钢纤维规格对超高性能混凝土性能的影响

叶门康 林 东 刘冠升 郭武广 吴琼景

（广东华隧建设集团股份有限公司）

0 前言

随着高性能混凝土制备技术的发展，一种新型的高技术材料--超高性能混凝土（简称UHPC）引起了学术界和工程界广泛关注，其突出优势体现在强度与韧性的高度匹配。UHPC材料具有比强度高、荷载能力强，突出的抗弯、拉性能，超强的耐久性等优异性能，能够满足土木建筑工程轻量化、大跨度、高耐久的要求，尤其适用于、国防、核电、海洋平台、地下有限空间等特殊工程及新型结构体系创新等需求。

周玉娟[1]等人在研究中指出UHPC中随带钩钢纤维的掺入量增加，力学性能得到显著提高，但所制UHPC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。张文峰[2]研究发现，活性粉末混凝土的劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度会伴随钢纤维掺量的不断增加而呈现出线性增大的规律。Kim等[3]对比了不同形状钢纤维拔出实验结果，发现钢纤维–UHPC基体黏结强度由强至弱依次为扭转型、端钩型和平直型钢纤维。

钢纤维作为UHPC材料中常用的增强材料，对UHPC材料的性能有极大的影响，本实验从钢纤维的规格出发，研究钢纤维规格对UHPC材料性能的影响及规律，为UHPC材料配比的设计及其在工程上的应用提供参考。

1 试验概述

1.1 试验材料

水泥：华润水泥（平南）有限公司生产的P.O42.5级水泥。

减水剂：江苏苏博物新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂。

硅灰：埃肯公司生产的920级硅灰

石英砂：粒径16目～120目的级配石英砂

钢纤维：抗拉强度为2900MPa的镀铜钢纤维，规格如表1所示。

表1 试验中涉及钢纤维规格

1.2 试验方法

⑴试件成型：参照标准GBT31387-2015《活性粉末混凝土》，成型边长为100mm的立方体抗压试件，以及尺寸为100mm×100mm×400mm的抗折强度试件。

⑵强度检测：参照标准GBT31387-2015《活性粉末混凝土》和GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压与抗折强度试验。

⑶拌合物坍落扩展度性能检测：参照GB/T 50080-2016《混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

⑷试件的养护：参照标准GBT31387-2015《活性粉末混凝土》对试件进行热养护。

1.3 配比设计

本试验中采用相同的材料配比，只改变钢纤维的规格类型进行对比试验，具体配比如表2所示。试验过程中检测其拌合物的坍落扩展度、抗压强度与抗折强度。

表2 试验配比

2 试验结果与分析

2.1 钢纤维规格对UHPC拌合物工作性能的影响

从图1所示结果来看，钢纤维的长径比越大，在配比相同的条件下，所配制的UHPC拌合物的坍落度和扩展度越小，但进一步分析可以发现，拌合物的工作性能影响受钢纤维的直径影响更明显，钢纤维A和B的直径相同，在相同质量掺量下，长度更大的钢纤维B坍落度及扩展度均有所下降，但变化并不大；而相同长度的钢纤维B和C，工作性能的差异相比A与B之间更为明显。分析其原因：钢纤维的长度越长，钢纤维间的搭接成网更容易，但直径较大时，钢纤维刚度较大，在搅拌过程中不易变形，因此对工作性能的影响不会太大，而直径变小，钢纤维变得柔软，在搅拌过程中的外加作用下，部分纤维间会搭接勾连，形成网络，同时，直径变小后，纤维的根数越多（经估算，相同质量掺量下，钢纤维C的根数是钢纤维B的1.5倍），所形成的纤维网络更加密集，影响浆料的流动，从而大幅度地降低了拌合物的工作性能。从图2中各配比的拌合物状态也能看出，钢纤维的长径比越大，对应配比拌合物自然扩展后，表面呈现出越多的团状物。

图1 钢纤维规格对UHPC拌合物坍落度及扩展度的影响

图2 掺入不同钢纤维的UHPC拌合物状态

2.2 钢纤维规格对UHPC材料强度性能的影响

从强度的结果来看，所掺入的钢纤维长径比越大，试件的抗折强度越高，但抗压强度则没有相同规律，而是掺入钢纤维B的配比最高。这是由于钢纤维的规格对UHPC材料弯拉性能影响比对抗压强度的影响更明显。相同直径下，钢纤维的长度越长，在UHPC材料发生断裂时钢纤维拔出长度越长，拔出难度越大，因此UHPC材料断裂时所需的能量越高，表现出抗折性能提高越大；而当长度相同，钢纤维的直径越小，长径比越大，相同掺比下，其数量越多，总的钢纤维比表面积越大，内部的钢纤维网络结构越密集，进一步提高了UPHC材料的断裂能，进一步提高其抗折强度；但由于其同时会对UHPC工作性能及试件的成型密实度产生一定的影响，从而使其提升的幅度有所下降。

图3 不同钢纤维类型UHPC强度结果

钢纤维的掺入，提高了UHPC材料的抗拉性能，因此在UHPC受压过程中，钢纤维提高了UHPC抗横向形变能力，从而间接提高了UHPC材料的抗压强度，因此，钢纤维的长度变大（由钢纤维A变成B），在提高UHPC材料抗折强度的同时也提高了其抗压强度。但抗压强度还受内部结构的影响，当钢纤维的直径变小（由钢纤维B换成直径更小的钢纤维C），对UHPC材料的工作性能产生不良影响，从而导致试件的密实度下降，反而使UHPC材料的抗压强度下降。

3 结论

⑴相同掺量下，掺入长径比越大的钢纤维，在配比不调整的条件下，UHPC材料的工作性能越差，而且，直径越小，影响越明显。

⑵相同掺量下，掺入长径比越大的钢纤维，UHPC材料的抗折强度越高。

⑶钢纤维长径比对UHPC抗压强度的影响并不是与抗折强度相一致，还需要考虑钢纤维对UHPC材料的综合影响。

⑷钢纤维的规格选择对UHPC材料性能有较大的影响，在进行UHPC配比设计时需要引起重视，通过适当的选择，可以实现在满足性能要求的前提下，降低钢纤维掺量，降低UHPC材料的成本，促进UHPC材料的应用。