混杂纤维超高性能混凝土研究现状

时间：2024-12-27

张华

（哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，哈尔滨 150028）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）这个概念被提出距今已有近30年，UHPC相比于普通混凝土具有高强度、高韧性、高耐久性等特点［1-3］，UHPC的问世实现了水泥基建筑材料各项性能的大幅度提升。UHPC的力学性能很大程度上受到组成和原材料的影响，UHPC以水泥、细骨料，超细矿物掺合料，减水效率较高的减水剂以及增强纤维为原材料［4，5］。UHPC具有非常广泛的应用前景，如桥梁、公路及各种工程预制构件等。

高强度的水泥基复合材料本身具有较低的断裂强度和韧性，脆性破坏是随强度增加而出现的，该特点限制了高强度混凝土的应用。然而通过纤维桥接基体吸收能量并提高延展性，限制裂纹的发展，所以将纤维结合到更高强度的基体中可以很有效地克服高强混凝土的脆性问题。因此纤维作为UHPC中最重要的原材料之一，其长度、形状、掺量等参数都影响着UHPC的力学性能［6-9］。水泥基复合材料中使用的纤维主要有钢纤维、玻璃纤维或聚合物纤维等。在所有类型的纤维中，钢纤维比混凝土基体具有更高的弹性模量，这意味着它们可以提高承载能力，从而提高材料的机械强度，钢纤维增强的混凝土具有更好的冲击、破碎和耐磨性。然而相比于在UHPC中单独掺入钢纤维，混杂不同长度、不同形状、不同材料的纤维，可以得到力学性能更加优异的UHPC。文中将对现有混杂纤维UHPC的研究进展进行回顾，归纳与总结在混杂不同尺度钢纤维、不同形状钢纤维、不同材料纤维条件下，UHPC的力学性能如抗压性能、弯曲性能、以及抗冲击性能等。从而可以为实际工程应用中面对不同力学性能需求时，混杂UHPC中纤维组合的选择提供参考。

1 混杂不同尺度钢纤维

UHPC的破坏是一个多尺度的断裂过程，而单一尺度钢纤维的使用只能抑制单一尺度的裂缝的产生与发展，从而只在单一尺度下增强。因此，基体中若掺入两种或两种以上不同尺度的纤维，二者可以在受到外力破坏过程中进行互补，使基体表现出比单一纤维UHPC更加优异的力学性能［10，11］。

1.1 准静态力学性能

1.1.1 抗压强度

不同尺度的钢纤维弥合了UHPC受压时产生的不同尺度的裂纹，同时不同尺度钢纤维混杂掺入UHPC中，也被验证能够得到抗压性能更加优异的UHPC。R.Yu等［12］的实验将UHPC中钢纤维的总含量维持在2%，将直径为13、6mm的钢纤维混杂掺入并进行抗压试验，结果如图1所示。研究结果表示纤维混杂系数为0.25时，UHPC的28d抗压强度达到了最高141.5MPa，高于单独掺入任意一种纤维。何杰［13］的研究也得到了相同结论，研究将30（SF1）、13mm（SF2）的钢纤维混杂对UHPC也有一定的强化效果，与单掺SF1的UHPC相比，1.5% SF1+0.5% SF2组试件的抗压强度提高了6.1%。这归因于混杂纤维在限制UHPC裂纹发展方面的协同效应，尽管纤维在拉伸或弯曲荷载下更有效地改善混凝土的性能，但它们也可以弥合受压过程中产生的裂缝，并提高了UHPC的抗压强度。

图1 混杂纤维UHPC的抗压强度

从以上的研究结果还可以发现，随着短纤维对长纤维取代率越来越高，UHPC的抗压强度呈现下降的趋势。Wei J等［14］对于混杂长度为6、10、15mm钢纤维，纤维总量保持在2.5%的UHPC试件抗压性能的研究也得到了类似结论，结果表明纤维长度越长，UHPC的抗压强度和弹性模量越高。在所有试件中，单独掺入2.5%长纤维对UHPC试件的抗压性能的增强效果最好，这是因为相比与长纤维，短纤维受力时提供的桥接作用较弱，并且长纤维与混凝土基体之间的粘结面积更大［15］。然而，当不减少长纤维掺量的前提下，再掺入短纤维可以大幅度提高UHPC的抗压强度。Ragalwar K等［16］将钢棉纤维掺入2%长纤维的UHPC中，抗压强度在钢棉纤维掺量为1.5%时最高，相比于未掺入钢棉纤维的UHPC提高了22%。这是因为钢棉纤维桥接并稳定了微裂纹，与抑制宏观裂纹的长纤维协同作用，共同增强了UHPC基体的抗压强度。

1.1.2 抗拉强度

UHPC除了具有很高的抗压强度外，还具有非常优异的抗拉性能。高抗拉强度还会使UHPC具有更高的延性，并且可以在实际工程中免去对钢筋的需求［17］。从纤维多尺度增强的机理出发，当纤维混杂时，可以得到抗拉性能更优异的UHPC，许多学者对其进行了相关研究。

Park S H等［18］将13mm短钢纤维与30mm长的钢纤维混合，研究是在长纤维保持体积掺量保持1%不变时，改变短纤维的掺入量，体积掺量在0%～1.5%之间变化。得到结论为在基体中添加短纤维对UHPC的应变硬化和多重开裂行为产生了有利的影响，纤维混杂会明显地改善UHPC的抗拉强度、微裂纹数量。

材料受拉全过程具有2个特征值，分别为初裂强度和抗拉强度。苏家战等［19］混杂不同长径比钢纤维、进行单轴拉伸试验，并进行了混杂效应分析。混杂效应种类如图2所示。在钢纤维总掺量不变下，当混杂比率0.4时，混杂6、20mm的钢纤维对UHPC材料的抗拉强度、初裂强度均能达到正混杂效应；混杂13、20mm的钢纤维则显示为零效应。总之，不是所有的纤维组合都能够优化UHPC的力学性能，在实际应用时，应根据混杂效应与工程需求选择最优纤维组合。

图2 混杂效应种类

1.1.3 抗弯强度

Niu Y等［20］将6mm（S）、13mm（M）、20mm（L）两两混杂，研究混杂纤维UHPC受到弯曲荷载时的强度和裂纹扩展情况。结果表明M0.5L1.5的UHPC试件组弯曲性能优于其他试件。各组试件的初裂应变率以及裂纹扩展速率分别如图3（a）、图3（b）所示。由此表明长纤维可以有效地通过纤维/基体界面传递应力，从而减缓应变增长，并且长纤维对裂纹扩展具有重要的限制作用。但由于混合增强效应，与其他试件相比，M0.5L1.5试件的初裂应变率和裂纹扩展速度最低，弯曲性能最好。

图3 各组试件的受弯开裂行为

Ragalwar K等研究了钢棉纤维对含有长度为30mm钢纤维的UHPC基体力学性能的影响，同样得到了混杂纤维UHPC抗弯强度和韧性更优异的结论。此外，研究通过纤维拔出性能试验证明了混杂纤维UHPC抗弯性能的增加是微细纤维桥接了基体的微裂纹并且改善了长纤维与基体的界面，增加了基体与纤维间的摩擦粘结。

1.2 动态抗冲击性能

Wei J等混杂了长度为6、10、15mm钢纤维，研究了单纤维和混杂纤维加固的UHPC梁低速冲击下的动力特性，进行落锤试验后的UHPC梁部件出现轻微的弯曲损伤。与单一纤维增强的UHPC梁相比，混合纤维UHPC梁部件具有更好的抗冲击性能，即弹性模量最大和挠度小。Wu Z等［21］对混杂纤维进行霍普金森杆冲击试验也得到了类似的结论，并认为UHPC中混杂纤维增强体的增强机理是最初短纤维增强体抑制了微裂纹的产生。随着微裂纹的进一步扩展，短纤维从基体中拔出，长纤维开始承受载荷，由于短纤维和长纤维协同增强效应，这可以在两个长度尺度上限制裂纹的发展。

2 混杂不同形状钢纤维

现有对于混杂不同形状钢纤维的研究大多集中于短直钢纤维与长异型钢纤维。这种混杂方式的出发点有以下两个方面，一是让多尺度的纤维在基体中发挥协同作用，抑制UHPC的多尺度裂纹；二是纤维-基体界面的结合强度主要由化学键、纤维端部的机械锚固和摩擦力提供。而与直纤维相比，异形纤维甚至端钩纤维具有更大的机械锚固作用力［22］。

2.1 准静态力学性能

2.1.1 抗压强度

Abushanab A等［23］将50mm长端钩纤维与6mm短直纤维混杂掺入UHPC中，对比分别单掺长、短纤维UHPC的抗压强度，发现在纤维总掺量固定的前提下，混杂组合的试样的抗压强度最高。此外，端钩纤维单独掺入时的抗压强度略低于短直纤维单独掺入时的试件组，这是因为钩端纤维在基体中的分布不如直纤维，因此直纤维在提高UHPC抗压强度方面比变形纤维更有效［24］。Ryu G S等［25］也在研究中得到了类似结论。但是从以上研究结果也可以发现混杂不同形状纤维对UHPC的抗压强度影响幅度并不是非常大，这是因为抗压强度主要取决于纤维的分布，基体的密实度以及纤维与基体界面的强度。所以有更多的学者将研究重点转移至抗拉和抗弯强度。

2.1.2 抗拉强度

Chun B等［26］将短钢纤维与异形钢纤维混合掺入，会明显地改善UHPC的抗拉强度、微裂纹数量。认为扭转形长纤维与短纤维混合在一起时，UHPC具有最佳的拉伸性能。Park S H等也得到了相同结论，这是由于扭转型长纤维需要经历“解扭”过程才能被拔出，所以它利用了大部分埋入纤维的长度来产生机械阻力。这也说明了不同形状的钢纤维在UHPC混合体系中发挥作用的机制也是不同的。

2.1.3 抗弯强度

一般来说，在脆性基体中混合在一起的纤维可根据在基体中的作用分为宏观纤维和微观纤维，高强度纤维增强复合材料采用又长又粗的纤维作为宏观纤维，而采用又短又细的纤维作为微观纤维。Ryu G S等将长端钩型钢纤维（长度30mm，直径0.375mm）与3种不同长度短直纤维（长度分别13.0、16.3、19.5mm，直径均为0.2mm）混掺，研究其弯曲韧性。与单独使用长纤维或短纤维的UHPC相比，长端钩和短直钢纤维混掺的UHPC的抗弯强度和弯曲韧性都有较大的提高，尤其是弯曲韧性。这是因为长纤维与短纤维的复合材料具有协同效应，短纤维提高了弯曲强度，长纤维提高了变形能力。混掺钢纤维UHPC的韧性较单掺钢纤维UHPC提高了33%～45%，并且当长端钩纤维与长度13mm短直纤维各掺入1%时对UHPC增韧的效果最好。Abushanab A的研究也认为短纤维和长端钩纤维混杂组合UHPC试件比普通UHPC试件的抗折强度最高提高了124%。UHPC抗弯强度结果的变化归因于钢纤维的拉拔强度，宏观钩端纤维短直纤维更能有效地桥接宏观裂缝。

2.2 动态抗冲击性能

将直纤维和端钩型钢纤维混合掺入UHPC中，由于“协同效应”，将会得到比单一种类纤维更优异的抗冲击性能。通过落锤试验，对混掺纤维试件单掺纤维试件进行动态力学性能的测试。结果表明在保持纤维总掺量为2%的前提下，抗冲击强度随着端钩型纤维掺量增大呈现先上升后下降的趋势，并且在直纤维和端钩型纤维各掺1%的情况下，抗冲击性能最佳［27］。

3 混杂不同材料纤维

我们可以按照弹性模量将用于增强的纤维分为两类，一类纤维的弹性模量低于水泥基体，如纤维素、尼龙和聚丙烯等；另一类纤维的弹性模量则高于水泥基体，如石棉、玻璃、钢、碳等。通常弹性模量较小可以提高混凝土的韧性，与钢纤维混杂时可以既保证强度也提高基体的韧性［28，29］。

3.1 准静态力学性能

3.1.1 抗压强度

任亮、梁明元等［30］将少量的聚乙烯醇（PVA）纤维、聚丙烯（PP）纤维分别与钢纤维混合掺入UHPC中，结果表明UHPC试件抗压强度得到了增强，且PVA-钢混杂时协同增强效果更好。何杰将不同尺度的纤维加入UHPC中，选择两种不同尺度的纤维分别掺入UHPC中，与PVA纤维相比，弹性模量较高的聚乙烯纤维（PE）纤维更有利于UHPC的强化。最佳钢纤维和PE纤维体积掺量为1.5%和0.5%。此外，还在UHPC中掺入纳米纤维，通过填充硬化水泥浆内部的孔隙，减小有害孔的数量，明显改善混凝土内部孔结构，使得微观结构更加致密，进而提高了UHPC的抗压强度。

3.1.2 抗拉强度

经研究证明直径大于0.5mm的粗纤维和直径小于0.022mm的超细纤维进行混杂，UHPC的拉伸性能显著提高。这是因为这两种类型的纤维在破坏过程的不同阶段影响裂纹的扩展［31，32］。聚合物纤维与钢纤维混杂即可以达到这样的效果。Kang S等［33］将钢纤维与其他种类聚合物纤维混杂掺入，发现可有效地提高抗拉强度，当两种纤维的总体积率保持在1.5%的条件下，对UHPC的极限抗拉强度增强效果为：钢+聚乙烯＞钢+玄武岩＞单一钢纤维＞钢+聚乙烯醇。

3.1.3 抗弯强度

虽然有些聚合物纤维单独掺入时不能改善UHPC的抗折强度，但是这些纤维和钢纤维混合掺入时却显著地提高了抗折强度。如钢纤维与PP纤维混杂的情况，这是因为PP纤维能够改善孔结构，降低了孔隙率，弥补了钢纤维带来的空隙缺陷，从而改善了UHPC试件的力学性能［34］。两种纤维在基体中可以发挥很好的协同作用，海然等［35］将1%的钢纤维和0.25%的PVA纤维混合掺入UHPC时，抗折强度较未掺纤维提高率达到49%。Banthia N等［36］研究纤了维素纤维与钢纤维对纤维增强混凝土抗弯强度的混杂效应，发现纤维素纤维本身不会改变基体韧性，但在钢纤维存在的情况下，纤维素纤维的存在明显增强了韧性。并且协同效应随着挠度的增加而减小，这可能是由于在较大的裂缝时纤维素纤维的增韧作用开始失效。

3.2 动态抗冲击性能

除了在基体中单掺一种纤维的增强方式外，有大量的研究都集中于混杂纤维对UHPC的抗冲击压缩性能会产生何种影响。主要的方式为以钢纤维为主体，再混杂少量其他聚合物纤维。王立闻等［37］将钢纤维与PVA纤维混杂，发现在常温下，试件的动态抗压强度反而低于相应掺量单一钢纤维的试件，钢纤维和PVA纤维的混杂呈现“负协同效应”。但是如果在高温条件下（400、600、800℃）进行霍普金森杆冲击试验，PVA纤维的掺入将会在很大程度上改善RPC试件的抗冲击压缩性能，2%钢纤维+0.1% PVA纤维为最佳掺量。这是因为PVA纤维的熔融不仅为受荷载的试件提供了变形的空间，还可以降低在高温条件下造成材料内部损伤的概率。在高温下，钢纤维和聚乙烯醇纤维的混杂呈现“正协同效应”。

3.3 抗高温性能

UHPC致密的基体在高温下容易发生爆裂，在UHPC中掺入聚合物纤维可以降低爆裂的风险。赖建中［38］得到PVA与钢纤维混合掺入的UHPC在高温的作用下，可以提高高温后破裂阻力及残余抗压强度的结论。该学者还认为，高温作用下，PVA纤维熔化，出现很多微型通道，减小蒸汽压力，从而改善了UHPC在高温下的抗爆性能。Sciarretta F等与Li Y等［39，40］混杂钢纤维与PP纤维也得到了相似结论，认为UHPC需要两种纤维混杂才能更好地承受高温作用。

4 存在的不足

混杂纤维在UHPC中的协同作用机制非常复杂的，混杂纤维的掺量及比例都需要合理计算，才到达到理想强韧化效果。同时，混杂纤维UHPC可能存在的不足：当聚合物纤维大量掺入取代钢纤维时，将大幅度降低UHPC的力学性能；弹性模量小的聚合物纤维的蠕变比较高，当承载纤维增强材料中的应力很大时，在一段时间内可能会出现相当大的形变或缺陷。尤其是UHPC的断裂韧性会明显下降，因为断裂韧性的提高需要更多的钢纤维来发挥作用。此外，微细纤维的大量掺入会使浆体粘度急剧增加，大幅度降低UHPC的流动性，在成型时会导致更多空气滞留、引入更多孔隙，从而也会降低UHPC的力学性能。