别为40.1 MPa、170.1 MPa。

2.3 石英砂的级配对UHPC性能的影响

根据2.2中实验结果，剔除70-120目石英砂，将16-26目、26-40目、40-70目石英砂以不同质量比例进行级配以确定三者混合的最大紧密堆积密度。首先，将26-40目的石英砂掺入16-26目的石英砂中以测定两者的最佳比例，结果由表4可知，当16-26目和26-40目石英砂的混合比例为1∶1时，紧密堆积密度最大，可达1 450.1 kg/m3。然后在16-26目和26-40目石英砂的最佳混合比(1∶1)的基础上，将40-70目石英砂以不同质量比掺入前两者的混合物中以测定三者的最佳比例。结果如表5所示，当16-26目和26-40目最佳比混合物与40-70目石英砂的比例为7∶3时，紧密堆积密度最大(1 551.8 kg/m3)，因此，16-26目、26-40目和40-70目石英砂最佳混合比例为7∶7∶6。

表4 不同比例的16-26目和26-40目石英砂的紧密堆积密度

表5 不同比例的16-26目、26-40目和40-70目石英砂的紧密堆积密度

将表5中所示的不同比例的石英砂进行进一步试验，以探究石英砂的级配对UHPC性能的影响。由图4(a)和图5可知，级配后的UHPC试样工作性能得到大幅提升，明显优于单一粒径的UHPC试样(掺单一粒径范围石英砂的UHPC试样最大工作性为225 mm)。

由图6、图7可知，较掺单一粒径范围石英砂的UHPC试样(28 d抗折最大值为40.1 MPa，抗压最大值为170.1 MPa)，级配后的UHPC试样抗压值得到一定提高，抗折值并无提高，造成此现象的原因在于UHPC工作性的明显提高利于粉料及纤维的流动堆积而使基体更加紧密，但会导致钢纤维的过多下沉而不利于其发挥环箍增韧效果，因此在制备UHPC试样时在满足工作性能的前提下尽量减少UHPC成型时的震动次数使其自流平。级配后的UHPC试样3 d抗折和抗压强度最低可达26.6 MPa和115.1 MPa，28 d抗折和抗压强度最低可达32.4 MPa和173.8 MPa，其中最佳混合比例(16-26目、26-40目、40-70目石英砂质量比例为7∶7∶6)的石英砂UHPC试样力学性能最优，其28 d抗折抗压强度可达40.2 MPa、187.0 MPa，可解决超高性能混凝土工作性差、养护工艺复杂的问题。

3 结 论

a.UHPC随带钩钢纤维的掺入量的增加力学性能得到显著提高，但随带钩钢纤维掺量的增加，所制UHPC试样的工作性能会有所降低，这将会增加其在实际工程应用中的泵送难度，并增加UHPC试样的成本，论文带钩钢纤维的最佳体积掺量为2%。

b.UHPC试样的力学性能并非随骨料粒径的减小而逐渐增大，而应综合考虑骨料的堆积密度和掺入骨料后UHPC试样的工作性能，优异的工作性能更易于钢纤维的均匀分布，但应减少UHPC成型时的震动次数以避免纤维下沉，较大的紧密堆积密度则更利于发挥最紧密堆积原理。

c.不同粒径石英砂的合理级配可以提高UHPC试样的工作性能及力学性能，当16-26目∶26-40目∶40-70目石英砂质量比例为7∶7∶6，所制UHPC试样的力学性能最优，且其采用常温养护制度满足自流平的性能特点，可提高工程施工效率，降低工程成本。