摘要：本文开展了掺入一定量的超短钢纤维的RPC混凝土相关性能实验，主要研究了超短钢纤维对RPC混凝土的密度、抗压强度、抗折强度、破坏能等相关性能的影响规律。
关键词：超短钢纤维；密度；抗压强度；抗折强度；破坏能
1.引言
活性粉末混凝土是一种特殊的高性能纤维增强水泥基材料。添加钢纤维可以通过提高韧性、延展性及拉伸强度来提高RPC混凝土的动载荷下结构性能，减小开裂和爆炸现象。一般的纤维增强复合材料应遵循以下基本原则：（1）纤维的强度和弹性模量都要高于基体。（2）纤维与基体之间要有一定的粘结强度，两者之间的结合要保证基体所受的应力能通过界面传递给纤维。（3）纤维与基体的热膨胀系数比较接近，以保证两者之间的粘结强度不会在热胀冷缩过程中被削弱。在纤维混凝土中，纤维对基体的作用概括起来主要有三种：阻裂、增强和增韧。纤维混凝土与普通混凝土相比各种物理力学性能的改善，都和这三种作用有关。
大量研究表明，普通短钢纤维对混凝土抗压强度的增强作用相当有限；而超短钢纤维能大幅度提高混凝土的抗压强度。由于边壁效应，普通短钢纤维在粗骨料之间的分布与粗骨料界面平行者居多，因而对于粗骨料与水泥浆界面处平行于界面的微裂纹没有多少增强作用；而超短钢纤维长度较短，边壁效应较弱，在界面处有一定数量钢纤维与粗骨料和砂浆的界面相交，一旦平行于界面的初始微裂纹有发展的趋势，这一部分钢纤维就能很好的阻止裂纹发展，由此推迟宏观初裂纹的产生，有效提高混凝土的抗压强度。
2试验过程
2.1原材料
原材料是由水泥、硅灰、标准砂、蒸馏水、减水剂及钢纤维组成。
水泥：唐山冀东水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥。粉煤灰含量15%，3天和28天压缩强度分别是27.8和51.8MPa。
硅灰：北京鹏昊科技有限公司生产，SiO2含量92.58%，耐火度1600°C以上，尺寸范围0.5~10μm，比表面积2.53×104m2/kg，需水量112%，灼烧量2.46%，28d活性指数104%。硅灰掺量10、15、20wt.%。
标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司按照ISO679和EN196-1标准生产，粒径范围0.08-2mm。
钢纤维：郑州禹建钢纤维生产有限公司生产的镀铜钢纤维，长度分别是12、6、3mm，直径0.18-0.23mm，含量1.2vol.%和3.6vol.%，拉伸强度2850MPa以上。
减水剂：江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸系减水剂，含固量0.35。
2.2.试验制备及表征
按配合比先将水和减水剂混合倒入搅拌锅，随后将水泥倒入搅拌，变成浆体后再缓慢倒入硅灰，在水泥和硅灰搅拌再次变成浆体后倒入标准砂和钢纤维混合物，慢速搅拌3-5分钟，最后再快速搅拌1-2分钟。搅拌完后，将浆料倒入40×40×160mm3模具内，在振动台上振动成型。将模具及试件移入养护室（20±2℃）养护24h后脱模。脱模后试件放置于水中，以20-30°C/h速度升至80°C，保温8h，随后一部分试件放于烘箱内，以125°C/h速度升至200-300°C，保温8h，炉温降至室温后取出试件。
根据GB177-85测试压缩强度和弯曲强度。破坏能是三点弯曲载荷下载荷-位移曲线的积分，位移距离是2.5mm。
3试验结果与讨论
3.1密度
图4–1给出了钢纤维含量（1.2vol.%）固定时钢纤维长度对RPC混凝土密度的影响。可以看出，钢纤维长度对于80°C热水及250°C烘箱养护的RPC混凝土密度没有太大的影响。对于80°C热水养护的RPC混凝土，密度基本保持在2.49g/cm3左右，对于250°C烘箱养护的RPC混凝土，密度基本保持在2.34g/cm3左右。由于掺入的钢纤维总质量和总体积不变，保持25g和1.2vol.%，钢纤维长度下降会增加纤维的数量。大量研究表明，超短钢纤维会减弱边壁效应，粗骨料和砂浆界面处的钢纤维可以阻止裂纹发展。本试验中采用的养护（80°C热水及250°C烘箱养护）不同于普通养护（室温静置），热养护过程中的热膨胀不匹配容易产生微裂纹，此外养护过程中的火山灰反应也会加剧进行，加速裂纹的产生与扩展。而通过密度试验结果，可以推测，超短钢纤维对于静态热养护，尤其是250°C烘箱养护条件下微裂纹的扩展没有发挥明显的阻裂作用。
图1钢纤维长度对RPC混凝土密度的影响
3.2抗压强度
图2给出了钢纤维长度及硅灰含量对RPC混凝土抗压强度的影响。可以看出，当80°C热水养护和250°C烘箱养护时，降低钢纤维长度（12mm到3mm）后混凝土抗压强度略微下降，且250°C烘箱养护的RPC混凝土抗压强度下降更明显。当钢纤维含量为1.2vol.%时，纤维长度12、6、3mm的RPC混凝土在80°C热水养护后的抗压强度分别对应的是175、176及180MPa，进一步250°C烘箱养护后抗压强度分别是224、214及212MPa。另外，图3给出了6mm钢纤维增强的RPC混凝土中硅灰含量对抗压强度的影响。可以看出，硅灰含量对于80°C热水养护的RPC混凝土抗压强度没有显著影响，但对250°C烘箱养护的RPC混凝土抗压强度存在一定影响，即随着硅灰含量增加，混凝土抗压强度提高。这也说明，在烘箱高温养护条件下，硅灰含量增加会提高火山灰反应程度，即水化产物Ca（OH）2与硅灰反应生成了水化硅酸钙，有利于抗压强度的提高。
对于抗压强度，钢纤维的主要贡献在于阻止压缩载荷下水泥浆基体中裂纹的扩展与贯通。水泥浆基体与粗骨料间的界面过渡区是弱结合区域，即混凝土中微裂纹产生的区域。一般来说，过渡区微裂纹尺寸要小于粗骨料尺寸，同时正比于骨料粒径。因此，为了阻止微裂纹的扩展与贯通，钢纤维的长度要等于或长于粗骨料的粒径。在本试验中，尽管钢纤维是超短钢纤维（3、6、12mm），其长度依然大于骨料粒径（粗砂1.0~2.0mm；中砂0.50~1.0mm；细砂0.08~0.50mm），因此本试验中钢纤维（3、6、12mm）可以提高RPC混凝土的抗压强度，这与试验结果相符。另一方面，钢纤维的长度不能远大于骨料粒径。当钢纤维含量固定时，降低钢纤维长度会提高钢纤维的数量。因此，降低钢纤维长度会增加纤维与界面过渡区的相互作用，进一步降低界面过渡区由微裂纹引起的应力集中。
图2钢纤维长度对RPC混凝土抗压强度的影响：（a）1.2vol.%；（b）3.6vol.%
图3硅灰含量对RPC混凝土抗压强度的影响
对于烘箱养护的RPC混凝土，界面过渡区孔尺寸及微裂纹数量会增加。因此推断，12mm钢纤维增强的RPC混凝土对于阻止裂纹扩展及贯通的贡献要大于3mm、6mm钢纤维增强RPC混凝土。这就是为什么高温烘箱下钢纤维长度下降会导致抗压强度较明显的下降。
3.3抗折强度
图4、图5给出了混凝土的抗折强度。当钢纤维含量为1.2vol.%和热水养护时，3、6、12mm钢纤维增强的RPC混凝土抗折强度分别是18、18及22MPa。当增加钢纤维含量至3.6vol.%时，抗折强度大幅度提升，分别达到了31、34及35MPa。整体上看，长的钢纤维可以使混凝土获得略微高的抗折强度，但增幅不大。与此同时，当钢纤维长度从12mm降至3mm时，混凝土依然能达到高的抗折强度，即3.6vol.%时31MPa，可见3mm超短钢纤维依然可以有效的阻止裂纹的扩展与贯通。当250°C烘箱养护时，钢纤维含量小时抗折强度与80°C热水养护差不多，这与抗压强度变化规律不同（烘箱养护后抗压强度升高），这是因为抗折强度不仅与基体强度有关，还与纤维、基体界面结合强度、纤维阻裂等有关。尽管烘箱养护提高了水泥浆基体的强度，但界面结合处微裂纹数量及尺寸会明显增加，降低了界面结合强度，混凝土抗折强度是水泥浆基体、界面强度、纤维阻裂的综合表现。而钢纤维含量大时抗折强度明显降低，这也是由于界面结合强度下降对抗折强度起了主导作用。
图4钢纤维长度对RPC混凝土抗折强度的影响：（a）1.2vol.%；（b）3.6vol.%
硅灰含量对抗折强度的影响，可见图5。80°C热水养护时10、15、20wt.%硅灰对应的抗折强度分别是18、21、18MPa，250°C烘箱养护对应的抗折强度分别是22、19、19MPa。可以看出，80°C热水养护时硅灰含量15wt.%的RPC混凝土抗折强度最高，而250°C烘箱养护时抗折强度随硅灰含量的增加而降低。这可能是因为80°C热水养护时虽然硅灰增加会导致浆体振捣不密实，浆体中存在大量孔洞，但由于吸附水的存在，基体及界面孔洞及微裂纹没有拓展贯通，界面强度较高。而250°C烘箱养护会导致基体及界面孔洞及微裂纹大幅度拓展贯通，虽然硅灰会与氢氧化钙发生火山灰反应，使界面过渡区致密化，但由于振捣产生的孔洞尺寸一般较大，若与微裂纹贯通，会对抗折强度产生致命的影响。
图5硅灰含量对RPC混凝土抗折强度的影响
3.4破坏能
破坏能与纤维拔出过程中机械能损耗有关，其值是载荷-位移曲线的积分。尽管改变钢纤维长度、含量及硅灰含量对抗压及抗折强度的影响不是非常显著。但钢纤维长度和含量对混凝土破坏能的影响非常显著，见图6。对于含量1.2vol.%的钢纤维，当纤维长度由12mm降至3mm时，破坏能由12.4N•m降至5.9N•m。同时，对于含量3.6vol.%的钢纤维，当纤维长度由12mm降至3mm时，破坏能由20.1N•m降至9.7N•m。这意味着钢纤维长度由12mm降至6mm，含量1.2vol.%和3.6%时拔出能分别降低28%和20%。当进一步降低钢纤维长度至3mm，含量1.2vol.%和3.6%时拔出能降低50%和50%。因此含有超短钢纤维RPC混凝土在拔出过程中具有低的拔出能。与之相比，养护制度和硅灰含量对破坏能存在较小的影响，含15wt.%硅灰的RPC具有最大的拔出能，与10wt.%硅灰的RPC相比增加13%，见图7。与此同时，烘箱养护会使破坏能降低，特别是长纤维，如前所述，烘箱养护会增加界面过渡区孔体积、孔尺寸及微裂纹，导致差的界面性能。
图6钢纤维长度对拔出能的影响：（a）80°C热水养护；（b）1.2vol.%钢纤维。
图7硅灰含量对拔出能的影响。钢纤维长6mm，含量1.2vol.%。
4.小结
1）钢纤维长度对于80°C热水及250°C烘箱养护的RPC混凝土密度没有太大的影响。与80°C热水养护比较，250°C烘箱养护降低了混凝土密度。
2）当80°C热水养护和250°C烘箱养护时，降低钢纤维长度（12mm到3mm）后混凝土抗压强度略微下降，且250°C烘箱养护的RPC混凝土抗压强度下降更明显。硅灰含量对于80°C热水养护的RPC混凝土抗压强度没有显著影响，但对250°C烘箱养护的RPC混凝土抗压强度存在一定影响，即随着硅灰含量增加，混凝土抗压强度提高。
3）长的钢纤维可以使混凝土获得略微高的抗折强度，但增幅不大。钢纤维含量大时抗折强度明显降低，这也是由于界面结合强度下降对抗折强度起了主导作用。
4）钢纤维长度和含量对混凝土破坏能的影响非常显著。钢纤维长度降低及含量增加会导致破坏能大幅度降低。与之相比，养护制度和硅灰含量对破坏能存在较小的影响，含15wt.%硅灰的RPC具有最大的破坏能，同时烘箱养护会使拔出能降低。
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论文作者:林新周1,陈静2,程永刚3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/21
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