大摻量鋼纖維高強混凝土配合比試驗研究

張星魁，陳志偉，劉雅晉

（山西四建集團有限公司，太原 030006）

大摻量鋼纖維高強混凝土配合比試驗研究

張星魁，陳志偉，劉雅晉

（山西四建集團有限公司，太原 030006）

鋼纖維高強混凝土具有抗拉、抗彎、抗沖擊爆炸、耐疲勞、阻裂、限縮等方面的突出特點，開發與應用潛力極大。本文采用常規材料和一般攪拌、振動成型工藝方法配制出大流動度大摻量超高強鋼纖維混凝土。研究了礦物總摻量及搭配比例、鋼纖維體積率變化等對鋼纖維高強混凝土強度的影響。結果表明：隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土強度有一定地提高，但并不隨著鋼纖維體積率的增加而繼續提高。

鋼纖維混凝土；大摻量；高強；配合比；礦物摻合料

1 引言

鋼纖維高強混凝土是在高強混凝土基體中均勻摻入適量亂向分布的短鋼纖維形成的復合材料[1]。其不僅具有高強混凝土自身的優點，而且還具有抗拉、抗彎、抗沖擊爆炸、耐疲勞、阻裂、限縮等方面的突出特點，是水泥基復合材料向高性能化發展的新方向，開發與應用潛力極大，已廣泛應用于建筑、交通、水工、地下工程、機場、軍事等工程領域。

本文采用52.5普通硅酸鹽水泥、聚羧酸系高效減水劑、多種礦物摻合料、石灰石碎石粗骨料和天然砂、機制砂等常規材料，使用一般攪拌、振動成型工藝方法，配制出大流動度大摻量超高強鋼纖維混凝土，主要就礦物摻量及搭配比例、鋼纖維體積率變化等因素對混凝土強度的影響進行了試驗研究，為大摻量（大流動度）超高強鋼纖維混凝土在實際工程中的應用提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗原材料

（1）水泥：采用邯鄲P·O 52.5水泥，根據長期使用經驗，該水泥的強度穩定性好、與外加劑的相容性較好。各項指標見表1。

（2）砂：采用忻州豆羅砂和陽泉機制砂復配，當機制砂中石粉含量在8%～12%之間時，混凝土和易性較好，相應的初始坍落度和lh后坍落度值都比較理想，能夠滿足施工需要[2]。通過試驗，確定天然砂與機制砂復摻的比例為6:4時能獲得較好的級配。各項指標見表2。

（3）石子：采用太原鎮城石子。各項指標見表3。

（4）礦物摻合料：采用神頭一電廠I級粉煤灰、德隆粉磨廠S95礦粉、忻州冶煉廠硅灰。各項指標見表4。

表1 水泥各項指標

表2 砂各性能指標

表3 石子各項指標

表4 礦物摻合料各性能指標

由表4知：粉煤灰的燒失量較少，這對于混凝土拌合物的坍落度損失以及混凝土成型后的體積穩定性和混凝土耐久性均有利[3]。（注：細度為45μm篩余）

（5）鋼纖維：采用太原建科特低合金結構冷軋帶鋼纖維，其特點是變截面，鋼纖維在混凝土構件受力過程中不易變形，抗滑移磨阻力、粘接力大，提高增強和增韌效果且施工性能較好，攪拌時纖維不易結團。各項指標見表5。

表5 鋼纖維各性能指標

（6）外加劑：采用山西黃騰化工生產的HT-HPC聚羧酸高性能減水劑，此種外加劑除了摻量小，減水率高等優點外，最大的優點還是保塑性強，能有效地控制混凝土拌合物的坍落度經時損失，而對混凝土硬化時間影響不大，且具有抗縮性，能夠更有效地提高混凝土的耐久性。外加劑各項指標見表6。

（7）水：自來水。

2.2 試驗方法

試驗分為兩個階段：第一階段，在C80高強高性能混凝土的研究基礎上對配合比進行調整、試配，確定研究的基準配合比；第二階段進行通過調整礦物摻合料的摻量，礦物摻合料之間的搭配比例、以及鋼纖維體積率的變化，來研究其對混凝土強度及施工性能的影響。

2.3 試驗設備及工藝控制

2.3.1 試驗設備

60L雙臥軸攪拌機、坍落度筒、標準倒置坍落度筒、小型振動棒、150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm鋼試模、振動臺等。

2.3.2 攪拌工藝

先將水泥、礦物摻合料、粗細骨料投入攪拌機干拌60～90s，干拌過程中由試驗人員將鋼纖維均勻撒入攪拌機中，而后再加水和外加劑攪拌180秒,每盤攪拌30L。

2.3.3 拌合物檢驗說明

1）坍落度、擴展度：測試方法同普通混凝土。

2）倒置坍落度筒法：（試驗步驟[4]）a.潤濕坍落度筒及筒底內壁，推入插板，將纖維混凝土試樣裝入坍落度桶，使頂面略高出筒口，刮去后用抹刀抹平。b.輕輕抽出插板，同時開啟振動棒，在其接觸纖維混凝土表面的瞬間用秒表開始計時。c.使振動棒沿坍落度筒中心線垂直下沉，達到距底筒底面10mm處為止。繼續振搗直至纖維混凝土全部流出坍落度筒，停表計時，并關閉振動棒。由秒表讀出的時間即為纖維混凝土拌合物的倒置坍落度筒稠度值。具體指標有待進一步研究。

2.3.4 成型及養護

將拌合物一次裝入試模，并略高出其上口，采用振動臺振實，嚴格控制好振動時間，以拌合物表面出漿為止，最后刮去多余拌合物，用抹刀抹平，一小時后重新收面并覆蓋塑料膜。24h后拆模，放入標準養護室養護。

3 試驗結果與討論

3.1 配合比及試驗結果（見表7）

3.2 試驗結果分析

表6 外加劑各性能指標

表7 配合比及試驗結果

由圖1可知：基于原材料的情況，當礦物總摻量為30%，粉煤灰與礦粉摻量為5:5時，均能獲得較高的早期強度和后期強度，說明其疊加效應較明顯；由表7知，就工作性能而言，加大粉煤灰的摻量可以獲得施工性能較好的混凝土。

由圖2可知，基于原材料的情況，保持水灰比不變，通過調整外加劑摻量以及砂率使混凝土坍落度控制在200±20mm，隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土強度有一定地提高，但并不隨著鋼纖維體積率的增加而不斷提高，且鋼纖維的摻量在1.5%～2%時增強效果較明顯；在鋼纖維體積率為1%、1.5%、2%，2.5%、3%時，強度分別增加15%、27.9%、30.2%、12.8%，15%。這是由于鋼纖維的加入，使混凝土在受壓過程中的橫向膨脹受到約束，從而推遲了破壞進程，對提高抗壓性能有利。

圖3 試塊破壞形態

對混凝土試塊進行試壓時還發現，隨著鋼纖維的加入，混凝土試塊的破壞形態也發生了改變。B-1試塊破壞時，產生巨大響聲，同時碎塊向四周飛濺，呈現極明顯的脆性破壞形態（爆裂）。而對于摻鋼纖維的混凝土試塊（B-2～B-6），破壞時聽到嘈雜和撕裂的聲音，與受壓面垂直的四個面均向外凸起(見圖3a)，破壞后并無碎塊迸裂，纖維從基體混凝土間拔出（見圖3b，圖3c），這是由于裂縫形成后，橋架于裂縫間的纖維開始工作，使裂縫的擴展延遲，繼續對混凝土施加荷載，試塊四面凸起的部分脫落成菱形（見圖3b），最終沿對角線破壞成兩半(見圖3c)。因而與不摻鋼纖維的高強混凝土試塊相比，其破壞形式發生了很大變化。

由圖4可知：基于原材料的情況和試驗取值范圍內，鋼纖維混凝土的強度隨著礦物總摻量的增加而逐漸減小；就工作性能而言，隨著礦物總摻量的增加，即膠凝材料所占的體積增大，能更好的包裹住鋼纖維，使其工作性能更加良好。可根據實際工程要求選取來選取配合比。

4 結語

（1）在此次試驗取值范圍內，采用常規材料和工藝可以成功配制出坍落度200±20mm，28d抗壓強度110MPa以上超高強鋼纖維混凝土；試驗中所有試塊強度均以石子貫穿破壞為主，說明只要選用更優質的石子，抗壓強度將會更高。

（2）試驗中留置了150mm×150mm×150mm和100mm× 100mm×100mm的試塊，通過立方體抗壓強度測試，非標準試塊28d強度乘以折算系數0.9以后均低于標準試塊的強度，但乘以0.95時與標準試塊強度接近，由于試驗留置的試塊組數有限，還需進一步試驗進行驗證，建議使用標準試模。

（3）在膠凝材料總量不變的情況下，增大粉煤灰摻量，因較小粒徑的粉煤灰在拌合物中起到了很好的潤滑作用，使得拌合物的流動性較好；當礦物總摻量為30%、粉煤灰與礦粉摻量為5:5、硅灰摻量為5%時，能獲得較高的早期強度和后期強度。

（4）保持水灰比不變，通過調節外加劑摻量和砂率，使混凝土坍落度控制在200±20mm時，隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土強度有一定的提高，但并不隨著鋼纖維體積率的增加而繼續提高，鋼纖維的摻量在1.5%～2%時增強效果較明顯。

5）當礦物總摻量為25%～40%時，鋼纖維混凝土的28d強度隨著礦物總摻量的增加而逐漸減小；隨著礦物總摻量的增加，工作性能更加良好，由于鋼纖維混凝土的工作性能一般較差，因此可以在不影響強度的前提下可優先選用礦物總摻量大的配合比。雖然鋼纖維混凝土的流動性一般較差，但只要稍加振動，仍然可以獲得較好的施工性能。

[1]沈榮熹，王璋水，崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M].北京：化學工業出版社，2006

[2]于嗚新，何勇東，段雄輝.機制砂在預拌泵送混凝土中應用的探討[J].混凝土，2005（7）：73-77.

[3]李建友. 大摻量粉煤灰高性能混凝土研究及應用[A].碩士學位論文[D]. 天津大學，2000.

[4]纖維混凝土結構技術規程[S].CECS38：2004

張星魁（1986-），男，科員，山西四建集團有限公司。

[單位地址]山西省太原市小店區并州南路西二巷8號（030006）