鋼纖維混凝土配合比設計與質量控制技術分析

劉鵬飛

昆山市交通科技研究中心有限公司 江蘇昆山 215300

混凝土是目前工程領域應用最為廣泛、用量最大的建筑材料，據相關部門統計，當前，全世界每年生產使用的混凝土已經超過100億噸，而且這個數量還在不斷增加。同時有專家預測，混凝土材料今后有四大發展趨勢：①混凝土技術進入了高科學技術時代，正向著高強度、高工作性和高耐久性等方向發展；②混凝土科學技術的任務從過去的最大限度向自然索要財富，向合理利用、節約能源、保護生態平衡發展，以至于成為科學、節能、綠色、友好型的建筑材料；③混凝土能不能適應特殊環境及條件需求，特殊材料、特殊性能、特殊工藝是未來混凝土發生的趨勢和方向之一；④混凝土如何科學合理的進行配合比設計，滿足良好的使用性能和技術要求，也是今后混凝土需要發展和研究的重要內容之一。

鋼纖維混凝土作為一種特種混凝土，屬于一種新型的多相復合材料，既可以澆灌，也可以噴射施工。摻入鋼纖維可以有效改善混凝土的性能，提高混凝土的抗彎、抗拉、抗沖擊強度等，具有抗彎拉強度高、耐磨性良好、不易開裂、不易疲勞、和韌性優良的優點。因此，鋼纖維在道路工程、橋梁工程、隧道襯砌等工程領域廣泛應用，特別是在需要薄的斷面或者不規則形狀的斷面工程中，以及不易配置鋼筋的構件中，具有獨特的應用價值。

1 混凝土配合比確定原則

進行混凝土配合比設計和質量控制，首先應了解工程結構的設計要求、施工條件及使用過程中的情況，如使用條件、使用年限、使用的部位、設計強度、外部環境、荷載的性質、以及運輸條件、施工工藝及方法等。其次，需要熟悉有關配合比的相關規范和規程，以便于可以深刻透徹的理解明確混凝土配合比的相關要求。同時，混凝土的配合比對混凝土的造價以及性能影響較大，對于混凝土的生產來講，是一項非常重要的依據。另外，組成混凝土的各種原材料的性能差別很大，如水泥的品種很多，不同的水泥其性能指標存在差異；不同材料之間的適應性也需要一并考慮，如水泥與外加劑可能存在不適應的問題。所以在設計混凝土配合比時，在充分了解各方面要求的基礎上，結合自身的經驗能力水平，根據原材料的種類及具體性能指標，提出多種配合比設計方案，并根據試驗結果不斷進行優化方能設計出滿足工作性、耐久性、經濟性的配合比?；炷僚浜媳纫话銘裱韵聨醉椩瓌t：

1.1 符合設計要求

符合設計要求，是混凝土配合比設計需要遵循的首要原則。不滿足設計要求，設計出來的配合比是沒有意義的，也是沒有價值的。在工程中，很多結構物因其使用功能不同，對混凝土的性能要求差異很大，尤其是對于耐久性方面的要求。例如：有的工程結構物，對抗滲性能、抗凍性能、抗裂性都要求較高，而有的工程對抗侵蝕、低熱性能要求較高，因此，我們在設計配合比的時候，就要充分考慮這些性能指標的特殊要求。同時要均衡把握，統籌兼顧，不能顧此失彼，合理、科學、可行的配合比，往往是在滿足設計要求的同時，也不造成浪費[1]。

1.2 滿足施工需要

設計是為施工服務，好的設計一定是可以滿足施工需要，便于施工操作。對于混凝土配合比來講，最突出、最重要的兩個指標就是，和易性是否滿足要求，在施工過程中是否容易振搗密實。如果和易性不滿足施工要求，就可能造成在運輸過程中需要加水，對混凝土的質量和效果影響都較大，而根據規范是不允許隨意加水的。同時，由于試驗室的環境條件和工地現場的環境條件存在一定程度的差別，因此，需要根據施工現場環境條件而不斷調整，因此，混凝土配合比設計也是一個動態的過程，需要考慮各種不確定因素的影響，而做好合理，有效的調整，以滿足施工操作。確定混凝土配合比需要充分發掘、探索運用其內在的規律，盡量減小人為和經驗方面因素的干擾。

1.3 降低經濟成本

一種好的配合比，往往經濟成本不是最高的，好的配合比，往往也是性價比比較高的。大量試驗表明，水灰比是影響混凝土強度以及耐久性最重要的因素，在一定范圍內適當降低水膠比可以提高強度及耐久性。因此，混凝土的用水量和水泥用量決定了混凝土的水灰比的同時，也決定了其經濟性。很多混凝土配合比往往存在一定的矛盾，例如，為了施工的方便操作，往往需要大一些的坍落度，但是大的坍落度，就需要用水量在一定程度上增加，為了保持水灰比不變，就需要提高水泥的用量，這就無形中增加了混凝土的經濟成本，所以一種合理的配合比，需要在經濟和各種性能之間尋求一個理想的平衡點[2]。

2 鋼纖維混凝土配合比設計

與普通混凝土不同的是，鋼纖維混凝土性能主要取決于鋼纖維材料和水泥混凝土基體材料的性能。兩者的質量和配合比決定了鋼纖維混凝土的性能和質量，也在很大程度上影響施工的可行性以及混凝土的造價。

鋼纖維材料屬于一種低碳鋼，在特殊工程中，也采用不銹鋼材料。鋼纖維混凝土一般對鋼纖維的強度、尺寸、形狀、長徑比要求較高。對于混凝土基體，需要其具備高強度、具有較好的密實性。這樣可以保證兩者之間的粘結性能，同時也可以最大限度發揮鋼纖維的增強功能。另外，對于鋼纖維混凝土來講，需要適量添加一定的摻合料，一般來講，主要可選用粉煤灰、硅粉、高爐礦渣等材料，比表面積不低于450m2/kg。特殊情況下，也會摻入一定量的聚合物，可以進一步發揮其增強作用。外加劑主要采用高效減水劑和緩凝劑[3]。

目前最常用的配合比設計方法有：①等體積替代骨料法；②以抗壓強度為控制參數法；③二次合成設計法。鋼纖維混凝土的配合比參數一般需要考慮以下幾個方面：①鋼纖維的摻入量：混凝土的抗拉強度和抗彎強度，主要取決于鋼纖維的含量，根據工程實踐研究，一般情況下，鋼纖維的體積率在1%～2%左右。②混凝土的水灰比：一般情況，在滿足設計要求的同時，配合比盡量選用較小的水灰比，鋼纖維混凝土優先選用強度等級高的水泥，當配制高強度等級的混凝土時候，需要選用52.5MPa以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水灰比往往在0.30～0.40較為合理。③粗骨料最大粒徑：國外有關機構及工程實踐研究表明，鋼纖維混凝土在骨料最大粒徑為15mm，可以取得最優的強度，當粒徑最大值超過25mm，強度在一定程度上將被弱化。④混凝土的砂率：砂率的主要作用在于，它是鋼纖維材料在混凝土的載體，對鋼纖維的強度在一定程度上起著支配作用，同時對混凝土的稠度也起著一定影響作用，一般砂率在50%作用是最優的，但要根據具體材料以試驗結果為準。⑤單位用水量主要取決與粗骨料的品種，以及最大骨料的粒徑，其單位體積用水量一般在205～235kg范圍內。⑥外加劑用量：合理使用高效減水劑，不僅可以降低水泥用量，也可以減小工程的經濟造價。研究表明，高效減水劑，可以減小15%左右的水泥用量。某工程使用的一種經濟、合理、可行的鋼纖維混凝土配合比如下表所示：

表1 典型鋼纖維混凝土的配合比及28天強度

3 鋼纖維混凝土質量控制

進行鋼纖維混凝土的質量控制，首先是控制好原材料質量，確保工程中使用的各種原材料是進行配合比設計時的同廠家同規格材料，其相關技術指標滿足相應的規范要求；然后，在鋼纖維混凝土生產過程中，加強質量管控，準確計算施工配合比，合理安排投料順序及攪拌時間，檢測鋼纖維體積率，加強和易性檢測尤其是施工現場的和易性檢測，確保所生產的混凝土滿足設計及施工要求；最后，在運輸和澆注過程中，嚴格按照規范及施工前制定的各項方案進行，混凝土到達現場后及時進行澆注，澆注后及時進行養護。

按照鋼纖維混凝土生產的特點，質量控制的目的是要保證各項性能達到設計要求；質量控制的目標是使生產配合比和試驗室確定的配合比“盡量相近”（包括組成材料的質量和數量），越相近說明質量控制得越好，因為實際情況（材料、機械、人員、方法、環境）不是恒定不變的，所以難以做到“相同”。質量控制的主要內容是組成材料質量檢驗和和保證配料稱量準確；質量控制的任務是防止發生錯誤和盡量減小誤差，使生產保持在一個高的、穩定的質量水平上。混凝土的組成材料質量，在合格的基礎上還應確保穩定性，才能生產出合格而均勻的混凝土。因此做好事前，事中，事后三重質量控制，才能保證混凝土配合比的質量，避免人為因素造成質量事故，減少經濟損失[4]。

4 結語

鋼纖維混凝土作為一種高效優良的復合材料，合理的配合比具有較高的技術含量，如何設計出合理、科學、可行的混凝土，需要從混凝土原材料的品種及性能、混凝土配合比的確定方法及優化、混凝土的生產質量控制等多方面著手探索研究。