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超高性能纤维混凝土（UHPFRC）的发展：为了有效利用粘结剂和纤维

R. Yu, P. Spiesz, H.J.H. Brouwers

重点强调：

1. 提出了一种有效生产UHPFRC的方法。
2. UHPFRC生产的粘合剂和纤维含量相对较低。
3. UHPFRC与三元纤维是设计和生产的。
4. 研究了混杂纤维对UHPFRC韧性的影响。
5. 评估UHPFRC韧性的计算标准。

关键词：

有效的利用率、超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）、粒子包装模型、杂交设计、三元纤维、弯曲韧性

摘要：本文介绍了开发超高性能纤维混凝土（UHPFRC）的方法。为了有效利用UHPFRC中的粘结剂和纤维，改进了Andreasen＆Andersen颗粒填充模型和纤维的杂交设计。特别是具有三元纤维的UHPFRC经过适当的设计和测试。测量和分析了设计的UHPFRC的流动性，力学性能和弯曲刚度。结果表明，基于优化的颗粒填充和混合的宏观和微观纤维，可以生产相对较低的粘合剂量（约620kg / m3）和低纤维含量（Vol.2％）的UHPFRC。此外，由于所用纤维之间的相互作用，混合纤维增强UHPFRC显示出改进的流动性和更好的机械性能。尽管如此，UHPFRC的弯曲韧性主要取决于钢质纤维。由于UHPFRC的特殊特性，JSCE SF-4标准比ASTM C1018-97更适合用来评估UHPFRC的韧性。

1. 介绍

超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）是一种相对较新的建筑材料，它是高性能混凝土基体和纤维增强材料的结合[1-3]。由于粘结剂用量较高，水与粘结剂的比例较低， 高纤维用量的UHPFRC，它具有优越的机械性能和能量吸收能力[4-8]。 然而，由于可持续发展目前是一个关键的全球性问题，各行业都在努力节约能源和降低环境影响[8-12]，UHPFRC的高材料成本，高能耗和嵌入式二氧化碳是典型的缺点，限制了它 更广泛的应用[13-15]。 因此，如何有效开发UHPFRC仍然需要进一步研究。

到目前为止，为减少UHPFRC的经济和环境劣势而采取的最常见措施主要限于包括工业副产品或有时是废料，而不牺牲UHPFRC的优越机械性能[4-6,16-18] 。例如，粒状高炉炉渣（GGBS），粉煤灰（FA）和硅粉（SF）已被用作UHPFRC生产中的部分熟料替代品[16-18]。此外，还利用稻壳灰[4,5]，回收玻璃碎片[6]，棕榈油燃料灰[19]，废陶瓷[20]和废底灰[26]等一些废物或回收材料来生产UHPFRC。然而，在UHPFRC的设计中，上述所有方法都没有考虑颗粒填充对混凝土性能的影响。在大多数情况下，UHPFRC的配方是直接给出的，没有任何详细的解释或理论支持。因此，具体矩阵是否是最优的并且粘合剂是否被有效使用是值得怀疑的。

对于砂浆和混凝土的适当设计，正在使用几种混合设计工具。 De Larrard和Sedran [21,22]基于多模离散尺寸颗粒的特性，假定混凝土设计有不同的方法：线性堆积密度模型（LPDM），固体悬浮模型（SSM）和压缩堆积模型（CPM）。此外，Fennis等人[23]基于De Larrard和Sedran [21,22]的概念开发了混凝土混合料设计方法。然而，所有这些设计方法都是基于单个固体组分（水泥，沙子等）和它们的组合的堆积分数，因此实际上在这些混合设计方法中包括非常细小的颗粒是很复杂的，因为它很难以确定这种纤细材料或其组合的包装分数。混合设计的另一种可能性是通过连续梯度混合的整体粒度分布方法（修正的Andreasen＆Andersen粒子堆积模型）提供的，其中非常细微的粒子可以以相当低的成本进行整合，详见[24]。此外，根据以前的经验和作者的调查[25-28]，通过应用这种修改后的Andreasen＆Andersen颗粒填充模型，可以生产出一种致密均匀的UHPFRC骨架，其粘结剂含量相对较低（约650千克/立方米）。因此，混凝土的这种优化设计可以成为一种有效的方法来生产UHPFRC和有效的粘结剂。

此外，除了混凝土基体的适当设计之外，钢纤维的高效应用对降低材料的成本，能耗和嵌入式二氧化碳也至关重要，因为在UHPFRC中应用的纤维体积含量为1％的成本通常高于 相同体积的矩阵[29]。 尽管如此，在许多调查UHPFRC的文献中，钢纤维直接添加（有时体积大，例如超过5％）[30]，而没有考虑使用的纤维的效率。 虽然，纤维的最佳取向有利于提高混凝土的力学性能，但很难将所有纤维在理想方向上对齐[31-35]。因此，如何找到一种实用的方法来有效地使用钢纤维 仍然需要进一步研究。

众所周知，在大多数情况下，混合纤维增强混凝土具有比仅使用单一类型纤维的混凝土更好的机械性能[36-44]。 1987年罗西首次提出将不同类型的纤维应用于一种混凝土混合物[45]，即所谓的多模式纤维增强混凝土（MMFRC）。由于短纤维可以弥补微裂纹，而长纤维更有效地防止宏观裂纹的发展，因此混杂纤维钢筋混凝土中的应力可以很好地分布并且其力学性能可以得到改善[42]。从机械角度来看，不同几何形状的纤维组合似乎是增加机械性能和延展性的最佳解决方案[42]。因此，在UHPFRC生产中使用的钢纤维的适当的杂交设计可以被视为提高纤维效率的潜在方法。近年来，关于混合纤维在UHPFRC中的应用或混合纤维对UHPFRC性能的影响的研究也可以在文献中找到[29,44,46]。然而，在UHPFRC生产中同时应用三种不同类型的钢纤维（例如三元纤维混合）的研究很少，这可能是由于设计的复杂性以及这种三元纤维混合物的影响。另外，有关混合纤维对UHPFRC韧性影响的现有数据非常有限。正如人们普遍接受的那样，当UHPFRC被用于暴露于大能量释放或高冲击载荷率的元件中时，UHPFRC的韧性特性非常重要[47-51]。因此，需要全面阐明混合纤维与UHPFRC韧性之间的关系。

基于这些前提，本研究的目的是有效开发UHPFRC，并阐明混合动力元件对UHPFRC性能的影响。 对所设计的UHPFRC的流动性，力学性能和弯曲韧性进行了测量和分析。 基于所获得的结果，还评估了用于测试混凝土的弯曲韧性的可用标准。

1. 材料和方法

2.1材料

本研究中使用的水泥是普通波特兰水泥（OPC）CEM I 52.5 R，由ENCI Heidelberg Cement（荷兰）提供。聚羧酸系高效减水剂用于调节混凝土的可加工性。石灰石粉末被用作填充剂来代替水泥。在浆料（Akzo Nobel，瑞典）中使用可商购的纳米二氧化硅作为火山灰质材料。使用的纳米二氧化硅的特性如表1所示。使用两种类型的砂子，一种是0-2毫米级分的普通砂子，另一种是0-1毫米尺寸范围的普通砂子（Graniet - 进口荷比卢，荷兰）。 （1）长直径纤维（LSF），长度= 13mm，直径= 13mm，直径= 0.2毫米; （2）短直线纤维（SSF），长度= 6mm，纤维直径= 0.16mm; （3）钩形纤维（HF）长度= 35mm，直径= 0.55mm。所用材料的密度示于表2中。所用水泥，石灰石粉和纳米二氧化硅的氧化物组成列于表3中。

2.2实验方法

2.2.1 UHPFRC的混合设计

在作者以前的调查中，已经证明了如何以较低的粘合剂量生产UHPFRC [25-28]。 因此，在这项研究中，修改后的Andreasen和Andersen模型被用来设计所有的混凝土混合物，如下所示[24,52]：

其中D是粒径（lm），P（D）是小于D的总固体的分数，D_max是最大粒径（lm），D_min是最小粒径（lm），q是分布在文献中，可以找到修改后的Andreasen和Andersen包装模型在混凝土设计中应用的很多例子[53-58]。通过使用不同的分布模量q值，可以设计不同类型的混凝土[55,56,58]。基于Brouwers [56,58]和Hunger [59]的建议，考虑到UHPFRC需要高含量的精细度，本研究中q的值固定为0.23。在混凝土混合料设计中，改进后的Andreasen和Andersen模型（方程（1））作为颗粒材料混合物成分优化的目标函数。使用基于最小二乘法（LSM）的优化算法，调整混合物中每种单独材料的比例，直至达到组成混合物与目标曲线之间的最佳值。 （2）。当目标曲线与组成混合物之间的偏差（以定义的粒径下的残差平方和表示）被最小化时，混凝土的成分被认为是最优的[60]。

其中P_mix是组成的混合物，P_tar是从等式 （1），n是用于计算偏差的点数（在D_min和D_max之间）。

众所周知，曲线的质量通过确定系数（R²）来评估，因为它给出了目标曲线的分级与组合混合之间的相关性的值。 因此，在本研究中使用测定系数（R²）来获得由以下给出的优化混合物：

代表整个分配的平均值

本研究中应用最优颗粒填充模型开发的UHPFRC混合物列于表4中。所得复合混合物的积分分级曲线如图1所示（R² = 0.99）。在这项研究中，只有大约620 kg / m3的粘合剂用于生产UHPFRC基质，这比文献报道的数量要低得多[4-12]。此外，钢纤维以不同的杂交和比例添加到设计的混凝土基体中（如表4所示）。在所有的混合物中，总纤维量是混凝土体积的2％。为了分析不同混合纤维对UHPFRC性能的影响，本文设计了两种类型的杂交系统：（1）具有两种类型的直钢丝（表4中的No.2-6）; （2）使用钩钢丝和两种直钢丝（表4中的7-10）。只设计了直线光纤的混合物的开发是为了阐明长短纤维之间的比例对UHPFRC的机械性能的影响，这可以进一步帮助设计三元纤维体系。

2.2.2混合程序

在这项研究中，按照[25]中所述的方法，混凝土基体与钢纤维充分混合。在混合纤维加入混凝土混合物之前，纤维混合在一起1分钟。混合总是在实验室条件下用干燥和回火的骨料和粉末材料进行。混合和测试时的室温恒定在21°C左右。

此外，考虑到钩状长钢丝的影响，根据EN 12350-8：2010 [62]测试新鲜混合物的流动性（表4中第7-10号）。 使用内部上/下直径等于100/200毫米，高度等于300毫米的艾布拉姆斯锥体，不会产生任何颠簸。 记录相互垂直的两个直径（d1和d2），它们的平均值记录为UHPFRC的坍落度流量值。

2.2.4。 UHPFRC的机械性能

在进行流动性测试之后，将新鲜的UHPFRC混合物（表4中的1-6号）浇铸成尺寸为40毫米times;40毫米times;160毫米的模具。棱镜在铸造后约24小时脱模，随后在约21℃的水中固化。固化7天和28天后，棱镜试样的压缩强度和弯曲强度根据EN 196-1 [63]进行测试。每批至少要测试三个样本。

此外，考虑到钩状纤维对模具尺寸的限制，将新鲜的UHPFRC混合物（表4中的No.7-10）浇铸到尺寸为100mmtimes;100mmtimes;500mm和100mm的模具中100毫米times;100毫米。梁和立方体在铸造后约24小时脱模，随后在约21℃的水中固化。固化28天后，根据EN 12390-3 [64]测定立方体的抗压强度，并按照EN 12390-5 [65]中所述对梁进行4点弯曲测试。对于四点弯曲测试，底部两个支撑点之间的跨距为400 mm。为了获得中间偏转曲线上的弯曲载荷，使用安装在测试样品表面上的线性可变差动变压器（LVDT）记录中间偏转。在测试过程中，设置以位移控制模式运行，该模式设置为0.1 mm / min。测试过程中的测试装置和样品的方案如图3所示。在测试之前，完成LVDT的校准。

2.2.5。 UHPFRC的弯曲韧性

根据现有文献，两个标准主要用于评估纤维混凝土的弯曲韧性，ASTM C1018-97 [66]和JSCE SF-4 [67]。在这项研究中，这两个标准被用来计算UHPFRC的弯曲韧性。

在ASTM C1018-97中，弯曲韧性按四个规定的偏差（d，3d，5.5d和10.5d）计算。 d代表第一道裂纹出现时的变形，如图4所示。变形后的韧性计算为弹性或预峰值韧性（第一道裂纹韧性），而其他三种（3d，5.5d和10.5d）被认为是峰前弯曲韧性。此外，还定义了韧性指数I₅，I₁₀和I₂₀，它们是峰值后韧性与峰前（弹性）韧性的比值。根据图4，可以计算出的韧性指数如下

与ASTM C1018-97不同的是，JSCE SF-4将载荷变化曲线下的面积定义为弯曲刚度/ 150作为弯曲韧性。 从这个测量结果中可以计算出一个弯曲韧性因子（TF），如下所示：其中TF代表韧性因素，L代表跨度，A_{（L / 150）}是屈曲（L / 150）处的弯曲韧性（本研究使用Matlab计算），B是试样的宽度，H是试样的宽度 高度。

3.实验结果和讨论

3.1 UHPFRC的流动性

图5显示了新鲜UHPFRC混合物只有直线光滑的坍落度流量。数据显示了UHPFRC在不同短直径光纤（SSF）和长直光纤（LSF）量下的流量变化。 SSF-0，SSF-0.5，SSF-1.0，SSF-1.5和SSF-2.0分别代表编号2至6的混合物（参见表4）。可以清楚地看到，根据欧洲自密实混凝土指南[68]和设计的UHPFRC的

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