三元胶凝体系中钢纤维增强UHPC性能研究

李群峰 恽进进，2

（1.安徽海螺水泥股份有限公司，安徽 芜湖 241011；2.安徽精公检测检验中心有限公司，安徽 芜湖 241070）

0 引言

随着现代建筑物的高层化、大跨化、地下化、结构轻量化以及使用环境的日益严酷化，新的结构体系和新的结构材料的广泛应用成为迫切的需要。与结构形式的改变相比，新材料的应用有巨大的潜力，而且结构愈重要也愈需要高性能的材料来满足结构的安全性和适用性，发挥新颖结构体系的优点。超高性能混凝土具有超高的力学性能，极优异的耐久性能以及抗爆性和抗冲击性。与普通混凝土相比，其在各项性能上均有质的突破，在大跨度桥梁、超高层建筑、海洋工程以及军事防护工程等领域具有广泛的应用前景。目前，已经建成的南京长江五桥就使用了超高性能混凝土。UHPC的配制原理是：通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷减少到最少，以获得超高强度和高耐久性。通常制备UHPC的原材料包括：水泥、硅灰、细石英砂、钢纤维、高性能减水剂等。

1 主要原材料及试验方法

影响水泥基复合胶凝材料性能的因素很多，原材料是其中最常见的影响因素。除此之外，试件的成型条件、养护制度以及各项性能测试方法的不同，均会对测试结果产生影响，该文主要介绍UHPC所用的原材料及其基本性能、试验配合比设计及采取的试验方法。试验主要原材料有硅酸盐水泥、硅灰、石英砂、聚羧酸减水剂和钢纤维等。

1.1 主要原材料

该试验所用的硅酸盐水泥为海螺牌PⅡ52.5水泥，物理性能见表1。硅灰外形为灰色粉末，密度为600kg/m。钢纤维为高强钢丝切断型细圆形表面镀钢纤维，直径0.18mm～0.22mm，长度12mm～16mm。减水剂为自制聚醚型聚羧酸系高性能减水剂。

表1 水泥物理性能结果

1.2 主要仪器设备

HJW-30型混凝土搅拌机，河北科析；JJ-5型ISO行星水泥胶砂搅拌机，无锡建仪；TYE-300T型水泥压力试验机；TYE-3000型压力试验机，无锡建仪。

1.3 试验方法

将按照配合比称量好的水泥、硅灰、石英砂倒入搅拌锅中，混合干拌1min，然后在1min内加入钢纤维，并继续搅拌1min～2min，最后加入减水剂和水，搅拌4min后获得均质性浆体。搅拌结束，立即进行流动度测试，同时浇筑成型，在振动台上振动并用抹刀抹平，成型试模尺寸为40mm×40mm×160mm。

按照GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》附录A.0.2进行流动度测试，根据GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行强度检测。

2 试验结果与分析

该项目立足于常规工艺下的UHPC，性能中最受关注的为力学性能和流动性能。本节通过试验全面系统地研究了水胶比、硅灰掺量、胶砂比、钢纤维掺量和矿粉掺量等因素对UHPC力学性能和流动性能的影响。

2.1 不同钢纤维掺量对UHPC性能的影响。

固定砂胶比为1∶1，水胶比为0.19，钢纤维体积掺量分别为0%、1%、2%、3%。不同钢纤维掺量的UHPC的流动性能见表2，从表中可以看出，不掺加钢纤维时，UHPC的流动性能最佳，为320mm。随着钢纤维掺量增加，流动度逐渐下降。当钢纤维为2%时，UHPC的流动度只有220mm，当钢纤维掺量为3%时，UHPC基本无流动性，须通过振捣方可实现浆体的成型，肉眼可见团状聚集的钢纤维，导致流动性较差。在实际工程应用中，可在振捣后将其用于施工量少且强度要求较高部位的浇筑，如构造柱、伸缩缝和装配式建筑等。由于钢纤维在水泥浆体中的分散性能较差，在搅拌的过程中会产生团聚的现象，故随着钢纤维体积掺量的增加，混凝土的流动性能也随之降低。

表2 不同钢纤维掺量UHPC流动性能

不同掺量钢纤维的UHPC力学性能结果见表3。从表3中可以看出，随着钢纤维掺量的增加，所制备的UHPC的3d抗压、抗折强度均呈现逐渐增大趋势。当钢纤维掺量为2%时，其比不掺加钢纤维的UHPC的3d、28d抗折强度分别提高了34.0%、30.5%，3d、28d抗压强度分别提高了60.9%，61.1%。当钢纤维体积掺量为3%时，UHPC的3d、28d抗折强度分别提高了84.4%、100.6%，3d抗压强度提高了71.0%。钢纤维作为混凝土的增韧材料，与混凝土发生作用效果是由钢纤维和混凝土中砂石、水泥基等材料的结合作用力的强弱所决定的。当混凝土发生开裂时，原先由混凝土所承受的作用力发生转移，转变为由钢纤维及其邻近的混凝土受力。若外界载荷逐步增加，钢纤维受力增加，当超过钢纤维和混凝土黏结力或者是刚性纤维的极限强度后，钢纤维与混凝土就会发生剥离而产生裂纹，进而产生破坏。

表3 不同钢纤维体积掺量的UHPC力学性能试验结果

2.2 胶砂比对UHPC性能的影响

UHPC和普通混凝土一样，是一种非均匀的多孔材料，UHPC中浆体和骨料的比例及两者力学性能上的差异是造成UHPC结构匀质性差的主要原因之一，试验研究了4种不同胶砂比，分别为1∶0.9、1∶1、1∶1.1和1∶1.2，以测量UHPC的流动性能。结果表明，砂胶比增大，UHPC的流动度有所下降。随着胶砂比逐渐下降，当胶砂比为1∶1.2时，UHPC的流动度下降至263mm，基本满足施工要求，经济效益最佳。由于砂表面粗糙且棱角多，使混凝土流动过程中的集料间的摩擦力较大。随着石英砂掺量的增加，包裹集料的浆体相对减少，最终导致流动性的降低。

不同胶砂比的UHPC力学性能结果表明，随着砂胶比的增加，UHPC的3d抗压有所下降。这是由于当砂的含量增加时，骨料的总表面积和空隙率都有所增加，这就需要更多的浆体来包裹骨料，并同时填充孔隙。当砂含量过大导致浆体无法填满孔隙时，强度自然下降。

2.3 不同水胶比对UHPC力学性能的影响

随着水胶比的降低，所制备的UHPC在标准养护及蒸汽养护条件下，抗压强度呈现先增加、后降低的趋势。当水胶比为0.19时，UHPC的抗压强度最高。蒸汽养护条件下，UHPC的抗压强度增长很快，这是由于蒸汽加速了水泥的水化，使UHPC的强度得到了充分的发挥，3d抗压强度比在标准养护条件下增长了33.7%～52.7%。蒸汽养护结束后再进行标养，其抗压强度与蒸养3d基本一致，增长很小。

设置水胶比为0.17～0.21，硅灰掺量10%，钢纤维掺量1%，流动度结果如图1所示。结果表明，当水胶比为0.17时，UHPC的流动度只有194mm，流动性较差。随着水胶比的增大，UHPC的流动度逐渐增大。当水胶比为0.21时，UHPC流动度达到了284mm。

图1 不同水胶比的UHPC流动性能

不同水胶比的UHPC流变性能如图2所示。随着水胶比的增大，超高性能混凝土的塑性黏度和屈服应力均呈现逐渐下降趋势，这主要是因为水胶比较低时，超高性能混凝土颗粒表面水膜层较小，颗粒间作用强，超高性能混凝土基体黏度较高，屈服应力和塑性黏度较大。随着水胶比增大，颗粒表面的水膜层也逐渐增大，颗粒间的滑动也更加容易，超高性能混凝土浆体的屈服应力和塑性黏度逐渐降低。

图2 不同水胶比的UHPC流变性能

电通量是表征UHPC耐久性能的重要指标，电通量检测结果如图3所示。UHPC砂胶比0.9，硅灰掺量5%。随着水胶比的降低，所制备的超高性能混凝土电通量出现逐渐下降的趋势，即超高性能混凝土的抗氯离子渗透性能随着水胶比的降低而逐渐增加。这主要是由于水胶比降低，UHPC的空隙降低，密实程度增加，宏观表现为电通量数值变小。

图3 不同水胶比的电通量检测结果

2.4 不同硅灰掺量对UHPC性能的影响

设水胶比为0.18，钢纤维掺量1%，硅灰掺量0%～20%。结果表明，不掺加硅灰时流动度最大，且UHPC浆体有轻微泌水。随着硅灰掺量的增加，UHPC浆体不泌水，但流动性逐渐下降。这主要是由于硅灰远比水泥颗粒小，具有很大的比表面积，掺加适量的硅灰可以较好地提高UHPC的黏聚性和保水性，改善泌水现象，但需水量也增大，在水胶比一定的条件下，浆体变稠，流动度降低。

不同硅灰掺量的UHPC力学性能见表4。掺加硅灰后，UHPC的早期强度稍有下降，但后期强度有所增长，且随着硅灰掺量的增加，后期强度逐渐增加。这主要是由于硅灰远比水泥颗粒小，且具有很大的比表面积，其填充作用从微观尺度上看是增加了UHPC密实度，将强度不高的氢氧化钙与大量的活性二氧化硅反应转化为C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进强度的增长。不同硅灰掺量的UHPC电通量结果表明，随着硅灰掺量的增加，UHPC电通量逐渐下降，即UHPC抗氯离子渗透性能增强。

表4 不同硅灰掺量的UHPC力学性能

2.5 超细矿粉对UHPC性能的影响

为了研究矿粉的掺入对UHPC体系的力学性能的影响规律，该文设置了不同钢纤维掺量、PCA掺量、胶砂比、硅灰掺量、矿粉掺量5个影响因素，具体检测结果见表5。

表5 验证性试验结果

以上试验的水胶比控制在0.10～0.20，试件尺寸为40mm×40mm×160mm和100mm×100mm×100mm。研究结果表明，在引入矿粉之后，胶砂比对UHPC力学性能影响较小，从经济效益角度考虑，建议胶砂比不大于1∶1。PCA掺量过高会使UHPC力学性能下降明显，建议掺量不超过5%。钢纤维可使UHPC力学性能大幅提高，同时使UHPC工作性能降低，从力学性能和工作性能角度综合考虑，钢纤维掺量在3%～4%较为合适。胶凝材料中水泥加硅灰占70%、超细矿粉占30%时力学性能最佳。

3 结论

该文针对UHPC的力学性能和耐久性能，系统地研究了水胶比、胶砂比、硅灰掺量、钢纤维掺量和矿粉对UHPC性能的影响，得出的主要结论如下。

当水胶比为0.17时，UHPC的流动度只有194mm，流动性较差，随着水胶比的增大，UHPC的流动度逐渐增大。随着水胶比的增大，UHPC的塑性黏度和屈服应力均呈现逐渐下降趋势。随着水胶比的降低，所制备的UHPC在标准养护及蒸汽养护加标准养护条件下，抗压强度呈现先增大后减小的趋势。抗氯离子渗透性能随着水胶比的较低而逐渐增加。

不掺加硅灰时流动度最大，且UHPC浆体有轻微泌水，随着硅灰掺量的增加，UHPC浆体不泌水，但流动性逐渐下降。掺加硅灰后，UHPC的早期强度稍有下降，但后期强度有所增长，且随着硅灰掺量的增加，后期强度逐渐增加。UHPC电通量随着硅灰掺量的增加而逐渐下降。

随着砂胶比增大，UHPC的流动度有所下降。当胶砂比为1∶0.8时，有轻微泌水的现象。随着砂胶比增加，UHPC的3d抗压抗压强度有所下降。

UHPC的流动性能随着钢纤维掺量的增加而降低，当钢纤维为2%时，UHPC的流动度只有220mm。随着钢纤维掺量的增加，所制备的UHPC的3d抗压、抗折强度均呈现逐渐增大趋势。当钢纤维掺量为2%时，其比不掺加钢纤维的UHPC的3d、28d抗折强度分别提高了34.0%、30.5%，3d、28d抗压强度分别提高了60.9%，61.1%。当钢纤维体积掺量为3%时，UHPC的3d、28d抗折强度分别提高了84.4%、100.6%，3d抗压强度提高了71.0%。