HAREX銑削型鋼纖維混凝土的應用

聶金龍 王利恒 樊文超

（中國水利水電十三局有限公司第二分公司 德州 253000）

1 前言

衢州塔底水利樞紐土建工程泄洪沖沙閘及船閘閘室底板表層60cm原先采用C30普通混凝土，由于設計單位在原先設計的幾座水電站中閘室底板采用普通的C30混凝土，在電站蓄水后，水流對底板沖刷破壞性比較大，后來設計單位從混凝土的耐磨、抗裂、抗拉等方面考慮，將原先的C30普通混凝土改為C30鋼纖維混凝土。

2 銑削型鋼纖維原材料的選擇

2.1 鋼纖維

目前在我國主要有三種鋼纖維類型：圓直鋼纖維、銑削鋼纖維、剪切鋼纖維。在試驗初期，我們采用了圓截面的鋼纖維，由于施工條件和施工方法的限制，在使用中不但增加勞動強度，而且在混凝土攪拌時也不容易散布均勻，還殘留著大小不等的球狀鋼纖維，不但不能充分發揮鋼纖維的作用，反而降低混凝土質量。后來采用浙江嘉興生產的銑削鋼纖維，問題得到解決，銑削鋼纖維具有三角形橫截面，扭曲的徑，兩個粗糙的表面，兩端有帶溝的錨尾，尺寸為2.7 mm×0.4 mm×32mm，長徑比為 40，其主要化學成分有 C、Si、Mn、P、S 等。與其他類型的鋼纖維相比，鋼纖維形狀特殊，摻入混凝土后呈良好的工作性能，攪拌時不成團，粗糙的表面具有較大的表面積，與混凝土的黏結力大，加工時經熱處理，抗拉強度高，存放時間長，抗銹能力高。

2.2 水泥

采用浙江衢州生產有“豪龍牌”42.5R普通硅酸鹽水泥，經檢驗，該水泥質量達到國家規定的42.5R普通硅酸鹽水泥質量標準。

2.3 黃砂

黃砂為中砂，細度模數為2.5，比重為2.65g/cm3，含泥量0.8%，質量符合有關質量標準。

2.4 卵石

卵石粒徑為5～20mm，比重為2.70g/cm3，質量符合C30以上混凝土用石的各項指標。

2.5 外加劑

外加劑采用合肥市七星巖提供的FDN—3緩凝高效減水劑。

3 銑削型鋼纖維混凝土配合比的確定

鋼纖維混凝土的配合比設計，是決定其性能優劣和成敗的關鍵，確定配合比時，既要充分發揮鋼纖維的增強效果，符合設計強度要求，又要考慮施工方便，同時要兼顧經濟性。經過一些實驗，參考上海建科院和市政研究院的研究成果，一般確定試驗配合比為：水灰比0.35～0.50，鋼纖維摻入量 30～78kg/m3，水泥用量 300～420kg/m3。配合比計算書如下。

a.配制強度：

b.水灰比：

c.水的用量（粗骨料最大粒徑20mm，坍落度5～7cm）

d.水泥的用量：

e.初步確定砂率：

f.砂石的用量：

g.各種材料的用量：

本配合比中加入1%的緩凝減水劑，減水15%，緩凝減水劑的用量為3.5kg，水的用量為130kg，得出試驗配合比（理論配合比）為

以上式中fcu，0——混凝土配制強度，MPa；

fcu，k——混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；

A、b——回歸系數；A=0.48，b=0.33；

t ——保證率系數；本配合比取值為1.645；

σ——標準離差，MPa；

W——水；

C——水泥；

Mw0——水的用量；

Mc0——水泥的用量；T——坍落度，cm；

K——集料常數；

Sp——砂率；

Ms0——砂的用量；

Ms0——石子的用量。

由于鋼纖維混凝土初次使用，因此施工時按鋼纖維摻量 30kg、45kg、60kg、80kg做 4組試塊，在 3天、7 天、28天后進行不同試驗，試驗結果見表1。

表1 鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度統計

表1中情況說明：鋼纖維混凝土具有較高的抗折、抗壓強度；但是鋼纖維摻量越多，并不表明強度越高；反之摻量太少，強度提高較少。所以鋼纖維有一最佳摻量。從表1中可看出，其最佳摻量為30～60kg/m3，另外，鋼纖維混凝土的早期強度有所提高，有利于建筑物提前運行。

4 操作程序

4.1 鋼纖維混凝土拌和

為防止鋼纖維混凝土在攪拌時纖維結團，在施工時每拌一次的攪拌量不宜大于攪拌機額定攪拌量的80%，采用強制式攪拌機拌和。在攪拌混凝土過程中必須保證鋼纖維均勻分布。為保證混凝土混合料的攪拌質量，采用先干后濕的拌和工藝，投料順序及攪拌時間為：粗集料→鋼纖維（干拌1min）→細集料→水泥（干拌1.5min），其中鋼纖維在拌和時分兩次加入拌和機中，邊拌邊加入鋼纖維，再倒入黃砂、水泥，待全部料投入后加水濕拌3min。總攪拌時間不超過6min，超攪拌會引起濕纖維結團。一旦發現有纖維結團，則必須將其打散，以防止因此影響混凝土的質量。

鋼纖維混凝土澆搗與普通混凝土一樣，澆筑和振搗是施工中的重要環節，直接影響鋼纖維混凝土的整體性和致密性。鋼纖維混凝土運輸采用自卸運輸車，運至施工地點進行澆筑時的卸料高度不得超過1.5m，以防混凝土離析。鋼纖維混凝土流動性稍差，在邊角處容易產生蜂窩，因此邊角部分要加強振搗。采用插入式振動器振搗。振搗的持續時間以混凝土停止下沉、不再冒氣泡并泛出水泥漿為準，且不宜過振。振搗時輔以人工找平。整平的表面不得裸露鋼纖維，在做面時需分兩次進行，即先找平抹平，待混凝土表面無泌水時，再做第二次抹平壓光。

4.2 鋼纖維混凝土養護

鋼纖維混凝土澆筑完畢后，要及時采用濕法養護，終凝后及時覆蓋草袋，并每天均勻澆水，保持潮濕狀態，養護14～21天。

鋼纖維混凝土施工完成后，對混凝土試塊進行了檢測，檢測數據見表2。

表2 鋼纖維混凝土抗壓強度統計

由于澆筑鋼纖維混凝土批量不大，因此采用非統計方法進行混凝土質量評定。

該批混凝土強度值應同時滿足下列條件：

mfcu≥1.15fcu，K；fcu，min≥0.95fcu，K；mfcu為同一驗收批混凝土立方體抗壓強度平均值，N/mm2；fcu，K為混凝土立方體抗壓強度標準值，N/mm2；fcu，min為同一驗收批混凝土立方體抗壓強度最小值，N/mm2；

鋼纖維混凝土28天的抗壓強度經質量評定，達到并超過設計強度，施工質量達到設計及規范要求。

5 銑削型鋼纖維混凝土的技術優勢和經濟優勢

5.1 技術優勢

5.1.1 較強的抗壓、抗拉、抗折性

眾所周知，混凝土是一種優良的建筑材料，但有一個主要的缺陷，即材料的脆性，它的抗壓強度雖然比較高，但其抗拉、抗彎、抗爆以及韌性等性能卻比較差，其抗拉強度僅為抗壓強度的1/16～1/9，混凝土在受拉力達到極限時，瞬間便失去承載能力而發生脆性斷裂。為了彌補這一缺陷，就必須尋找一種新的復合材料來克服這一弱點。而鋼纖維混凝土由于鋼纖維的拉力作用，混凝土開裂時，鋼纖維仍能抵抗拉力而使混凝土不受破壞，當銑削鋼纖維的摻量達到90kg/m3時，混凝土和彎曲韌性指數已接近理想的塑性材料。

鋼纖維對混凝土的增強作用，對不同的力學性能效果是不同的，鋼纖維混凝土的抗壓強度增加就不明顯，但抗拉、抗彎強度都有明顯提高。根據國內外大量的理論研究和實驗結果表明：鋼纖維摻入量（體積百分率P）、長徑比（L/d）、纖維形狀、基本配合比和性質、施工工藝等因素，對鋼纖維混凝土的抗拉強度皆有影響，抗拉、抗折強度的計算可按下式進行：

式中Vx——單位體積內的鋼纖維體積；Vx=P%；

fct，s——鋼纖維混凝土的抗拉強度；

L/d——鋼纖維長徑比；

fct——基體的抗拉強度；

A——常數。

式中f——鋼纖維在混凝土混合料中的摻量，kg/m3；

Rb——鋼纖維混凝土的28天抗折強度；

R0——基體混凝土的28天抗折強度。

由以上公式，根據設計提出的強度值，可以計算出每立方米混凝土中鋼纖維在混凝土混合料中的摻量。

5.1.2 抗裂性、抗沖擊性

抗裂性系指材料抵抗開裂的能力。鋼纖維混凝土在沖擊荷載作用下，鋼纖維在受力后擺脫與混凝土之間的粘結力或從基體中拔出或被拉斷時，需要很大的能量。也就是說：當基體出現新的微裂紋時，與裂縫垂直的鋼纖維仍能繼續傳遞部分拉力，這就使鋼纖維混凝土表現為良好的塑性特征，使混凝土由脆性材料變為假塑性材料，從而增強了混凝土抗裂性、抗沖擊性，鋼纖維混凝土的抗沖擊性隨鋼纖維摻量的增加而增大。另外，當鋼纖維混凝土在遭受沖擊荷載作用下破壞時裂而不碎，這種作用在橋梁上可以避免出現危害性破壞。

5.1.3 耐磨、耐久性

鋼纖維混凝土具有較高的耐磨性。實驗證明：鋼纖維摻量為1%時，混凝土的抗磨性提高50%～90%。并且由于鋼纖維大多數被混凝土包裹著，裸露在外的部分很少，這就避免了鋼纖維銹蝕引起的破壞，從而使其具有耐久性。

5.2 經濟優勢

a.在同等強度下可減少混凝土厚度，節約混凝土用量20%～30%。

b.可取代或部分取代鋼筋。

c.摻量比其他種類鋼纖維減少30%～50%。

d.可縮短施工周期25%，特別適用于大面積攤鋪工程。

e.與普通混凝土攪拌及施工要求相同，不需增添設備。

6 鋼纖維混凝土的應用

隨著建筑工程的不斷發展，鋼纖維混凝土在許多工程中的應用日益為人們所重視，銑削型鋼纖維作為一種新型建筑材料，已相繼應用于港口、機場停機坪、水庫、工業地坪、橋梁公路建設，特別是近年來鋼纖維混凝土支持了新奧地利隧道掘進法，不需要設置鋼筋網而可直接噴射，減少了襯砌厚度,省去了鋼筋加工和綁扎工程量,同時不需立模和回填灌漿,減少了施工工作量，降低了工程造價。這一類混凝土將在市場上找到處于預應力混凝土和鋼筋加固噴射混凝土之間的堅實地位。

7 質量控制

7.1 原材料原材料質量的控制

水泥有復驗報告，鋼纖維和減水劑的生產廠家單一且有合格證，質量比較容易控制，砂、石材料由各施工單位自行采購，為控制質量，對石料的性能作出規定，采用了5～20mm卵石，施工現場使用的黃砂,細度指數控制在2.4～2.7之間。

7.2 拌和質量的控制

所有材料在進入拌和機前進行稱量，嚴格按施工配合比操作。嚴格按操作程序操作，控制拌和時間，保證混凝土的坍落度、和易性和均勻性，現場澆筑按規范和作業指導書要求實施，保證混凝土施工質量。

8 結語

該工程泄洪沖沙閘和船閘閘室底板混凝土使用銑削型鋼纖維，令混凝土的抗裂性和耐磨、耐久性的問題得到解決，大大改善了混凝土結構面的承載能力，延長了水工建筑物的使用壽命。鋼纖維混凝土的優越性能及其在水利水電工程中的成功應用表明：鋼纖維混凝土不但可以解決鋼筋混凝土難以解決的裂縫、耐久性等問題,而且用于輸水隧洞等工程可以大幅度降低造價。因此,鋼纖維混凝土在水利水電工程中具有廣闊應用前景。