0 引言

活性粉末混凝土(reactive power concrete,RPC)^[1]是由法国Bouygues公司采用水泥、粉煤灰、硅粉、石英砂、高效减水剂等组成，加入一定量钢纤维，硬化过程中采取适当的加压、加热等成型养护工艺而形成的一种具有良好的力学性能、优异耐久性和体积稳定性的水泥基复合材料^[2]。研究表明:纤维网骨架与RPC基体的黏结锚固作用使RPC在受压时，基体正倒相接四角锥体未发生严重崩裂现象，从而提高RPC抗压强度和抗裂能力^[3]。

目前纤维掺量对混凝土力学性能影响已有较多研究，D.Y.Yoo等^[4]研究钢纤维掺量对UHPC力学性能影响。研究表明:当体积掺量<3%时，UHPC抗压强度和弹性模量随钢纤维增大而增大;但当纤维掺量>4%时，抗压强度和弹性模量均降低。赵燕茹等^[5]研究不同掺量钢纤维对自密实混凝土抗压强度的影响;樊俊江等^[6]研究不同掺量钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维对混凝土弯曲韧性的影响，钢纤维对混凝土韧性提升效果最明显，且与纤维外形和表面工艺有关。

但对于单掺纤维及混杂掺纤维对混凝土性能的影响，特别是针对纤维物理特征，定量分析其与性能参数的关系缺乏相关研究。因此，本文通过研究不同掺量的单掺和混杂掺纤维对RPC性能的影响，并得到纤维外形特征与性能的定量关系式，为工程中RPC纤维的选用提供数据参考。

1 试验研究

1.1 原材料

RPC主要原材料为水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、高效减水剂、钢纤维。其中水泥为海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为330m²/kg,3d抗压强度为17.0MPa,28d抗压强度为42.5MPa;采用Ⅱ级粉煤灰，比表面积为425m²/kg;硅灰比表面积为18 000m²/kg，平均粒径为0.1～0.2μm，活性指数≥85%。

试验采用液态聚羧酸减水剂，减水率达30%，固含量为20%;石英砂最大粒径<2mm，堆积密度为1 660kg/m³，细度模数为2.2;试验中使用表面镀铜平直钢纤维，编号为SF-ab，其中a表示纤维直径，b表示纤维长度，4种规格纤维物理力学指标如表1所示，外观如图1所示。

  

表1 钢纤维物理力学性能指标 

 

 

表1 钢纤维物理力学性能指标

1.2 试验设计

试验设计25组试件，其中，单掺钢纤维组表示为SF-ab-v,SF-ab为纤维种类，v%表示纤维体积掺量，分别为0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%;混杂纤维保持总掺量1.5%不变，分别按比例掺入SF-0138和SF-01313 2种不同长度纤维，表示为Sm Ln,S表示长度8mm短纤维，L表示长度13mm长纤维，m,n分别表示短、长纤维掺比。每组测试3个抗压、3个抗折试块，取平均值，并测试每组流动度。RPC配合比如表2所示。

1.3 试件制作及养护

先倒入称量好的石英砂和钢纤维搅拌3min混合均匀，将事先称量好的干粉料倒入搅拌机中，最后加入水和减水剂，搅拌时间设置为8min，搅拌完毕后将RPC拌合物装进预先刷好脱模剂的100mm×100mm×100mm立方体试模及100mm×100mm×400mm棱柱体试模内，在高频振动台上振动2min成型，盖上塑料薄膜室温下静置48h后拆模，并放入温度为(20±5)℃、相对湿度≥95%的标养室养护至28d龄期。

  

表2 RPC配合比 

 

 

kg·m^-3

表2 RPC配合比

1.4 试验测试

1)RPC流动度测试按GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》规定，将拌合物倒入模具，利用刀具刮去高出试模部分，随后轻轻垂直向上提起试模，立刻开动跳桌，频率为1次/s，跳动25次后停止，用游标卡尺测量RPC摊铺在桌面上互相垂直的长边和短边2个方向距离，测试结果取长边和短边测试值的平均值。

2)抗压强度测试按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定，采用200t压力试验机加载，加载速率为10kN/s，记录试块最大破坏荷载。

3)抗折强度测试将100mm×100mm×400mm试件置于60t万能试验机上，采用三等分加载，加载速率控制在0.1MPa/s。

2 试验结果及分析

2.1 试验数据

表3所示为各工况下RPC流动度值、标准养护28d抗压强度平均值和抗折强度平均值。

2.2 钢纤维对RPC流动性的影响

对于钢纤维单掺，掺量对RPC流动性影响如图2所示。未掺钢纤维RPC流动性最好，达272mm，随着钢纤维掺量增加，掺不同类型钢纤维的RPC流动度均降低，且几乎成线性下降。对于SF-0220钢纤维，当掺量为0,2.0%时，RPC流动度下降最高可达28%。这是由于钢纤维的掺入在基体中起到骨架作用，吸附了基体部分水分从而阻止了基体流动，且由于钢纤维比骨料细长，增大了其与基体的比表面积，从而增大了与基体的黏结作用导致流动度下降。钢纤维长径比与RPC流动度关系如图3所示，不同钢纤维掺量，随着长径比增加，RPC流动度随之降低。纤维掺量为2.0%时，长径比为43的RPC流动度比长径比为100的提高16%，且在相同长径比下，掺加长13mm钢纤维比长20mm钢纤维的RPC流动性更好。这是由于长径比越大，起骨架作用的钢纤维在基体内的旋转半径更大，从而增大了其对基体的阻碍作用，降低了流动性。

图1 钢纤维种类  

 

  

表3 试验数据 

 

 

表3 试验数据

图2 钢纤维掺量对RPC流动性的影响  

 

混杂钢纤维对RPC流动性的影响如图4所示，保持钢纤维总量1.5%不变，随着短纤维掺量的增加，RPC流动度先增加后急剧下降，当1%短纤维和0.5%长纤维混杂时，流动度达最佳，为243mm，比单掺长纤维和短纤维流动度分别增加9.5%,5.7%。这是因为单掺钢纤维在基体不同流速的冲击下，会发生旋转使单掺钢纤维平行于模具边壁，产生“边壁效应”^[9]垂直于基体流向，从而产生最大阻力导致流动性降低;而长、短纤维混杂时，相互抑制旋转，打乱单掺钢纤维流向模式，使纤维与基体流向夹角<90°，从而减小了阻力，提高了RPC流动性。

图3 钢纤维长径比对RPC流动性的影响  

 

图4 混杂钢纤维掺量对RPC流动性的影响  

 

2.3 钢纤维对RPC抗压强度的影响

单掺钢纤维RPC抗压强度与纤维掺量关系如图5所示，未掺入钢纤维RPC抗压强度为108.8MPa，当分别掺入0.5%,1.0%,1.5%,2.0%钢纤维时，RPC抗压强度分别有不同程度提高。这是因为钢纤维的加入形成了纤维网骨架，纤维的桥联作用抑制了RPC微裂缝向宏观裂缝发展，减少宏观裂缝发生，纤维掺量的增加使这种桥联作用更明显。此外钢纤维与基体的黏结锚固和桥联的共同作用，使RPC在受压破坏时，基体未出现严重的脆性崩裂，而是竖向多裂缝开展，RPC基体裂而不断，且随着钢纤维掺量的增加，基体破坏时裂缝宽度减小，裂缝从边缘转移至中间形成贯穿，上部边缘RPC被压碎。

混杂钢纤维掺量对RPC抗压强度的影响如图6所示，保持纤维总量1.5%不变，由图6可知，掺入混杂纤维的RPC抗压强度比单掺纤维RPC高，随着短纤维掺量的增加，抗压强度先升高后降低，当掺入0.5%短纤维和1%长纤维抗压强度达到最大，为156.4MPa，不同掺比的混杂纤维对RPC抗压强度影响不大。这是因为混杂纤维中的短纤维能更好地抑制微裂缝发展，当裂缝宽度发展至短纤维桥联作用退出，此时长纤维能较好地起到桥联阻裂作用，长、短纤维协同作用使混杂掺纤维RPC抗压强度高于单掺纤维RPC。当长、短纤维达到合适比例时，能更好地发挥不同类型钢纤维协同作用。本试验长、短钢纤维最佳掺比为2∶1。

图5 钢纤维掺量对RPC抗压强度的影响  

 

图6 混杂钢纤维掺量对RPC抗压强度的影响 

 

2.4 钢纤维对RPC抗折强度的影响

钢纤维掺量对RPC抗折强度的影响如图7所示，抗折强度随着纤维掺量的增加而增大，最高提升幅度达106%。这是因为未掺入钢纤维的RPC基体极限拉应变较小，在受弯破坏时，基体开裂由微裂缝瞬间发展成宏观裂缝导致基体呈现出脆性破坏。当掺入钢纤维时，RPC基体出现微裂缝时，基体退出工作，由于钢纤维桥联作用，裂缝处剪应力由钢纤维骨架与基体的黏结应力承担，随着荷载加大，钢纤维被拔出，导致试件破坏，破坏呈现一定延性，且随着钢纤维掺量增加，裂缝处桥联的钢纤维量增锚固从而增大了裂缝处黏结锚固力，进一步延缓了钢纤维的拔出和裂缝的开展，提高了RPC抗折强度。

混杂钢纤维掺量对RPC抗折强度的影响如图8所示，保持钢纤维总量1.5%不变时，随着短纤维掺量增加，RPC抗折强度先增大后降低。当掺入0.5%短钢纤维和1%长钢纤维时，抗折强度达最大，为31.5MPa，比未掺钢纤维RPC抗折强度高98.1%，长纤维在裂缝处黏结锚固作用更明显，能更有效抑制裂缝扩展，所以长纤维较短纤维对RPC抗折强度提升更加明显。当一定比例长、短纤维混杂时，长、短纤维能相互抑制，抵抗对方的旋转使更多纤维垂直于受弯试件受力方向，而单掺钢纤维在基体内的分布则比较杂乱。长、短钢纤维的协同作用使RPC抗折强度比单掺钢纤维RPC抗折强度提高，从而可降低钢纤维掺量，优化RPC力学性能。

图7 钢纤维掺量对RPC抗折强度的影响  

 

图8 混杂钢纤维掺量对RPC抗折强度的影响  

 

3 计算模型

3.1 计算公式

用ρ，γ，l，α分别表示钢纤维掺量、长径比、长度、混杂长短纤维比值，其对RPC流动性影响程度分别表示为f(ρ)，f(γ)，f(l),f(α);对RPC抗压强度影响程度分别表示为y(ρ)，y(γ)，y(l),y(α);对抗折强度影响程度表示为g(ρ)，g(γ)，g(l),g(α)。通过坐标标准化，数据曲线回归得到各影响参数的函数模型如下，回归系数如表4所示。

 

图9 公式计算值与试验数据对比  

 

  

表4 单因素影响程序函数回归参数 

 

 

表4 单因素影响程序函数回归参数

采用影响程度函数的乘积形式表示综合因素对RPC性能的影响，其中f_d表示流动度计算公式，f_c表示抗压强度计算公式，f_t表示抗折强度计算公式，以f_d为例，函数模型如下，线性回归系数如表5所示。

 

  

表5 综合因素影响程序函数回归系数 

 

 

表5 综合因素影响程序函数回归系数

3.2 公式计算值与试验值对比

通过文献及本文试验数据来评价本文计算公式的适用性，对比结果如图9所示。由图9可知，数据基本集中分布在y=x两侧，公式计算值与试验值相差较小，具有较好的普遍性和适用性，可为RPC中钢纤维的选用和RPC性能定量预测提供参考。

4 结语

1)当钢纤维单掺时，RPC流动性随着纤维掺量的增加而降低，更小的长径比有利于流动性的提高。混杂掺纤维有利于提高流动性，当长、短纤维掺比为1∶2时，流动度最大，为243mm。

2)随着钢纤维掺量增加，RPC抗压强度和抗折强度均有不同程度提高。纤维长度在一定范围内时，随着长径比增加，RPC抗压、抗折强度均增加，当纤维长度>20mm时，强度均降低。混杂掺纤维能发挥长、短纤维协同作用，会使RPC强度较单掺提高5%～10%。

3)混杂掺纤维中当长、短纤维比为2∶1时，对RPC抗压强度起最佳作用;当长、短纤维比为2∶1时RPC抗折强度最大。

4)考虑钢纤维掺量，长径比，长度及混杂掺纤维中长、短纤维掺比等的共同影响，拟合RPC流动度、抗压强度和抗折强度计算模型。