自密实钢纤维超高强混凝土试验

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自密实钢纤维超高强混凝土试验

曾翠云1， 李庆来2， 陈 兵3

(1. 派丽徳高(上海)建材有限公司， 上海 200436； 2. 上海东浩兰生国际服务贸易(集团)有限公司， 上海 200040；3. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240)

摘 要：测试了水胶比、减水剂掺量、钢纤维用量、微硅粉及矿粉掺量对超高强混凝土流动性、抗压强度及抗折强度的影响，对比分析了各因素影响作用的大小。结果表明：在试验范围内，水胶比、减水剂掺量及钢纤维用量对混凝土流动度及强度均有显著影响；在水胶比为0.20～0.22的情况下，掺入不低于2%的减水剂、不大于2.5%的钢纤维、4%～6%的微硅粉、10～15%的矿粉可制备得到抗压强度大于120MPa、抗折强度大于20 MPa的自密实超高强混凝土。

关键词：钢纤维； 超高强混凝土； 自密实特性； 抗压强度

随着建筑结构对混凝土性能要求的提高与“节能施工”的需求，超高强混凝土(Ultra High Performance Concrete, UHPC)在建筑工程领域的应用日渐广泛[1]。由于制备超高强混凝土时往往采用较低的水胶比，纤维的引入严重影响了超高强混凝土的流动性能。因此，制备具有自密实特性的纤维增韧混凝土是高强混凝土研究需要克服的技术难点之一[2]。

在建筑工程施工过程中，自密实混凝土可有效解决普通混凝土浇筑作业的严重噪声、进度缓慢及复杂结构浇筑困难等问题。自密实混凝土(Self-Compacting Concrete)这一概念最早由日本学者于上世纪八十年代提出[3]。随后，我国混凝土工作者便对其开展了大量研究工作，并取得了丰富的研究成果。国内外学者研究并制备得到自密实纤维增韧高强、超高强混凝土(抗压强度为60～120 MPa)，认为技术的难点主要在于低水胶比、高流动度、高强度及优韧性等特性的融合[4, 5]。

与聚丙烯纤维相比，钢纤维增韧制备的混凝土能大幅提高抗压强度，且能使其抗冲击能力提高数十倍，韧性显著增加。微硅粉与矿渣微粉常用来分别改善高强混凝土的密实性和流动性。在前人研究的基础上，本研究以52.5级硅酸盐水泥为基料，辅以钢纤维、微硅粉、矿粉等材料制备抗压强度≥120 MPa，抗折强度≥20 MPa的自密实超高强混凝土。

1 试验

1.1 试验材料

试验用胶凝材料包括水泥、微硅粉与矿渣微粉。水泥为江西银杉白水泥有限公司生产的52.5级白色硅酸盐水泥，比表面积为3730 cm2/g，化学组成如表1所示, 初凝时间为3.5 h，终凝时间为5.0 h，其标准需水量为130 ml，28 d抗压强度为62.5 MPa。微硅粉采用挪威埃肯公司生产的灰白色硅粉，堆积密度为2.19 g/cm3，比表面积约为2×105 cm2/g，化学组成如表1所示。矿粉为水淬高炉矿渣粉，比表面积约为8800 cm2/g，其化学组成如表1所示。

表1 胶凝材料化学组成 %

材料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OSO3TiO2SLOI水泥21.604.134.5764.441.060.110.561.74——0.76硅粉92.400.800.500.910.27—————1.45矿粉32.629.924.2151.538.89——2.92—0.702.32

试验用细骨料为由20～200目规格按不同级配组成的石英砂。试验用聚羧酸高效减水剂的减水率为35%～40%，1 h无坍落度损失。试验用消泡剂为聚醚类与脂肪烃按一定比例制备的复合消泡剂。试验用镀铜钢纤维的长径比为50(长为12 mm，直径为0.24 mm)，弹性模量为200 GPa，抗拉强度为2.8 GPa。

1.2 试验方法

各试验配方如表2所示。分别研究水胶比(0.16，0.18，0.2，0.22)、减水剂掺量(1%，1.5%，2%，2.5%)、钢纤维体积掺量(1.5%，2.5%，3.5%，5%)、硅粉占胶凝材料比重(3%，6%，9%，12%)及矿粉占胶凝材料比重(5%，10%，15%)对高强混凝土性能的影响。

表2 一立方超高强混凝土的各材料组成 kg/m3

编号胶凝材料水泥硅粉矿粉石英砂水减水剂钢纤维消泡剂S192466110132017627.51951.1S292466110132019827.51951.1S392466110132022027.51951.1S492466110132024227.51951.1S592466110132024201951.1S6924661101320242111951.1S792466110132024216.51951.1S8924661101320242221951.1S992466110132024227.501.1S1092466110132024227.51171.1S1192466110132024227.51951.1S1292466110132024227.52731.1S1392466110132024227.53901.1S149900110132024227.51951.1S1595733110132024227.51951.1S1689199110132024227.51951.1S17858132110132024227.51951.1S181034660132024227.51951.1S199796655132024227.51951.1S2086966165132024227.51951.1

试件制备：将按既定比例称量的胶凝材料、石英砂等粉状固体倒入搅拌装置，干拌2～3 min使其充分搅拌均匀，随后将钢纤维慢速、均匀地加入混合物，继续搅拌3～4 min，依次加入水、减水剂及消泡剂快速搅拌4～5 min。而后，将搅拌均匀的拌合物倒入模具中，自流平成型。

将浇筑完成的模具置入标准养护室中，养护24 h后脱模，然后标准养护至28 d，取出试件进行抗压及抗折强度测试。依据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》测试试件的抗压及抗折强度，用于抗折试验的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，用于抗压试验的试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。砂浆流动度依据GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测定，测试方法为：将拌合物倒入截锥形试模(底内径为100 mm)，捣实、刮平表面后，向上轻提试模让拌合物自流，静止后测试流开面的直径，如图1所示。

图1 拌合物流动度测试方法

2 试验结果与分析

2.1 水胶比

水胶比对高强混凝土拌合物流动度的影响如图2a所示。由图可以看出，随水胶比的增加，拌合物流动度显著增加，水胶比为0.22时，拌合物流动度为31.9 cm，较水胶比为0.16的拌合物流动度高出54.1%；当水胶比低于0.16时，拌合物中的钢纤维出现“结团”现象，导致钢纤维分布不均匀，进而影响其力学性能；水胶比由0.16增加到0.18时，其流动性可满足自密实特性(>25 cm)；水胶比为0.22时，拌合物流动性良好，钢纤维在拌合物中的分布亦十分均匀。图2b给出了水胶比对试件28 d抗压强度及抗折强度的影响。可以看出，随水胶比的增大，抗压强度呈明显的降低趋势，水胶比为0.22的试件抗压强度为128.3 MPa，较水胶比为0.16的试件强度低了9.3%，抗折强度相应地降低了11.6%，同水胶比对流动度的改善程度相比，可以认为，在水胶比0.16～0.22范围内，可优先根据流动度确定试件的基准用水量。

图2 水胶比对流动度及强度的影响

2.2 减水剂掺量

不同掺量的减水剂对高强混凝土拌合流动度的影响如图3a所示。可以看出，随减水剂掺量的增加，拌合物流动度呈逐渐增加的趋势；当减水剂掺量为1%与2%时，拌合物流动度仅为18.2 cm与25.2 cm，而当减水剂掺量增大至2.5%时，拌合物流动度出现大幅提高，可达31.9 cm，这可能是因为此掺量达到了使胶凝材料絮凝体内部包裹水分被充分释放的临界减水剂用量。图3b给出了减水剂对混凝土试样28 d抗压强度与抗折强度的影响。可以看出，随减水剂掺量的增加，试件的抗压强度与抗折强度均呈现递增的趋势；当减水剂掺量高于2%时，试件抗压强度有较明显的增加，这可能是因为随拌合物流动性的增加，减少了硬化试件的内部孔隙量，使硬化试件更加密实，从而提高试件强度；随着拌合物具有自密实特性，继续掺加减水剂对试件强度的影响较小。因此，制备自密实超高强钢纤维混凝土时，减水剂掺量应不低于2.0%。

图3 减水剂对流动度及强度的影响

2.3 钢纤维掺量

不同掺量的钢纤维对高强混凝土拌合流动度的影响如图4a所示。可以看出，随钢纤维掺量的增加，拌合流动度逐渐降低，其主要原因是钢纤维在拌合物中容易形成纵横交错的网络结构，增大了拌合物浆体向四周扩散的阻力，同时由于钢纤维不具有流动性，包裹钢纤维的浆体亦难以向四周扩散；当钢纤维掺量小于2.5%时，拌合物流动度的降低幅度较小，当其掺量大于2.5%时，拌合物流动度显著降低，同时伴随有一定程度的“结团”现象。

图4b给出了钢纤维掺量对试件抗压强度与抗折强度的影响。可以看出，随钢纤维掺量的增加，试样的抗压强度与抗折强度均大幅提高；当钢纤维掺量小于2.5%时，抗压强度较不掺钢纤维的试件强度增加15.8%，增加速率明显大于钢纤维掺量大于2.5%的试件，究其原因，则是钢纤维一定程度的“结团”现象影响了试件内部的均匀性与密实性；当少量的钢纤维掺入试件后，试件的抗折强度显著提高，随钢纤维掺量的继续增加，试件抗折强度基本呈线性增加；掺1.5%钢纤维试件的抗压与抗折强度比不掺钢纤维的试件强度分别高出7.9%与81.7%，这表明，钢纤维的引入显著提高了高强混凝土的折压比，即改善了混凝土的韧性。

图4 钢纤维对流动度及强度的影响

2.4 微硅粉及矿粉掺量

不同掺量的微硅粉及矿粉对拌合物流动度的影响如图5a所示。可以看出，拌合物流动度分别随硅粉掺量的增加而降低、随矿粉掺量的增加而增加，这表明硅粉对拌合物流动性具有负面影响；微硅粉掺量大于6%时，拌合物流动度的降低幅度更大。图5b给出了不同掺量的微硅粉及矿粉对试件抗压强度及抗折强度的影响。可以看出，随微硅粉掺量的增加，试件抗压、抗折强度均有显著提高；矿粉掺量对试件抗压强度的影响较小，15%矿粉掺量试件抗压强度仅比无矿粉试件强度高出2 MPa左右。综合以上分析可知，微硅粉及矿粉的使用量应分别以4%～6%及10%～15%为佳。

图5 微硅粉及矿粉对流动度及强度的影响

3 结 论

(1)水胶比、减水剂掺量、钢纤维用量及微硅粉、矿粉掺量均可一定程度地影响高强混凝土拌合物流动度，其中水胶比、减水剂掺量及钢纤维用量是拌合物流动度的决定性因素。水胶比为0.22、减水剂掺量为2.5%、钢纤维(体积)用量为2.5%、微硅粉掺量为6%及矿粉掺量为10%的拌合物流动度可达31.9 cm，基本满足自密实混凝土对流动度的要求。

(2)在试验范围内，随水胶比由0.16增大到0.22，混凝土抗压及抗折强度呈现显著降低；由于减水剂的加入可改善拌合物的均质性及密实性，因此，混凝土抗压及抗折强度亦随减水剂掺量有小幅增加；混凝土强度随钢纤维掺量增加而增加，与抗压强度相比，钢纤维对抗折强度的改善更为显著，即提高了混凝土的折压比，改善了混凝土韧性；微硅粉对混凝土强度有一定的提高作用，矿粉对强度的作用并不显著。

(3)通过合理选材和配比优化，可以得到抗压强度大于120 MPa、抗折强度大于20 MPa的自密实超高强混凝土，基础配方如下：水胶比0.2～0.22，减水剂不低于2%，钢纤维掺量不大于2.5%，微硅粉掺量4%～6%，矿粉掺量10%～15%。

参考文献：

[1] 焦楚杰, 孙 伟, 高培正. 钢纤维超高强混凝土动态力学性能[J]. 工程力学, 2006, 23(8): 86-89.

[2] 何 峰, 黄政宇. 200-300 MPa活性粉末混凝土(RPC)的配制技术研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2000, (4): 3-7.

[3] 杜修力, 田予东, 田瑞俊, 等. 钢纤维超高强混凝土的力学性能试验[J]. 北京工业大学学报, 2009, 35(9): 1198-1203.

[4] 万朝均. 高强超高强高性能混凝土配合比设计经验探讨[J]. 混凝土, 2002, (3): 41-43.

[5] 赵 军, 高丹盈, 朱海堂. 钢纤维高强混凝土抗压性能试验研究[J]. 新型建筑材料, 2005, (1): 24-27.

[6] Yu R, Spiesz P, Brouwers H J H. Mix design and properties assessment of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC)[J]. Cement and Concrete Research, 2014, 56: 29-39.

Experiments on the Self-compacting Steel Fiber Reinforced UHPC

ZENG Cui-yun1, LI Qing-lai2, CHEN Bing3

(1. ParexDavco(Shanghai) Co Ltd, Shanghai 200436, China; 2. Shanghai East Best and Lansheng International Trade in Services(Group) Co Ltd, Shanghai 200040, China； 3. School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：The effects of the ratios of water to binder (w/c), superplasticizer contents, steel fiber contents and the addition of silica fume and superfine slag powder on the fluidity, compressive strength and flexural strength of UHPC were investigated. The experimental results indicate that the w/c, superplasticizer contents and steel fiber contents have significant influence on the fluidity and strength. A type of UHPC with compressive and flexural strength of over 120 MPa and 20 MPa can be obtained by adding 2% superplasticizer, 2.5% steel fiber, 4%～6% silica fume and 10%～15% superfine slag powder.

Key words：steel fiber; UHPC; self-compacting; compressive strength

收稿日期：2016-07-08

修回日期：2016-12-30

作者简介：陈 兵(1973-)，男，安徽安庆人，教授，博士，研究方向为高性能水泥基复合材料性能(Email: [e-mail])

基金项目：上海市科学技术委员会资助项目(15DZ1204500)

中图分类号：TU

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2017)02-0029-04