趙宇，曹鑫，陳翠翠

（1.江蘇雙龍集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211100；2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

超高性能混凝土（ultra high performance concrete，簡(jiǎn)稱UHPC），于20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始被開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是具有非常致密的多孔結(jié)構(gòu)、出色的機(jī)械性能和高耐久性，它的水膠比低于0.2，不含粗骨料，含有大量水泥和添加劑，尤其是含有大量的硅灰。纖維不同的摻量對(duì)UHPC 的力學(xué)性能有不同的影響，通常是摻量越高UHPC 的抗拉、抗壓強(qiáng)度越高。但摻量過(guò)高會(huì)在攪拌時(shí)凝結(jié)成團(tuán)，造成材料的浪費(fèi)并影響試件的性能。鋼纖維的高成本是不能推廣UHPC 應(yīng)用的主要因素，所以目前迫切需要我們?nèi)ソ鉀Q的問(wèn)題在于如何減小成本并且能夠滿足工程性能要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

水泥采用硅酸鹽水泥（P·Ⅱ52.5R），其參數(shù)見(jiàn)表1。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，硅灰外觀為灰色粉末。

表1 水泥參數(shù)

1.1.2 砂

砂采用天然河砂，其粒徑不超過(guò)4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為2.29，表觀密度為2 600 kg/m2，級(jí)配良好。

1.1.3 鋼纖維

實(shí)驗(yàn)用的鋼纖維的表觀密度為7.8 g/cm3，其具體性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 鋼纖維性能指標(biāo)

1.1.4 減水劑

實(shí)驗(yàn)采用聚羧酸系高效減水劑，減水率達(dá)到30%，固含量為30%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 UHPC 的制備

鋼纖維的用量分別為混凝土體積分?jǐn)?shù)的0%、1.5%、2%、2.5%，以便于研究不同鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)的配合比見(jiàn)表3。UHPC 制備過(guò)程具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：①根據(jù)配合比計(jì)算各項(xiàng)材料的具體用量。②按照提前計(jì)算好的各項(xiàng)材料的用量，精確稱量各項(xiàng)材料。③在攪拌工作開(kāi)始前，用水將所有攪拌鍋與攪拌器濕潤(rùn)，以防在整個(gè)攪拌工作過(guò)程中造成水分大量流失。將所有膠凝材料均倒入攪拌鍋中，用旋轉(zhuǎn)攪拌器緩慢將膠凝材料攪拌到均勻?yàn)橹埂嚢柽^(guò)程中要不間斷用鏟子抄底，以防鍋底攪拌不均勻，還要將鍋壁的漿體刮入鍋中。接著將所有稱量處理好的減水劑材料和水均勻混合過(guò)后直接倒入攪拌鍋并繼續(xù)充分?jǐn)嚢?。注意要用事先稱量好的水將裝有減水劑容器的杯壁清理干凈倒入攪拌鍋。鋼纖維、砂均分批、分量多次倒入攪拌鍋，充分?jǐn)嚢琛?/p>

表3 不同鋼纖維摻量UHPC 的配合比

1.2.2 UHPC 流動(dòng)性測(cè)量

根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)量流動(dòng)性，采用下錐口內(nèi)徑100 mm、上錐口內(nèi)徑70 mm、高60 mm 的截錐試模測(cè)試。

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試

流動(dòng)性測(cè)試結(jié)束后將拌合物裝模，在把漿體裝入模具之前要先給模具刷油，以便拆模。將裝完漿體的模具放在振動(dòng)機(jī)上振搗，根據(jù)漿體的坍落擴(kuò)展度決定振搗時(shí)間的長(zhǎng)短。振搗完成后用鏟子將其上表面抹平，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模。拆模完成后，將每個(gè)試塊按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行編號(hào)，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)參照GB/T 50081—2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度所測(cè)定的每組數(shù)據(jù)處理方法：取對(duì)這一組混凝土試件的所測(cè)出的各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)的算術(shù)加權(quán)計(jì)算平均值，即可直接作為用來(lái)確定測(cè)試該組試驗(yàn)試塊的抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)。分析抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)：需要取這6 個(gè)的平均值，若有1 個(gè)數(shù)據(jù)超出平均±10%，則取剩下5 個(gè)數(shù)據(jù)平均數(shù)作為抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若仍有數(shù)據(jù)超出平均值的±10%，則該組的數(shù)據(jù)無(wú)效，需要重新測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼纖維摻量對(duì)流動(dòng)性的影響

當(dāng)摻入鋼纖維后，漿體的均勻性有所下降，尤其是鋼纖維摻量為2.5%的時(shí)候，漿體均勻性較差，局部還有團(tuán)聚。鋼纖維摻量對(duì)流動(dòng)性能影響見(jiàn)圖1。

圖1 鋼纖維摻量對(duì)流動(dòng)性的影響

從圖1 可以看出，對(duì)于初始流動(dòng)性來(lái)說(shuō)，鋼纖維摻量的增加會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性隨之降低，當(dāng)鋼纖維摻量為2.5%時(shí)，與不摻鋼纖維漿體相比流動(dòng)性下降了80 mm，下降幅度達(dá)24%。30 min 后的流動(dòng)度變化規(guī)律和初始流動(dòng)性相似，隨著鋼纖維的摻入量逐漸增加，流動(dòng)性也逐漸隨之降低，下降幅度最大達(dá)到24%。這是由于鋼纖維在水泥漿體中的分布縱橫交錯(cuò)，并且鋼纖維的自重較大，阻礙了漿體的流動(dòng)。對(duì)于30 min 的流動(dòng)性損失來(lái)說(shuō)，當(dāng)鋼纖維摻量分別為0%、1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，30 min 流動(dòng)性損失分別為1.5%，1.6%，0.7%，1.9%。鋼纖維會(huì)引起初始流動(dòng)性急劇下降，但是對(duì)30 min 流動(dòng)性損失沒(méi)有明顯影響。

2.2 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 給出的是不同鋼纖維摻量的細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖2 可以看出，對(duì)于同一個(gè)齡期而言，鋼纖維會(huì)提高細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度，細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維用量的增加而提高。與不摻鋼纖維樣品相比，當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%的時(shí)候，細(xì)骨料UHPC 的3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別提高了19%、40%、41%。說(shuō)明鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC 的中長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度具有顯著的提升作用。整體來(lái)看，當(dāng)鋼纖維摻量超過(guò)1.5%的時(shí)候，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率開(kāi)始變緩。對(duì)于齡期為28 d 時(shí)，鋼纖維摻量為2.5%的時(shí)候，細(xì)骨料UHPC的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到50%。從抗壓強(qiáng)度結(jié)果來(lái)看，鋼纖維摻量并不是越多越好。數(shù)量太多時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致纖維出現(xiàn)團(tuán)聚，使得漿體中鋼纖維不能夠均勻分布。當(dāng)纖維分布不均勻時(shí)，混凝土中就會(huì)產(chǎn)生薄弱的區(qū)域，使超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅逐漸減小。從流動(dòng)性、工程造價(jià)和材料性能等方面綜合考慮，鋼纖維對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提升存在最佳摻量。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 鋼纖維摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖3 給出的是不同鋼纖維摻量的細(xì)骨料UHPC的抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖3 可以看出，對(duì)于同一個(gè)齡期而言，隨著鋼纖維摻量的增加，細(xì)骨料UHPC的抗折強(qiáng)度也在明顯增加。當(dāng)齡期為3 d 的時(shí)候，鋼纖維摻量為1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度分別提高了31%、52%、73%。當(dāng)齡期為7 d 的時(shí)候，鋼纖維摻量為1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度分別提高了36%、47%、73%。當(dāng)齡期為28 d 的時(shí)候，鋼纖維摻量為1.5%、2%、2.5%的時(shí)候，抗折強(qiáng)度分別提高了28%、44%、61%。3 d 和7 d 的抗折強(qiáng)度提高程度相比28 d 抗折強(qiáng)度更明顯，說(shuō)明鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC 的早期抗折強(qiáng)度具有顯著的提高效果，并且鋼纖維摻量越多，抗折強(qiáng)度提升的越明顯。鋼纖維摻量2.5%的樣品的抗折強(qiáng)度提升幅度是鋼纖維摻量1.5%的樣品的抗折強(qiáng)度提升幅度的兩倍多。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量幅度增大，超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)的幅度越大。

圖3 鋼纖維摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC 的流動(dòng)性具有一定的影響。鋼纖維會(huì)提高細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，并且當(dāng)鋼纖維摻量從0%增加到2.5%時(shí)，細(xì)骨料UHPC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著鋼纖維用量的增加而增加。鋼纖維對(duì)細(xì)骨料UHPC的早期抗折強(qiáng)度具有特別顯著的提升效果，并且鋼纖維摻量越多，抗折強(qiáng)度提升的越明顯。從流動(dòng)性、工程造價(jià)和材料性能等方面綜合考慮，鋼纖維對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的提升存在最佳摻量。