不同纤维类型及尺寸对UHPC力学性能的影响

苏 骏，嵇 威，吴 鹏

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，简称UHPC)自问世以来一直受到工程界的广泛关注，相较于普通混凝土，UHPC强度高、韧性好且耐久性优异[1, 2]。随着建筑行业的高速发展，人们对材料性能的要求越来越高，因此UHPC的应用前景十分广阔[3]。史才军等[4]根据UHPC的组成材料对UHPC的流动性和强度进行了研究，结果表明增大水胶比可增加流动性，但强度会逐渐减小，并且在保证试件成型的条件下，减水剂的掺量对UHPC的强度影响很小。徐海滨等[5]对8根UHPC混凝土T型梁进行抗弯性能研究，结果表明，UHPC梁的裂缝间距比普通混凝土梁更加密集，通过增大配筋率、使用高强度钢筋及提升预应力水平均有利于限制裂缝发展。邓宗才[6, 7]对不加入硅灰的新型UHPC进行单轴压缩和拉伸试验，结果表明新型UHPC相较于普通混凝土的轴压应力-应变曲线更长，说明新型UHPC具有优异的轴压变形和韧性性能。刘新华等[8]将UHPC应用于桥面的负弯矩区，进行了全过程静力加载试验，结果表明在钢-混组合梁负弯矩区采用UHPC可显著提升负弯矩区的抗裂性能，并且根据粘结滑移理论提出了简易的UHPC裂缝宽度计算公式。吴永魁等[9]对UHPC动态损伤机理进行了分析，微观损伤机理主要包括微孔洞、微裂纹、晶界滑移和滑移带，为减少微观损伤，提高UHPC力学性能，应提高UHPC密实度并强化界面过渡区。综上所述，UHPC可明显提高结构和构件的力学性能，本文通过在不同尺寸的UHPC试件中掺入不同种类的纤维，研究纤维体积掺量和试件尺寸对UHPC力学性能的影响，包括抗压、抗折、劈裂抗拉及弯曲性能，为UHPC的工程应用提供技术支持。

1 试验概况

1.1 试验原材料

实验采用河南信阳天梯矿业生产的UC170干混料；钢纤维采用安平茂纳金属制品有限公司生产的镀铜钢纤维；聚乙烯醇纤维采用日本Kuraray公司生产的K-Ⅱ型聚乙烯醇纤维。两种纤维的性能参数如表1所示。

表1 钢纤维、聚乙烯醇纤维基本性能

1.2 试验设计

根据现有的研究成果和实际拌合物的流动性，试验中钢纤维和聚乙烯醇纤维各设置5种不同体积掺量，钢纤维体积掺量为0、0.5%、1%、2%、3%，聚乙烯醇纤维体积掺量为0、0.3%、0.5%、0.7%、1%。试验配合比见表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3

为研究不同尺寸对UHPC力学性能的影响，抗压试验试件尺寸分别采用100 mm×100 mm×100 mm和40 mm×40 mm×4 0mm立方体试块；抗折试验试件尺寸分别采用100 mm×100 mm×400 mm和40 mm×40 mm×160 mm的梁式试件。试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)[10]进行。

2 试验分析

2.1 抗压强度尺寸效应分析

立方体抗压强度计算如下：

(1)

fcu为立方体抗压强度；Fmax为抗压峰值荷载；A为立方体试块受力面积。

由表3、图2和图3可知：1)加入纤维后的UHPC的抗压强度相比于基体UHPC均有所提高。边长40 mm的钢纤维UHPC试件较基体UHPC分别提高31.3%、27.7%、64.3%、94.3%；边长为100 mm钢纤维UHPC试件抗压强度在0.5%掺量时出现下降，其余分别提高16.2%、41.5%、60%；边长为40 mm聚乙烯醇纤维UHPC较基体UHPC分别提高16.2%、22.9%、10.2%、16.3%；边长100 mm聚乙烯醇纤维UHPC的抗压强度较基体UHPC均出现下降。2)钢纤维体积掺量增加，抗压强度也随之增大，这是因为钢纤维数量增多，纤维之间间距变小，纤维的桥联作用效果更好，会有更多纤维抑制微裂缝的发展。3)聚乙烯醇纤维由于弹性模量比钢纤维低，因此对裂缝的抑制能力不如钢纤维，从而导致抗压强度提升不明显。4)聚乙烯醇的结团现象会使UHPC内部初始缺陷变多，纤维的桥联作用和阻裂作用效果降低，从而导致UHPC抗压强度降低。

表3 抗压强度fcu试验值

图2 钢纤维立方体抗压强度

图3 聚乙烯醇纤维立方体抗压强度

纤维混凝土的破坏过程与普通混凝土有较大区别，在加载初期，荷载主要由基体承担，处于弹性阶段；荷载接近极限荷载的50%时，试件中部开始出现肉眼可见的竖向裂缝；随着荷载持续增大，裂缝逐渐变多并且向试件端部延伸发展，部分竖向裂缝交汇发展成斜向裂缝和分叉裂缝；当达到极限荷载时，纤维不断拔出或拉断，裂缝上下贯通，承载力急速下降，试件发生破坏，由于纤维的桥联作用，掺入纤维的UHPC不会出现素混凝土的脆性破坏特征，试件的破坏形态如图1所示。

图1 抗压试验破坏形态

加入纤维的UHPC和普通UHPC的破坏机理几乎一致，都是由于内部砂浆最开始产生初始缺陷，随着荷载加大，缺陷不断累积，由内部发展到试件表面，形成宏观可见的裂缝。加入纤维会减小UHPC内部孔隙，从而使UHPC更加密实，因此纤维能对UHPC抗压强度产生增强作用，同时纤维在混凝土内形成乱向分布的空间结构，再加上纤维本身优异的阻裂特性，能够有效地阻止裂纹产生和延缓这一过程发展，由此提高UHPC的受力性能及安全储备能力。

图4给出的是边长100 mm立方体与边长40 mm立方体的抗压强度比值，结果显示不同纤维掺量的强度比均小于1。试件抗压强度随试件尺寸的增大而降低，因此尺寸效应显著。由于大尺寸混凝土试件往往存在更多的孔隙和微裂缝，缺陷相较于小尺寸试件会更多，在受力过程中更易产生破坏，因此强度会下降。混凝土在受力破坏过程中会发生应力重分布及能量释放，尺寸为100 mm的试件相较于40 mm试件会释放更多储存在裂纹中的能量，而释放能量大小的不一致导致了名义强度出现差异。

图4 抗压强度比

钢纤维UHPC随着纤维掺量增加抗压强度比变得不稳定，钢纤维对UHPC尺寸效应的影响主要有两个原因，一是随着纤维掺量的增加，基体流动强度降低，UHPC中存在更多的孔隙缺陷；二是钢纤维在试件的边缘会产生边壁效应，由于在振捣过程中靠近边壁的钢纤维会趋于平行于边壁分布，尺寸越小则产生边壁效应的纤维体积率越大，边壁效应就会越强，从而影响受力过程。

UHPC掺入不同掺量聚乙烯醇纤维的抗压强度比相较于钢纤维UHPC更加平缓。在普通混凝土中，由于混凝土基体强度不大，聚乙烯醇纤维可以较好的对能量进行吸收，从而阻止混凝土中微裂缝的发展。但是UHPC混凝土的基体强度很高，聚乙烯醇纤维在混凝土受压早期就发生断裂，这就导致纤维无法在裂缝发展全过程中吸收能量以阻止或延缓裂缝进一步发展，因此聚乙烯醇纤维对UHPC的改善作用有限，不同掺量的聚乙烯醇纤维UHPC抗压强度比总体趋势也就更加稳定。

2.2 抗折强度尺寸效应分析

抗折强度计算如下：

(2)

式中ff为混凝土抗折强度；F为试件破坏荷载；l为支座间跨度；h为试件高度；b为试件截面面积。由于本试验采用的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm非标准试件，所以乘以尺寸换算系数0.85。

表4 抗折强度ff试验结果

由图5和图6可知：1)加入钢纤维可提高UHPC的抗折强度，边长40 mm钢纤维UHPC较基体UHPC分别提升131.3%、118%、157.1%、286.9%；边长100 mm钢纤维UHPC较基体除掺量0.5%以外分别提高32.8%、36.3%、59%。2)在UHPC中加入聚乙烯醇纤维会降低抗折强度，且随着纤维掺量增大，下降幅度越小。这是由于聚乙烯醇纤维掺量较小导致。这一点可以用复合材料力学理论来解释，根据弹性叠加原理[11]，在纤维顺向均匀分布的条件下，由于聚乙烯醇纤维掺量较小，因此纤维混凝土应力较小，从而导致UHPC的强度提高有限。

图5 钢纤维抗折强度

图6 聚乙烯醇纤维抗折强度

由图7可知，钢纤维UHPC抗折强度比先增大后减小，整体强度比在0.3左右，聚乙烯醇纤维UHPC抗折强度比先减小后增大，整体强度比在0.6左右，两种纤维UHPC均表现出明显的尺寸效应。Bazant等[12-14]认为抗折强度出现尺寸效应是因为混凝土在达到峰值荷载之前，混凝土内部出现长裂纹或含有微裂纹的断裂扩展区在稳定的发展，长裂纹或微裂纹集中区域逐渐释放受力过程中储蓄的能量，而不同尺寸混凝土内部储存能量和释放能量的能力不一样，因此出现尺寸效应。本实验由于加入的纤维类型不同及纤维掺量不同，因此纤维对抗折强度增强能力有所区别，两种纤维的尺寸效应明显但不稳定。

图7 抗折强度比

2.3 劈裂抗拉试验分析

劈裂抗拉强度按下式计算：

(3)

式中:fts为混凝土劈裂抗拉强度；F为试件破坏荷载；A为试件劈裂面面积。

混凝土的拉压比和泊松比存在如下转换关系：

(4)

式中:γ为拉压比，ν为泊松比，本试验的试验结果表6所示。

表6 劈裂抗拉强度试验结果

由表6和图8可知，钢纤维对UHPC的劈裂抗拉强度提升十分明显，劈裂抗拉强度分别提升53.8%、81.8%、106.4%、141.1%，纤维掺量为3%时提升幅度最大，明显改善了UHPC的劈裂抗拉性能。聚乙烯醇纤维掺量低于1%时对UHPC劈裂抗拉强度的提升效果不明显，体积掺量为1%时，强度相较于基体UHPC提升50.3%，提升效果接近于钢纤维掺量为0.5%的UHPC。因此在实际应用中，聚乙烯醇纤维掺量需适当提高。

图8 劈裂抗拉强度

普通混凝土的拉压比范围为1/12～1/8，泊松比范围在0.18左右；高强混凝土的拉压比范围为1/18～1/15，泊松比范围为0.20～0.28，混凝土强度等级越高，脆性特征越明显，拉压比越小。由图7可知，加入纤维后可改善UHPC的拉压比，不同纤维体积掺量下，两种纤维增强UHPC的拉压比均超过高强混凝土的拉压比，且掺入钢纤维的UHPC的拉压比已超过普通混凝土，掺量为1%的聚乙烯醇UHPC的拉压比也超过了普通混凝土；钢纤维UHPC的泊松比超过了高强混凝土，聚乙烯醇UHPC的泊松比在高强混凝土范围内。因此，加入纤维可明显改善UHPC性能，钢纤维的改善效果优于聚乙烯醇纤维。

2.4 弯曲分析

极限弯曲强度计算如下：

(5)

式中：Fmax为试件所受的极限弯曲荷载；l为支座之间的跨距；b和h分别对应试件的宽度和高度。

不同纤维掺量UHPC的极限弯曲强度见表7。

表7 极限弯曲强度 MPa

由表7和图9可知，钢纤维对UHPC极限弯曲强度的提高十分明显，本试验中自0.5%的掺量起每提高一个梯度的纤维掺量，钢纤维增强UHPC极限弯曲强度都会有明显提高，纤维掺量为1%时强度提升32.6%，纤维掺量为2%时相较于1%提升不明显，当纤维掺量达到3%时，试件极限弯曲强度较基体UHPC提升59.2%；聚乙烯醇纤维的极限弯曲强度趋势先下降后增加，但均未超过UHPC基体本身强度。

图9 极限弯曲强度

图10 UHPC弯曲试验破坏形态

通过观察试验现象可知未掺加纤维的UHPC试件在梁跨中底部的混凝土开裂以后，裂缝迅速扩展至梁顶部，表现出明显的脆性破坏特征；钢纤维UHPC试件在底部出现细裂缝后，钢纤维并未断裂，钢纤维的两端连接着裂缝的两端，将应力传递给附近砂浆颗粒，可以阻碍裂缝继续发展，钢纤维UHPC试件在开裂后产生伪应变硬化的现象，钢纤维UHPC试件的抗弯极限承载力得到提升，当试件达到极限承载力时，积蓄在试件内的能量发生释放从而导致试件的承载能力迅速下降，试验结束时，试件依然是一个整体，呈现出韧性破坏的特征，且可大幅提高UHPC的延性。聚乙烯醇纤维UHPC中纤维掺量小于1%时，试件的破坏特征和UHPC基体几乎一致，为脆性破坏特征；当纤维掺量为1%时，试验结束后，试件并未断裂，表现出延性破坏特征，因此，聚乙烯醇纤维虽然对UHPC的极限弯曲强度提升作用有限，但可明显改善UHPC的延性。

由图11和图12可知，钢纤维UHPC在纤维掺量为2%时，跨中挠度达到2.2 mm左右，显著高于其他纤维掺量；聚乙烯醇纤维UHPC在达到极限荷载时，纤维掺量在0.7%时跨中挠度达到最大为1.4 mm左右，因此，钢纤维对UHPC的韧性提升效果显著高于聚乙烯醇纤维，同时试验结果表明并不是纤维掺量越高韧性越好，过多的纤维会导致其在混凝土基体内某一区域过于集中，基体内部初始缺陷也明显增多，纤维的桥联作用即阻裂效果达不到发挥，由此造成韧性出现下降。两种纤维由于自身特性不同导致增强增韧效果不同，因为钢纤维抗拉强度大，极限延伸率远大于聚乙烯醇纤维，所以能够很好地抑制混凝土裂缝发展；聚乙烯醇纤维具有亲水性，能够与水泥基基体产生很强的摩擦粘结与化学粘结，因此在试验过程中，聚乙烯醇纤维与UHPC基体之间不易发生滑移，试件破坏是由于纤维被拉断，而聚乙烯醇纤维抗拉强度不如钢纤维，这也是两种纤维对UHPC产生不同增强增韧作用效果的原因。

图11 钢纤维增强UHPC荷载挠度曲线

图12 聚乙烯醇纤维增强UHPC荷载挠度曲线

由纤维间距理论可知，纤维之间的间距只有在小于纤维间距上限值时才能发挥增强增韧作用，从本试验可知，由于聚乙烯醇纤维选取的掺量较低，且在拌合过程中会出现部分纤维结团现象，因此导致纤维之间的间距不够小，从而对弯曲强度提升作用有限，反之由于钢纤维掺量较大，纤维根数变多，因此钢纤维阻挡裂缝发展的能力随之增大，试件的残余应力也相应得到提高。因此提高钢纤维掺量对UHPC试件的增韧阻裂作用十分明显。

3 主要结论

1)钢纤维UHPC抗压强度提升明显，边长为40 mm的钢纤维立方体试件抗压强度最大提高94.3%，100 mm试件抗压强度最大提高60%，40 mm聚乙烯醇纤维试件抗压强度最大提高22.9%，掺入纤维后UHPC抗压强度尺寸效应明显，聚乙烯醇纤维的抗压强度比更加稳定，造成钢纤维试件强度比不稳定的原因是边壁效应十分突出。

2)掺入钢纤维有助于提高UHPC的抗折强度，并且掺量越大，抗折强度提高越明显，尺寸为40 mm的试件最大提高286.9%，100 mm试件最大提高59%；聚乙烯醇纤维掺入UHPC会降低抗折强度，原因可能是纤维掺量较低。抗折强度之所以产生尺寸效应，是因为不同试件内部裂缝扩展区域储能与释能的能力不同；抗折强度比并不稳定。

3)钢纤维UHPC的劈裂抗拉强度最大提升141.1%，聚乙烯醇UHPC试件最大提升50.3%。加入纤维可改善UHPC的拉压比，从而改善超高性能混凝土的脆性特征，钢纤维的改善效果优于聚乙烯醇纤维。

4)钢纤维和聚乙烯醇纤维都可明显改善UHPC的韧性，且钢纤维的提升效果更明显。钢纤维增强UHPC的效果更明显，且高掺量钢纤维会增强纤维对混凝土的阻裂能力，这一点在抗折强度尺寸效应试验也表现明显。