高流動性鋼纖維混凝土基本性能研究

郜景林

摘要：由于混凝土在鋼筋密布區域的難以振搗，施工現場往往采用高流動性的自密實混凝土以方便施工。為了提高混凝土抗彎拉強度，多數情況下采用纖維混凝土，但混凝土添加纖維后會對流動性產生較大的遞減。本研究則以C60鋼纖維混凝土為研究目標，通過分階段試驗得出：自密實鋼纖維混凝土與普通混凝土相比在配合比試驗時應分階段進行，先確定自密實配合比，再添加鋼纖維后加以調整，確定最佳配合比。

關鍵詞：鋼纖維;流動性;自密實;分段試驗

Abstract： Because concrete is difficult to vibrate in areas with densely packed steel bars， self-compacting concrete with high fluidity is often used on the construction site to facilitate construction. In order to improve the flexural and tensile strength of concrete， fiber concrete is used in most cases， but the addition of fibers to concrete will have a greater decrease in fluidity. In this study， C60 steel fiber concrete was taken as the research goal. It was obtained through staged tests： self-compacting steel fiber concrete should be carried out in stages in the mix ratio test compared with ordinary concrete. It is necessary to firstly determine the self-compacting mix ratio， then add steel fiber and then adjust to determine the best mix ratio.

Key words： steel fiber;fluidity;self-compacting;segmented test

1? 研究背景

廣州某斜拉橋主塔高度83.8m，采用鋼-混組合結構。其中鋼塔段長度56.2m，混凝土塔段長度27.6m?；炷炼问褂肅60混凝土，鋼混結合段采用C60自密實鋼纖維混凝土。由于鋼混段內密布剪力釘、箍筋、主筋等，澆筑孔洞覆蓋面積也較小，澆筑時無法全方位振搗，對混凝土的流動性提出了較高要求。本研究將對混凝土的配合比設計分為兩階段進行。即首先確定C60自密實混凝土的配合比，再以該配合比為基礎摻加鋼纖維并進行相應調整，以滿足施工要求。

2? 試驗

2.1 自密實混凝土

自密實混凝土是一種不離析又具有顯著流動性的混凝土，良好的自密實混凝土在澆筑過程中不用振搗就可以填充密實澆筑物[1]。

本試驗將以混凝土流動性作為第一要素，考慮到日后將添加一定量鋼纖維，勢必會影響混凝土的流動性，故設計自密實混凝土配合比時，應適當加大其塌落擴展度。自密實混凝土在具有良好的和易性的同時，必須考慮到結構物的配筋狀態，碎石的自然堆積密度過大以及形狀的不同，會影響混凝土澆筑時的鋼筋空隙間通過率[2]。

2.2 試驗項目及指標（表1）

2.3 原材料

自密實混凝土拌合材料與普通混凝土有明顯不同，必須謹慎選擇各種拌合材料才能滿足自密實混凝土的各項指標要求。各材料性能見表2～表7。

2.4 配合比設計

在參考有關資料[3]的基礎上，首先通過試驗調整以確定混凝土中的灰體比例、外加劑摻量等，使混凝拌和物的狀態達到自密實的要求，并復驗檢測強度等得到最佳試驗室配合比。

配合比參照相關國家標準規程《普通混凝土配合比設計規程》、《自密實混凝土應用技術規程》進行。在試驗室進行配合比優化設計和試配調整時應注意，水灰比的改變會影響自密實混凝土的強度及黏度特性[4-5]。

自密實性能包括：流動性、抗離析性和自填充性，分別通過坍落擴展度試驗、J型環、L型流動儀確定自密實性能指標。具體過程如下：

2.4.1 確定混凝土強度

Fcu=1.15fcu=69MPa

Fcu：鋼纖維混凝土試配抗壓強度（MPa）;

fcu：鋼纖維混凝土設計抗壓強度（MPa）。

2.4.2 確定水灰比

=0.28

fce：水泥的28d實測抗壓強度（MPa）;

γ：為礦物摻合料的膠凝系數;對于粉煤灰（β≤0.3）可取0.4、礦渣粉（β≤0.4）可取0.9。此處粉煤灰摻量為0.15、礦粉摻量為0.1，雙摻γ取0.6。

2.4.3 確定單位水量

考慮到流動性要求，可摻入適當粉煤灰而且粗骨料粒型級配良好，所以擬定單位用水量為150～155L。

2.4.4 確定粗骨料的用量（表8）

mg=Vg×ρg=955

mg：每立方米混凝土中粗骨料的質量（kg）;

Vg：取SF2內的0.33m3;

ρg：粗骨料的表觀密度（kg/m3）。

2.4.5 確定砂用量

Vs=Vm×Φ

ms=Vs×ρs

Vs：砂的絕對體積（m3）;

ms：每立方米混凝土中砂的質量（kg）;

Φ：砂漿中砂的體積分數0.42～0.45;

ρs：砂的表觀密度（kg/m3）。

當Φ分別取值0.42、0.43、0.44、0.45時，ms分別為705kg、712kg、729kg、763kg、790kg。

此時砂率分別為：42%、43%、44%、45%，45.5%。

故單位用砂量取三個代表值，即705kg、729kg、790kg。

2.4.6 確定水泥用量

水灰比W/C=0.28，單位水量為150kg/m3，故單位粉體用量為536kg/m3?？鄢?5%的粉煤灰，10%的礦粉，水泥用量為402kg/m3。

2.4.7 外加劑用量

通過原有試驗資料，確定JB-ZSC緩凝型外加劑用量為膠體的1.3%左右。

通過上述計算得出五組不同砂率的初步試驗配合比見表9。

2.5 試驗結果

2.5.1 塌落擴展度試驗

圖1為A、B、C、D、E各組混凝土的塌落擴展度。由圖2可見，從A至E組混凝土擴展度均呈現良好的狀態，但其擴展度隨砂率增加而呈下降趨勢，說明砂率已過其峰值。

2.5.2 L型流動儀試驗

由圖3可知，采用A、B組配合比的混凝土H2/H1≥0.9，而采用C、D、E則處于0.8至0.9之間。

2.5.3 抗壓強度試驗

以3個試件測值的平均值作為該組試件的抗壓強度值。計算精確至O.01MPa。由圖4可知，5組配合比的強度隨砂率的增加而下降，但仍然呈現較高強度狀態。

3? 自密實配合比試驗

原有C60自密實配合比中添加30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3，即體積率1.2%的鋼纖維并提高減水劑用量。做相應調整后的配合比見表10。

3.1 塌落擴展度

由圖5可見，a、b、c三組配合比中，a組擴展度最小?；炷翑U展度隨鋼纖維的摻量遞減而增大。但是a組擴展度與J型環試驗的差值最小僅為12mm。對于這種情況，可以理解為鋼纖維分散系數所引起的球團效應。即細長纖維摻入拌合料中，攪拌時纖維很容易形成球團，影響其鋼筋通過，而其分散率峰值出現在鋼纖維體積率達到1.5%左右的階段。

3.2 L型流動度

由圖6可知，三組配合比混凝土的流動性與擴展度成正比，流動性隨鋼纖維摻量的遞減而加大，但三組配合比均達到規范要求。流動性遞減原因是鋼纖維摻量增大，其纖維表面積也隨之加大，導致混凝土內部的摩擦阻力增大，影響其流動性。本試驗使用的鋼纖維為波浪形，這在一定程度上增加了鋼纖維本身的表面積與粗糙度，故對流動性的影響也就更為明顯。

3.3 抗壓強度

由圖7可知，a、b、c三組試件的抗壓強度幾乎持平，并未因鋼纖維摻量的多少而出現較大的變化。由此可見，鋼纖維混凝土的抗壓強度取決于原有混凝土的機體，而鋼纖維對其抗壓強度的影響并不大。

3.4 配合比的確定

鋼混段使用鋼纖維混凝土的一個重要原因是，該段需承受較大的抗折應力。添加鋼纖維后可提高混凝土的抗拉強度和抗拉極限變形能力，且一定程度上提高混凝土的受壓變形能力。如此一來，局部受壓的混凝土可承受更大的變形，反而對受壓區的混凝土產生約束作用。本工程鋼塔段設計壓力值為1276kN。共有16個張拉孔，張拉孔直徑38mm，相對應承壓位置面積為445×280mm，鋼纖維混凝土等級為C60，以摻入量為50kg/m3，體積率1.2%，鋼纖維長徑比為32.7計算。[6]

根據上述實驗結果，混凝土中添加的鋼纖維體積率為50kg/m3符合要求。當鋼纖維摻量為40kg/m3、30kg/m3時其局部受壓要求則不滿足。綜合考慮鋼纖維混凝土的流動性、抗壓強度、預應力張拉、經濟性等因素，決定選擇A組配合比。

4? 模擬澆筑

綜合5組試塊試驗結果及現場施工條件，為了驗證其澆筑效果，制作了1：10的鋼混段模型，進行澆筑試驗。（圖8）

在本次試驗中發現，由于自密實泵送速度較快，會夾帶大量空氣進入試?；炷羶炔?，在混凝土內部形成氣泡。故為避免脫模后出現蜂窩麻面空洞現象，必須適當的振搗使氣泡溢出，保證密實性。

5? 結論

通過本輪試驗，在相同水灰比條件下，混凝土42%、43%已經處于砂率設定的峰值，在超過這個范圍后，無論是流動性還是抗壓強度均呈下降趨勢，砂率45%時已超出SF2的范圍要求降為SF1等級，故不適合添加鋼纖維。另外，至少對與自密實鋼纖維混凝土而言，以自密實混凝土為基礎，加入鋼纖維后進行微調的方法被證明是可行的。

自密實鋼纖維混凝土的強度取決于基體混凝土的配合比。為了保證其良好的流動性，在基體混凝土配合比的設計時必須考慮到鋼纖維自身的分散率，必須掌握鋼纖維摻量與分散率峰值的關系。提高原混凝土的流動性等級及SF值，從而保證添加鋼纖維之后混凝土的和易性。

對鋼纖維的摻量還應根據結構施工具體要求進行比較分析，摻量過多會明顯降低混凝土的流動性，摻量過少則不滿足施工要求。另外，對于基體混凝土配合比的調整也有其必要性，微調標準并非定值，必須通過大量的試驗進行確定。

參考文獻：

[1]桃谷智樹·川瀨清孝·松田聰夫：高流動コンクリートの力學特性·耐久性に関する研究（その6.ヤング係數·ポアソン比）、日本建築學會大會學術講演梗概集，1995：291-292.

[2]建築工事標準仕様書 同解説 JASS5鉄筋コンクリート工事，日本建築學會，2009：453.

[3]余成行，等.C60鋼纖維自密實的配合比設計和應用.全國特種混凝土技術及工程應用學術交流會暨2008年混凝土質量專業委員會年會，2008：78-83.

[4]CCES02，自密實混凝土設計與施工指南[S].2004.

[5]JGJ/T283，自密實混凝土應用技術規程[S].2012.

[6]趙國藩，彭少民，等.自密實混凝土的研究和應用[M].中國建筑工業出版社，2002.

[7]P.S. Margat and M.M Azazi. Shrin kage of Stell Friber Reinforced Cement Composites， Journal of Materials Science， 1985， 20（3）： 163-171.