超高性能海水海砂混凝土的组成设计与纤维增强增韧

朱德举 ，李龙飞 ，周琳林 ，李安令 ，白夏杨 ，郭帅成

（1.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082；2.湖南省绿色先进土木工程材料国际科技创新合作基地（湖南大学），湖南 长沙 410082；3.建筑安全与节能教育部重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082）

利用海水海砂代替淡水和河砂制备混凝土，可以有效保护淡水资源以及减少河砂开采造成的环境破坏.由于海水海砂中氯离子会加速钢筋的锈蚀，因此，海水海砂难以应用于传统的钢筋混凝土体系.超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）［1］因其低渗透性和高氯离子固化能力，有望避免海水海砂引入造成的锈蚀问题.Teng 等［2］利用白水泥和经筛选后的海砂制备了超高性能海水海砂混凝土（Ultra-high performance concrete seawater seasand concrete，UHPSSC），发现海水和海砂的使用会降低UHPSSC流动性但能提高其早期强度.UHPC凭借其超高的强度、良好的韧性，以及优异的耐久性［3-7］，已经引起了众多学者的关注.UHPC通常使用优质的石英河砂作为细骨料，但目前河砂资源日益枯竭，采用海砂代替河砂有望显著降低UHPC 的制造成本［8］.

通常采用钢纤维提升UHPC 的强度和韧性［9-10］.Tafraoui 等［11］研究表明，当水胶比固定时，受热养护制度和钢纤维掺量能够显著影响UHPC 的抗压强度和抗折强度.除了钢纤维以外，聚丙烯纤维［12］、聚乙烯纤维［13］、聚乙烯醇纤维［14］、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）［15］、耐碱玻纤［16］及玄武岩纤维［17］也是常用的增强纤维类型.其中UHMWPE 纤维具有比钢纤维等更高的强度和与钢纤维相当的弹性模量，可以显著提升水泥基材料的抗裂性能和韧性［18-20］，而且UHMWPE 纤维不存在钢纤维的锈蚀问题，更加适用于UHPSSC 的增强增韧.目前，UHMWPE 纤维主要应用于普通混凝土体系，研究主要集中在UHMWPE纤维增强混凝土构件（包括梁［21］、板［22］、墙［23］等）的抗爆和抗冲击性能等方面.习海平等［24］进一步研究了UHMWPE 纤维对普通UHPC 的影响规律，发现UHMWPE 纤维可以显著提升其抗折强度，对抗压强度的提升效果受到其长径比的影响.目前针对UHMWPE 纤维提升UHPC 性能的研究还较少，采用UHMWPE纤维对UHPSSC的进行增强增韧的研究更是空白.

此外，Rougeron 等［25］认为混凝土配合比设计过程更像是一种技术而非一种科学.仅通过简单计算和调整混凝土各组分掺量，并非设计混凝土配比的原理，合适的混凝土配比既能达到和易性要求，又能满足力学性能、长期耐久性、经济性以及生态等方面的要求.已有学者采用Taguchi设计、混料设计、正交设计、响应面法、单纯形重心设计法等进行了相关研究.单纯形重心设计法是一种效率较高的混料试验统计模型，能根据试验点和响应值给出响应曲线，具有较高的精度和可靠性.孙伟等［26］基于单纯形重心设计法，提出了不同龄期抗压强度与复合胶凝组成之间的定量数学解析式.

本文首先采用单纯形重心设计法进行三元胶凝UHPC 体系的组分设计，采用海水海砂制备UHPC，通过单掺和混掺不同体积分数的短切UHMWPE 和钢纤维，深入研究了纤维对UHPSSC 流动性、抗压强度、抗折强度及弯曲性能的影响.

1 试验材料及方法

1.1 原材料

水泥（C）为湖南南方水泥公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥；硅灰（S）的SiO2质量分数在97%以上；粉煤灰（F）为湖南电力粉煤灰开发公司生产的普通Ⅱ级粉煤灰.基于X 射线荧光（X-ray fluorescence，XRF）光谱分析得到水泥、硅灰、粉煤灰的化学成分，如表1 所示.海砂取自山东青岛，其堆积密度为1 460 kg/m3，表观密度2 610 kg/m3，压碎值3.1%，含泥量1.6%，氯离子质量分数0.012%，硫酸根质量分数0.11%，贝壳质量分数为1.85%，筛分后保留1.18 mm 以下的颗粒用于制备UHPSSC.人工海水根据美国ASTM D1141 标准配制［27］，成分如表2 所示.减水剂采用西卡建材公司生产的聚羧酸型高效减水剂，减水率22%.短切超高分子量聚乙烯纤维及钢纤维的性能指标如表3所示.

表1 胶凝材料的主要化学成分（质量分数）Tab.1 Main chemical composition of cementitious materials (mass fraction) %

表2 人工海水的化学成分Tab.2 Chemical composition of artificial seawater

表3 不同纤维的物理和力学性能Tab.3 Physical and mechanical properties of different fibers

1.2 试件制备

采用单纯形重心设计法设计了C-S-F 三元胶凝体系混凝土的组成，如图1 所示.目标性能可量化表征为各胶凝材料所占比例的函数F（x1，x2，x3）：

式中：xi为各胶凝材料的质量分数.通过图1 中7 组试验值代入方程（1）可以得到基于所使用矿物掺和料对目标性能影响的系数βi，从而得到目标性能与矿物掺和料掺量之间的关系.在本试验中，i=1时，代表水泥；i=2 时，代表硅灰；i=3 时，代表粉煤灰.固定水胶比0.2，砂胶率1.0，减水剂质量占胶凝材料质量的2%，根据图1 胶凝材料组成计算UHPSSC 的配合比，如表4 所示.采用符号和其质量分数来命名配合比，例如C75S15F10代表该配合比为75%水泥+15%硅灰+10%粉煤灰.然后根据测得的流动度和力学性能，对UHPSSC 配合比进行优化.进一步基于优化得到的配合比研究纤维掺量对其综合力学性能的影响，所选定的纤维体积分数分别为0%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%.文中试件编号 U0.3 表示UHPSSC 中掺入0.3% 体积分数 的UHMWPE 纤维；S0.3 表示UHPSSC 中掺入0.3%体积分数的钢纤维；U0S0 表示UHPSSC 中掺入0%的UHMWPE 纤维及0%的钢纤维，其他编号以此类推.

表4 UHPSSC的配合比设计（质量分数）Tab.4 Mix proportion design of UHPSSC（mass fraction）%

图1 胶凝材料组成设计Fig.1 Composition design of cementitious materials

制备过程如下：先将水泥、硅灰、粉煤灰和海砂倒入搅拌机低速干拌3 min，随后加入水和减水剂低速搅拌3 min，然后高速搅拌2 min，最后均匀加入纤维搅拌8 min.测完流动性后进行浇模，浇筑完成后在振动台振动1 min，表面抹平后覆盖保鲜膜，放至标准养护室养护24 h 后拆模，将试件放入80 ℃蒸养箱养护48 h，随后冷却至室温进行相关力学性能测试.

1.3 性能测试

流动度测试参照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005），抗折抗压强度测试参考《水泥胶砂强度检测方法》（GB/T 17671—1999），弯曲性能测试采用MTS微机控制电子试验机（型号C43.304），加载方式为三点弯曲，跨距为100 mm，加载速率为0.5 mm/min，跨中挠度通过安置在试件中间底部的LVDT 进行记录，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm.根据ASTM C1018-97［28］采用韧性指数表征试件开裂之后的耗能能力，韧性指数越高表示试件开裂后耗能越大.

2 结果与讨论

2.1 三元胶凝组成的优化与确定

基于单纯形重心设计法，以流动度及抗折、抗压强度为目标性能，将测试值（表5）代入公式（1），可分别建立UHPSSC 流动度（s）、抗压强度（σc）、抗折强度（σb）与胶凝体系配合比之间的关系，如公式（2）～（4）所示.根据拟合的公式绘制三元等值线图，定量表征流动度、抗压强度和抗折强度随胶凝组成的变化情况，如图2 所示.由图2（a）～（c）可知，在C-S-F 体系中，UHPSSC 的流动度随着硅灰掺量的增加而降低，随着粉煤灰掺量的增加而变大.由于硅灰粒径比为100 nm 左右，显著小于粉煤灰和水泥粒径（20 µm 左右），其较高的比表面积需要更多胶凝材料包裹以保证流动性，因而会导致流动性降低；而粉煤灰为表面光滑的球状颗粒，其滚珠效应能在一定程度上改善混凝土的流动性.UHPSSC 的抗压强度随着硅灰掺量的增加先增大，在掺量15%左右时达到最大，同时随着粉煤灰掺量的增加逐渐降低.其抗折强度随着硅灰掺量的增加而增大，同时随着粉煤灰掺量的增加逐渐降低.这是因为硅灰和粉煤灰均可与水化产物Ca（OH）2发生火山灰反应生成C-S-H 凝胶，促进混凝土的二次水化.此外，由于硅灰颗粒远小于水泥颗粒，可以通过填充作用进一步提升水化产物的密实度.由于火山灰反应较慢，粉煤灰将降低混凝土的早期水化程度.

表5 基于三元胶凝体系的UHPSSC工作性能和力学性能Tab.5 Workability and mechanical properties of UHPSSC with ternary cementitious system

为同时保证UHPSSC 的流动度和强度，限定流动度达到240 mm 以上，抗压强度和抗折强度分别不低于120 MPa 和12 MPa，可确定最佳硅灰掺量为10%～20%、粉煤灰掺量为0～15%、水泥掺量为70%～80%，如图2（d）所示.采用胶凝材料m水泥∶m硅灰∶m粉煤灰=0.75∶0.15∶0.10，所制备的UHPSSC 流动度为260 mm，抗压强度为123.6 MPa，抗折强度为12.02 MPa.

图2 采用三元胶凝体系的UHPSSC的目标性能等值线图Fig.2 Target performance contour plot of UHPSSC with ternary cementitious system

2.2 单掺UHMWPE及钢纤维对UHPSSC性能的影响

图3 给出了不同体积分数的UHMWPE 纤维及钢纤维对UHPSSC 流动度的影响.随着两种纤维掺量的增加，UHPSSC 的流动度均会逐渐降低.这是由于纤维掺量增多，使浆体内部摩擦阻力增大，导致流动度显著降低.掺入UHMWPE 纤维的UHPSSC 的流动度降低幅度更大，当UHMWPE 纤维体积分数从0%增加到0.3%和1.0%时，流动度由260 mm 分别降低到205 mm 和150 mm，降幅为21.2%和42.3%.与UHMWPE 纤维相比，当钢纤维体积分数从0%增加到1.0%时，降幅仅有13.5%，其对UHPSSC 流动度的影响较小，且试件更易成型.这是因为钢纤维较UHMWPE 纤维在UHPSSC 中的分散性更好，从而对其流动度影响较小，而UHMWPE 纤维表面憎水，从而分散均匀性较差，使UHPSSC的流动度降低明显.

图3 纤维体积分数对UHPSSC流动度的影响Fig.3 Effect of fiber volume fraction on the flowability of UHPSSC

图4 为不同体积分数下的UHMWPE 纤维及钢纤维对UHPSSC抗压强度的影响.可以看出UHPSSC的抗压强度随着纤维掺量的增加均逐渐提升，原因在于UHMWPE 纤维或钢纤维的掺入，可抑制UHPSSC 的裂缝萌生和发展，提升其抗压强度.当UHMWPE 纤维和钢纤维体积分数 从0%增加到1.0%时，UHPSSC 的抗压强度由123.6 MPa 分别增加到140.6 MPa 和148.9 MPa，增幅为13.8%和20.5%.而在相同掺量下，相对于UHMWPE 纤维，掺入钢纤维的UHPSSC 抗压强度略高，表明钢纤维对UHPSSC抗压强度的提升效果优于UHWMPE 纤维.原因在于UHMWPE 纤维在UHPSSC 中分散性相对较差，会增加其内部孔隙或缺陷，从而影响增强效果.

图4 纤维体积分数对UHPSSC抗压强度的影响Fig.4 Effect of fiber volume fraction on the compressive strength of UHPSSC

图5 为单掺UHMWPE 纤维或钢纤维的UHPSSC试样荷载-位移曲线.对于不含纤维的UHPSSC 试件，其达到开裂荷载后发生脆性断裂，而掺入纤维后UHPSSC 试件的抗弯强度和韧性均显著提升.对于掺入UHMWPE 纤维的UHPSSC 试件，可同时观测到初裂和二次峰值荷载.UHPSSC 试件初裂后，荷载主要通过纤维与水泥基材料界面桥联作用承担，桥联作用随着纤维掺量增加而增强，而初裂荷载主要由水泥基材料的开裂强度决定.当纤维体积分数达到1%时，UHPSSC 试件的二次峰值荷载会超过其初裂荷载.对于掺入钢纤维的UHPSSC 试件，当纤维掺量较少时，试件开裂后，由于纤维的桥接作用不足以抵抗外荷载从而造成荷载的急促下降，随后，裂纹沿试件高度扩展造成更多的纤维参与桥接作用，从而使荷载缓慢下降.而当纤维掺量较大时，试件开裂后，由于纤维的桥接作用明显，荷载会继续增大到极限荷载.图6给出了不同纤维增强的UHPSSC试件破坏断面形貌.可以看出，在不同掺量下，掺入UHMWPE纤维的UHPSSC 试件均为纤维滑移、拔断破坏，掺入钢纤维的UHPSSC 试件均为纤维拔出破坏.另外，相比于UHMWPE 纤维，UHPSSC 中的钢纤维已发生不同程度的锈蚀，这主要是因为海水海砂中含有大量氯离子.然而，UHMWPE 纤维能够耐氯盐腐蚀，这使得其在UHPSSC 试件中几乎无腐蚀.针对UHPSSC中存在钢纤维锈蚀问题，需要进行针对性防锈处理.表6 列出了单掺UHMWPE 纤维或钢纤维的UHPSSC 力学性能的变化情况.随着纤维掺量的增加，UHPSSC 的抗折强度均逐渐提升.这是由于在UHPSSC 中掺入高强度的纤维，在受到弯曲荷载时，纤维可对UHPSSC 基体提供一定的桥联应力，开裂后可在一定程度上抑制裂缝进一步发展，承担基体开裂所释放的部分应力，并通过充分发挥纤维和基体之间的黏结能力将所受荷载赋予侧面还未破坏的部分，最后纤维被完全拔断或拔出，UHPSSC 完全破坏.当UHMWPE 纤维体积分数从0%增加到1.0%时，UHPSSC 的抗折强度由12.0 MPa 增加到16.5 MPa，增幅达37.5%，其中体积分数从0%增加到0.7%时，增幅仅为12.1%，对抗折强度提升效果不太明显，而体积分数从0.7%增加到1.0%时，抗折强度增幅达22.2%，对抗折强度提升效果较为明显；当钢纤维体积分数从0%增加到1.0%时，UHPSSC 的抗折强度由12.0 MPa 增加到22.4 MPa，增幅达86.7%，同样钢纤维体积分数从0.7%增加到1.0%时，其提升幅度显著大于体积分数从0%增加到0.7%.而在相同掺量下，掺入钢纤维的UHPSSC 抗折强度较UHMWPE 纤维略高，说明钢纤维对UHPSSC 的增强效果优于UHWMPE纤维.

图5 单掺UHMWPE或钢纤维的UHPSSC荷载-位移曲线Fig.5 Flexural load-displacement curves of UHPSSC reinforced with UHMWPE fiber or steel fiber

表6 单掺UHMWPE纤维或钢纤维UHPSSC的弯曲力学性能Tab.6 Flexural mechanical properties of UHPSSC with UHMWPE fiber or steel fiber

图6 单掺不同体积分数的UHMWPE或钢纤维的UHPSSC破坏断面形貌Fig.6 Failure morphologies of UHPSSC with different volume fractions of UHMWPE fiber or steel fiber

2.3 混掺UHMWPE和钢纤维对UHPSSC性能影响

将体积分数为0.5%的UHMWPE 纤维与0.5%、1.0%的钢纤维混掺，研究了两者的混杂效应.图7给出了混掺UHMWPE 和钢纤维的UHPSSC 弯曲性能曲线，表7列出了不同掺量纤维的UHPSSC 流动度及抗压强度和抗折强度.可以看出，随着钢纤维掺量的增加，UHPSSC 的流动度略有下降，抗折和抗压强度有很大提升，抗压强度由127.1 MPa 增长到153.4 MPa，增幅达20.7%；抗折强度由12.8 MPa 增长到21.9 MPa，增幅达71.1%.混掺较单掺情况下，UHPSSC 的流动度有所下降，抗折、抗压强度都有所提升.其中，单掺是指在UHPSSC 中仅掺入0.5%的UHMWPE 纤维，混掺是指在UHPSSC 中掺入0.5%的UHMWPE 纤维，并同时分别掺入0.5%或1.0%的钢纤维.随着钢纤维掺量的增加，UHPSSC 的弯曲韧性、峰值荷载（强度）都大幅提升，说明混掺对其弯曲性能起到了显著的增强增韧效果.混掺UHMWPE 和钢纤维的UHPSSC 弯曲破坏断面的形貌如图8 所示.钢纤维从基体中拔出，UHMWPE 纤维被拔断，与单掺两种纤维时UHPSSC的破坏形态基本相同.

图7 混掺UHMWPE和钢纤维的UHPSSC荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of UHPSSC reinforced with UHMWPE and steel fibers

表7 混掺UHMWPE和钢纤维的UHPSSC工作性、抗压强度和弯曲力学性能Tab.7 Workability，compressive strength and flexural mechanical properties of UHPSSC reinforced with UHMWPE and steel fibers

图8 混掺UHMWPE和钢纤维的UHPSSC破坏断面形貌Fig.8 Failure morphologies of UHPSSC reinforced with UHMWPE and steel fibers

3 结 论

1）在水泥-硅灰-粉煤灰三元体系中，随着硅灰掺量的增加，UHPSSC 的流动度逐渐降低；抗压强度先增大后降低，在质量分数为15%时达到最大；抗折强度逐渐提升.随着粉煤灰掺量的增加，UHPSSC 的流动度逐渐提高，抗压强度和抗折强度均逐渐降低.胶凝材料组成最优配比为m水泥∶m硅灰∶m粉煤灰=0.75∶0.15∶0.10.

2）单掺UHMWPE 纤维或钢纤维，随着纤维掺量的增加，UHPSSC 的流动度均会降低，其中前者的降低幅度大于后者；力学性能均提高.当纤维体积分数相同时，钢纤维对其力学性能的增强效果更好，但钢纤维发生锈蚀.

3）混掺UHMWPE 纤维和钢纤维的UHPSSC 流动度略有下降，抗折强度、抗压强度和弯曲韧性都大幅提高，起到了明显的增强增韧效果.