鋼纖維高強度混凝土配合比的研究與應(yīng)用

李志勇，田永剛

（1.漯河市公路管理局工程處，河南 漯河 462000；2.漯河市召陵區(qū)建設(shè)局，河南 漯河 462000）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟建設(shè)和公路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，汽車工業(yè)技術(shù)突飛猛進，各級公路上的車輛荷載噸位及車流量越來越大，行駛速度越來越快，致使橋梁結(jié)構(gòu)物的損壞也日益嚴重。考慮上述因素，當前在橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中梁板等主要承載構(gòu)件的混凝土設(shè)計強度基本上采用大于或等于C50的高標號混凝土，在此基礎(chǔ)上又對關(guān)鍵分項工程采用新的施工材料和施工工藝，如橋面鋪裝層采用鋼筋網(wǎng)片C50混凝土，橋面系伸縮縫采用C50鋼纖維混凝土，以提高橋梁的整體承載力和結(jié)構(gòu)的耐久性。

南水北調(diào)中線工程總干渠潮河段交通橋由河南省水利第一工程局承建，共有橋梁19座，橋面系伸縮縫分項工程的混凝土全部為C50鋼纖維混凝土。本文主要從C50鋼纖維混凝土的原材料選擇、配合比設(shè)計、混凝土施工等方面入手，結(jié)合南水北調(diào)中線工程總干渠潮河段交通橋第三標段的實際應(yīng)用來研究C50鋼纖維混凝土的配合比試驗及施工中需注意的事項。

1 原材料選擇

C50鋼纖維混凝土所用原材料的質(zhì)量和類別的選擇，對混凝土拌和物的性能有顯著的影響。以下對南水北調(diào)中線工程總干渠潮河段交通橋第三標段實例工程所使用的C50鋼纖維混凝土原材料做簡要闡述。集料中砂為平頂山市魯山縣紅旗砂廠銷售的河砂，河砂比較干凈，含泥量少，砂中石英顆粒含量較多，天然級配一般都能符合要求。工程所用碎石由鄭州市滎陽福存石料場生產(chǎn)。水泥為河南省太陽石水泥集團有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5級普通硅酸鹽水泥。本次工程實例中使用的外加劑為山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的HT—HPC型高性能減水劑，選用減水劑應(yīng)著重從以下幾個方面考慮：延緩混凝土的初凝時間、減少混凝土坍落度的損失、與水泥的相容性及減水劑的穩(wěn)定性等。

粉煤灰為鄭州金龍源粉煤灰綜合利用有限公司生產(chǎn)的F類I級，用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰等量或超量取代水泥，一方面可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，另一方面可以改善混凝土的工作性、耐久性。本次工程實例中使用的鋼纖維由天津市無極科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，長度為36mm，材料光潔、無油污。

2 配合比試驗研究

2.1 配合比的計算

2.1.1 配制強度（fcu，0）的確定

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011），取σ=6，則：

fcu，0=fcu，k+1.645σ=50+1.645×6=59.87≈59.9 （MPa）式中：fcu，0為混凝土配制強度 （MPa）；fcu，k為設(shè)計混凝土強度等級值（MPa）；σ為混凝土強度標準差（MPa），如無近期同一品種混凝土的統(tǒng)計資料取6MPa。

2.1.2 水膠比（W/B）的確定

依據(jù)歷史實測數(shù)據(jù)，河南太陽石水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5水泥，水泥富余系數(shù)γc取1.05，故

式中：fb為膠凝材料（水泥與礦物摻合料按使用比例混合）28d膠砂強度（MPa）；fce，g為水泥強度等級值（MPa）；aa、ab為回歸系數(shù)，且aa=0.53，ab=0.20。

根據(jù)經(jīng)驗及砂、石材料及施工控制水平、耐久性等因素C50混凝土水膠比宜在0.30～0.34范圍浮動，實際水膠比取0.31。

2.1.3 用水量（mw0）的確定

（1）確定不加外加劑時1m3混凝土拌和物的用水量mw0′

根據(jù)施工要求，混凝土拌和物出機坍落度SL宜為120～160mm，依《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）查表5.2.1-2并計算取mw0′=210kg。

（2）確定1m3混凝土拌和物摻加外加劑后的用水量mw0

實測山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的HT—HPC型高性能減水劑摻量為1.2%時的減水率達到28%，mw0按下式計算：

mw0=mw0′（1-β）=210×（1-28%）=151.2（kg）式中：β為外加劑的減水率（%）。

利用山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的HT—HPC型高性能減水劑，估算其他材料用量后，經(jīng)過反復(fù)試拌，確定減水劑摻量為1.2%時最終滿足坍落度SL為120～160mm值的1m3用水量為mw0=150kg。

2.1.4 膠凝材料用量（mb0）的確定

計算1m3混凝土的膠凝材料用量mb0=mw0/（W/B）=150/0.31≈485（kg）

2.1.5 減水劑用量（ma0）的確定

計算減水劑的用量為：

ma0=mb0βa=485×1.2%=5.82（kg）

式中：βa為外加劑摻量（%），經(jīng)混凝土試拌試驗確定。

2.1.6 砂用量（ms0）與碎石用量（mg0）的確定

首先確定砂率，依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）表5.4.2，同時參考以往的經(jīng)驗，確定砂率βs為35%。按質(zhì)量法計算：砂用量 ms0=（mcp-mw0-mb0-ma0）βs=（2450-150-485-5.82）×35%=1809.18×0.35=633.2≈633（kg）；碎石用量mg0=mcp-mw0-mb0-ma0-ms0=2450-150-485-5.82-633=1176.18≈1176（kg）。其中，mcp為每立方米混凝土拌和物的假定質(zhì)量（單位為kg/m3），假定質(zhì)量為2 450kg/m3。

2.1.7 基準配合比的確定

以上數(shù)據(jù)均符合《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）要求，所以確定混凝土基準配合比為：W∶B∶S∶G∶A外=150∶485∶633∶1176∶5.82。

2.1.8 粉煤灰用量（mf0）和不同粒徑碎石的摻配比例的確定

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）表3.0.5-1，同時參考以往經(jīng)驗，確定每立方米混凝土的粉煤灰摻合比例βf為12%，則粉煤灰用量為：mfo=mb0βf=485×12%=58（kg）。

根據(jù)伸縮縫位置的鋼筋密度確定碎石的最大粒徑為20mm，采用5～10mm與10～20mm兩種篩分粒徑級的碎石。利用5～10mm與10～20mm兩種碎石的單集料篩分數(shù)據(jù)，繪制混合料篩分曲線，計算兩種集料的摻配比例，并用混合料最大堆積密度的方法，經(jīng)試驗確定兩種不同粒徑碎石的摻配比例為：5～10mm碎石∶10～20mm碎石=40%∶60%。

2.2 試拌調(diào)整

確定混凝土基準配合比后必須進行試拌，以確定實際的混凝土容重與假定容重的差別大小，并檢驗按此配比拌和的混凝土各項技術(shù)指標是否滿足設(shè)計要求。試拌時應(yīng)進行混凝土拌和物的強度試驗，采用三個不同的配比進行試拌和強度試驗，一個基準配比，其他兩個配比的水膠比在基準配比的基礎(chǔ)上分別增加和減少0.05，用水量與基準配比相同，砂率分別減少和增加1%。即：

W∶B∶S∶G∶A外=150∶536∶597∶1159∶6.43 W∶B∶S∶G∶A外=150∶441∶667∶1187∶5.29

使用攪拌機前，應(yīng)采用與試配時混凝土配合比相同水膠比的水泥漿進行涮膛。本次試驗試拌量為30L，混凝土的攪拌及加料方式與生產(chǎn)時使用的方法相同，外加劑采用后摻法，先投砂子碎石等集料，再投水泥粉煤灰，干拌后水與減水劑以混合液的形式最后同時投料。濕拌的時間不能少于120s，由于C50混凝土的膠凝材料含量較大，采用的最終攪拌時間為180s。

試拌后要立即檢測拌和物的坍落度，檢驗混凝土拌和物的棍度、含砂情況、黏聚性、保水性等性能是否滿足施工需求。從試拌的情況來看，0.28水膠比組的拌和物的和易性較差，坍落度較小，棍度為下，做坍落度試驗時搗棒很難插搗，0.31、0.34水膠比組的坍落度等性能指標能滿足設(shè)計要求，坍落度適中，保水性好無水從底部析出，且標準抗壓強度試塊的28d強度值均滿足試配強度值的要求，考慮到工程施工過程中的不確定性因素太多，決定采用強度富裕較大一點的0.31水膠比組作為C50混凝土的最終配比。三個不同的配合比（無鋼纖維）各項試驗指標統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 三個不同的配合比（無鋼纖維）各項試驗指標統(tǒng)計表

以筆者的實際經(jīng)驗來看，加減水劑試拌混凝土是一個繁瑣與復(fù)雜的過程。由于聚羧酸減水劑減水率峰值突變的特點，減水劑摻量不足時，混凝土拌和物坍落度小，拌和物的各項性能指標不能滿足施工的要求；減水劑的摻量在混凝土拌和物最佳狀態(tài)的峰值時，混凝土拌和物的坍落度適中，和易性好，棍度為上，保水性好，無水從底部析出，各項試驗性能指標能夠滿足施工要求；當減水劑的摻量如果超過其峰值摻量時，哪怕僅僅是多出0.5%的摻量，混凝土拌和物的各項試驗性能指標就像拋物線一樣下滑，混凝土拌和物馬上就會發(fā)生離析現(xiàn)象，坍落度過大，砂漿下沉不包裹碎石，棍度為下，和易性很差，拌和物的底部有泌水現(xiàn)象，所以在混凝土拌和物試拌過程中找到減水劑峰值摻量是一項關(guān)鍵的工作，特別是對于高標號混凝土，有時在前期配比計算的基礎(chǔ)上要經(jīng)過多達10～20次的試拌才能成功確定適宜的減水劑摻量，以及混凝土拌和物各項試驗性能指標滿足施工要求的基準配合比。試拌時最好邀請減水劑廠家的代表到現(xiàn)場參與試拌，如果減水劑的峰值摻量非常不穩(wěn)定，混凝土拌和物的各項試驗性能指標沒有良好穩(wěn)定的表現(xiàn)，則要考慮重新選擇水泥或外加劑，或要求減水劑生產(chǎn)廠家調(diào)整好減水劑與水泥的適配性，并要求初拌混凝土的坍落度損失不能過快，否則在實際的混凝土施工過程中就會有很多不利于施工的情況發(fā)生。

2.3 鋼纖維混凝土配合比的確定

采用基準配合比的拌和物實測的表觀密度為2 440kg/m3，比計算值2 450kg/m3小0.4%，基準配合比材料用量可不調(diào)整。當表觀密度實測值與計算值之差的絕對值超過計算值的2%時，應(yīng)按《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）規(guī)定進行相應(yīng)調(diào)整。

基準配合比確定后，就可以摻入鋼纖維，進行C50鋼纖維混凝土配合比的試拌與確定。設(shè)計文件要求鋼纖維的摻量為混凝土質(zhì)量的2%，即每立方米混凝土加入49kg的鋼纖維，采用小型60L的拌和機進行試拌，與生產(chǎn)時使用的拌和投料方法相同，攪拌時間仍為180s。試拌后立即進行坍落度試驗，并成型標準抗壓試塊，其相關(guān)試驗性能指標見表2。從試拌的結(jié)果看，混凝土拌和物的和易性良好，無泌水現(xiàn)象，實測坍落度為155mm，雖然由于鋼纖維的原因坍落度有所降低，但拌和物的和易性良好，滿足現(xiàn)場施工要求，而且其28d強度有明顯提高，從壓破碎的試塊來看，鋼纖維在內(nèi)部分布均勻，與混凝土握裹良好。

表2 C50鋼纖維混凝土相關(guān)試驗性能指標統(tǒng)計表

經(jīng)過試拌驗證最終確定的C50鋼纖維混凝土配合比為：水∶膠凝材料（粉煤灰+水泥）∶河砂∶碎石∶減水劑=150∶（58+427）∶633∶1176∶5.82。

3 結(jié)語

配制C50鋼纖維混凝土應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的原材料，以筆者的實際經(jīng)驗來看，減水劑對溫度比較敏感，同樣的一批減水劑夏季與冬季的減水率有十分明顯的差別，低溫減水率高、高溫減水率低是聚羧酸減水劑的直觀表現(xiàn)，而且隨著溫度的增加坍落度損失也隨之增大，所以在施工中除了施工單位要采取夏季降溫冬季升溫的措施外，同時要求減水劑廠家根據(jù)季節(jié)溫度來調(diào)整減水劑中各種化學(xué)成分的摻量，以滿足現(xiàn)場施工的需要。

在實際施工中一定要注意C50鋼纖維混凝土拌和與入模后的振搗作業(yè)。由于鋼纖維的長絮性，拌和時一定要充分攪拌，以保證鋼纖維在混凝土中分布均勻。鋼纖維混凝土入模后的振搗同樣十分重要，由于鋼纖維的密度相對較大，鋼纖維混凝土嚴禁長時間超振，超振的情況下鋼纖維容易下沉，形成結(jié)構(gòu)物部位下部鋼纖維分布多，上部分布少的情況，振搗以混凝土表面已經(jīng)泛槳，無氣泡冒出為宜。

[1] JGJ 55—2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].

[2] JTG E30—2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程[S].

[3] GBJ 146—90，粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].