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钢纤维高性能混凝土的试验研究陈立博

发表时间：2021/7/12 来源：《建筑模拟》2021年第3期作者：陈立博

[导读] 超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete简称（UHPC））是一种具有高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料[1]。与普通混凝土相比，超高性能混凝土（UHPC）主要成分是水泥、石英石、粉煤灰、外加剂、和水等组成，同时掺入体积含量为2%左右的高强钢纤维，使得材料的抗拉性能和韧性显著提高。此外，UHPC经过高温蒸汽养护后强度提高且后期收缩和徐变都基本完成。

        兰州祁连山汉邦混凝土工程有限公司甘肃兰州 730101
        摘要：超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete简称（UHPC））是一种具有高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料[1]。与普通混凝土相比，超高性能混凝土（UHPC）主要成分是水泥、石英石、粉煤灰、外加剂、和水等组成，同时掺入体积含量为2%左右的高强钢纤维，使得材料的抗拉性能和韧性显著提高。此外，UHPC经过高温蒸汽养护后强度提高且后期收缩和徐变都基本完成。因此UHPC具有优异的性能可有效的减轻结构的自重，提高结构的跨越能力，使得其在桥梁工程中的发展非常迅速，具有广阔的应用前景。
        关键词：钢纤维；高性能混凝土；建筑材料；匀质性

        引言
        在此大背景下，以“节能减排，优势互补”为宗旨发展应用起来的复合矿物掺合料（以下简称“复合掺合料”），逐步得到工程界的认可，近十年来更是方兴未艾，大有应用和发展潜力。与单一的掺合料相比，复合掺合料能充分发挥各种材料的性能特点和技术优势，弥补单一材料的某些缺陷，发挥多种组分的“超叠加效应”，从而获得更好的应用效果。复合掺合料混凝土的工作性、物理力学性能、耐久性及经济成本都比普通混凝土具有潜在优势。通过技术调节，能获得满足混凝土工程应用多样化需求的复合掺合料系列化产品。因此，复合掺合料是现代混凝土中不可或缺的功能性材料。
        1钢纤维混凝土的相关理论
        钢纤维混凝土是一种新型多相复合材料，是由两种或两种以上的单一材料，经用物理方法经人工复合而成的一种多相固体材料。复合材料通常包含一种或几种分散相和一种连续相，分散相镶嵌在连续相当中。一般来说分散相的强度和模量比连续相高，这种相称为增强相或增强材料，即钢纤维。分散相的加入往往会使复合材料的力学性能高于基体相，复合材料的性质受组分的性质、分布及其相互作用的影响。除了组分材料及其性质外，组分的几何条件（包括形状、尺寸、分布），将影响基体与增强材料之间的结合力。钢纤维混凝土中钢纤维呈杂乱随机分布，在三维空间上对基体将其增强作用。当钢纤维长径比减少时，纤维与周围基体的应力因钢纤维的不连续发生了改变，钢纤维对基体的增强效果下降，钢纤维端部应力和分布对钢纤维复合材料性能的作用逐渐显得重要。
        2钢纤混凝土配合比试验
        2.1实验原材料
        超高性能混凝土（UHPC）材料由本团队制备。其原材料由水泥、硅灰、矿粉、石英砂、高效减水剂、钢纤维等组成。其中，钢纤维采用16mm长，0.2mm直径的平直型钢纤维，体积掺量分别为2.5%和3.5%；水泥、硅灰、矿粉、石英砂、高效减水剂等原材料的化学组分、物理特性，以及搅拌工艺和养护机制见文献[24]；各粉料的质量比为水泥1：硅粉0.37：矿粉0.25：石英砂1.1：减水剂0.04；水胶比为0.18。在浇筑试验梁（以下称试件）同时浇筑50mm×150mm×400mm标准抗拉试块和100mm×100mm×100mm立方体抗压试块，与试件同条件养护，参考法国UHPC规程[25]测得UHPC材料力学性能如表1所示。试件中纵筋及箍筋均采用HRB400钢筋，供货方提供的该种钢筋屈服强度为498MPa，弹性模量为198000MPa。

        2.2试验加载和测量方法
        所有试验均在微机控制压力试验机上进行。试验加载根据《活性粉末混凝土》中规定的测试方法进行。立方体抗压和轴心抗压试验按照力控制加载，加载速率均为1.3MPa/s，直至试块破坏。

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根据轴心抗压试验测试结果，将轴心抗压强度平均值的1/3用于测定UHPC的弹性模量，以保证整个加载过程中出于弹性阶段。四点弯曲试验纯弯段长度为100mm，剪弯段长度为100mm，在进行正式加载之前进行预加载，预加载荷载值设置为10kN，以便检查试件的对中情况及千分表是否正常工作，同时预加载消除了加载设备和试件之间的间隙，待各个测试设备都可正常工作之后及试件对中无误后方可进行正式加载。试验加载采用单调分级加载，先设置好加载程序，在试验加载初期按照力控制加载，每级荷载按3kN进行加载，之后按照位移加载进行，每级位移值不宜过大，当荷载下降到0.35倍极限荷载时，试验结束，整个试验加载过程加载速率均为0.9MPa/s。在加载过程中，每级荷载通过电脑读取，同时记录每级荷载作用下试件跨中挠度值。
        2.3温度变形
        高温作用下，无外力作用时混凝土的应变主要由3部分组成：自由膨胀应变、短期高温徐变和瞬态热应变。其中，自由膨胀是预测混凝土内部温度应力的必要参数，受水泥类型、含水量、骨料类型与龄期等因素的影响；瞬态热应变主要受混凝土强度、应力状态等影响；并且，瞬态热应变和自由膨胀应变数值较大，二者方向相反；影响高温徐变的因素主要为骨料种类、混凝土强度等级和试件构造等。在欧洲规范中，未区分混凝土热应变的各种机制，以热伸长率（即试件伸长部分占原有长度的百分比）进行表征，混凝土的热应变随温度升高而增大；当温度高于一定值时，热应变趋于稳定，不再升高。并且，钙质骨料混凝土的热应变小于硅质骨料混凝土，从另一个侧面说明前者的耐火性能优于后者。
        3结果
        采用坍落度和坍落扩展度来评价混凝土拌合物流动性、保水性和粘聚性，用离析率来检测匀质性，选用高质量的水泥、粉煤灰、外加剂、细骨料、拌合用水、钢纤维等材料进行正交实验，综合上述的研究和分析，得出如下结论：⑴钢纤维的长径比影响其对混凝土的增强效果，钢纤维增强作用随长径比增大而提高。⑵对于钢纤维混凝土抗压强度，其影响排序为水胶比→钢纤维掺量→粉煤灰掺量→用水量→减水剂掺量→砂率，即水胶比和钢纤维掺量对混凝土抗压强度影响最大。⑶对于抗折强度，其影响排序钢纤维掺量→砂率→粉煤灰掺量→水胶比→用水量→外加剂掺量；钢纤维混凝土的抗折强度受钢纤维掺量和砂率影响较大。而对于坍落度，主要受水胶比、钢纤维掺量以及外加剂掺量的影响。
        结束语
        根据钢筋、UHPC基体及钢纤维性能发挥的主导性和非同步性，UHPC试件扭转破坏过程可分三个阶段：未出现可视裂纹阶段，扭矩主要依靠UHPC抗拉抗压能力；最大裂纹宽度从出现可视裂纹（约0.05mm）增到0.13mm～0.15mm的阶段，最大裂纹宽随扭矩增加较慢，受扭的抗拉承载和裂纹限制的提供者主要为钢纤维；裂纹跨度超过0.13mm～0.15mm的阶段，最大裂纹宽度随扭矩增加较快，受扭的抗拉承载和裂纹限制的提供者由钢纤维（部分拨出）转移到钢筋。

        参考文献：
        [1]孟祥辉，汤国芳，卢传太，吴帅，王晓妍，付智，姬永生.机制砂在高性能混凝土中的应用试验研究[J].江苏建材，2019（06）：25-31.
        [2]邓国瑞.粉煤灰高性能混凝土二维碳化性能研究[J].粉煤灰综合利用，2019（06）：65-67.
        [3]吴诚，徐慎春，赵秋山，杨烨凯.方钢管超高性能混凝土短柱抗震性能试验研究[J].工业建筑，2019，49（12）：188-194.
        [4]张喆，杨谦，安亚强.基于正交试验法的高性能混凝土耐久性能影响[J].粘接，2019，40（12）：133-135.
        [5]夏中升，沙建芳，刘建忠，郭飞，徐海源.低收缩高黏结黑色高性能混凝土的性能试验研究[J].混凝土与水泥制品，2019（12）：12-17.