自密實鋼纖維混凝土在透水框架中的應用研究

馮 蒙，張天成，耿海彬，李長永，李風蘭

（1.華北水利水電大學 河南省生態建材工程國際聯合實驗室，河南 鄭州450045；2.長江宜昌航道工程局，湖北 宜昌443003）

四面六邊體透水框架群由多個桿件相互配合，促使含沙水流在經過框架群后的一定區域內減速落淤，形成新的水流邊界條件而控導河水流勢、保護淺灘和堤岸［1-3］。隨著成型工藝的發展，透水框架逐步由預制桿件焊接成型演變為一次整體成型。現有的一次成型透水框架采用內置鋼筋骨架，澆筑普通混凝土需人工振搗，操作煩瑣［4-5］。自密實鋼纖維混凝土具有纖維趨向性分布和優異的抗拉性能，用其替代鋼筋混凝土材料制作透水框架具有良好的技術經濟效益［6-8］。為此，本研究根據透水框架成型工藝需要，制備3類鋼纖維、不同體積率的自密實鋼纖維混凝土，并進行工作性能和力學性能試驗；制作自密實鋼纖維混凝土透水框架，通過桿件切分研究透水框架中的纖維分布和桿件力學性能，為其工程應用提供依據。

1 自密實鋼纖維混凝土的制備及其性能

1.1 原材料

水泥為P.P 32.5火山灰質硅酸鹽水泥，實測密度3 034 kg/m3，3 d齡期抗彎、抗壓強度分別為4.3、20.7 MPa，28 d齡期抗彎、抗壓強度分別為6.0、37.5 MPa。礦物摻和料為Ⅱ級粉煤灰，實測密度2 342 kg/m3，比表面積406 m2/kg，需水量比84.0%，活性指數73.3%。天然河砂細度模數2.77，連續級配碎石粒徑5～10 mm，其物理性能測試結果見表1。減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為30%。拌和水為自來水。鋼錠銑削型鋼纖維長度32 mm，等效直徑0.8 mm，每千克根數4 545。端鉤鋼絲切斷型鋼纖維長度29.8 mm，直徑0.5 mm，每千克根數21 740。波浪剪切型鋼纖維長度28.0 mm，直徑0.7 mm，每千克根數9 615。

表1 骨料物理性能

1.2 粉煤灰摻量的確定

圖1 為粉煤灰等量替代水泥10%、20%和30%的水泥膠砂強度試驗結果。當粉煤灰替代率為10%時，抗彎強度和抗壓強度均有所提升，3、28 d齡期抗彎強度分別提升了11.6%和3.0%，抗壓強度分別提升了12.6%和22.4%；當粉煤灰替代率為20%時，3、28 d齡期抗彎強度分別下降了11.6%和1.7%，3 d齡期抗壓強度下降15.0%，28 d齡期抗壓強度提升0.3%；當粉煤灰替代率為30%時，3、28 d齡期抗彎強度和抗壓強度均明顯降低。這表明粉煤灰摻量存在一個合理范圍［9］。與對比組比較，在替代率為20%時早齡期水泥膠砂強度有限降低，但后期強度基本持平，因此可按替代率20%進行混凝土配合比設計。

圖1 水泥膠砂強度隨粉煤灰替代率的變化

1.3 配合比設計

配合比設計采用絕對體積法［10-12］，鋼纖維等體積替代粗骨料。考慮粗骨料有較大的吸水性，增加拌和附加水量。試驗設計的6組配合比見表2。表中編號SC表示自密實混凝土，X、D、B表示鋼纖維類型分別為銑削型、端鉤型和波浪型，0、4、8、12表示鋼纖維體積率分別為0%、0.4%、0.8%、1.2%。

表2 自密實鋼纖維混凝土設計配合比

1.4 工作性能

對配制的自密實鋼纖維混凝土進行各項工作性能測試，坍落擴展度和J環通過性試件見圖2，坍落擴展度D、擴展時間T500和J環擴展度DJ見表3。配制的自密實鋼纖維混凝土均未出現離析和泌水現象。隨著鋼纖維體積率的增大，坍落擴展度和J環擴展度均呈減小趨勢，但因鋼纖維替代了粗骨料，故擴展時間T500隨之縮短。鋼纖維體積率相等時，端鉤型鋼纖維混凝土的工作性能稍差，擴展時間T500較長；波浪型與銑削型鋼纖維混凝土的工作性能相當。所配制的端鉤型鋼纖維混凝土滿足自密實性能SF1-VS1-PA2要求，銑削型和波浪型鋼纖維混凝土滿足自密實性能SF2-VS1-PA1要求［12］。因此，所配制的鋼纖維混凝土均可滿足澆筑四面六邊體透水框架的自密實性能。

圖2 自密實鋼纖維混凝土的工作性能測試試件

表3 自密實鋼纖維混凝土的工作性能

1.5 力學性能

試驗澆筑邊長150 mm的立方體試塊測試立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度，φ150 mm×300 mm圓柱體試件測試軸心抗壓強度和彈性模量，100 mm×100 mm×400 mm梁式試件測試抗彎強度。每組3個試件，共澆筑90個。試件成型后在室內覆膜養護1.5 d，拆模后放入標準養護室進行養護。試件養護齡期達到28 d時，從養護室取出，擦干表面水分，進行各項力學性能測試［13-14］。力學性能試驗結果見表4。

表4 自密實鋼纖維混凝土的力學性能

相較于對比組自密實混凝土，自密實鋼纖維混凝土立方體抗壓強度在鋼纖維體積率為0.4%和0.8%時分別提高了6.3%和14.3%，在鋼纖維體積率為1.2%時則下降了3.1%；軸心抗壓強度在3種鋼纖維體積率下分別提高了44.7%、46.6%和11.0%，劈裂抗拉強度分別提高了23.5%、38.2%和51.0%，抗彎強度分別提高了42.8%、47.6%和85.7%；彈性模量在鋼纖維體積率為0.4%和0.8%時分別提高了8.9%和0.8%，在鋼纖維體積率為1.2%時則下降了4.1%。由此可見，鋼纖維對自密實鋼纖維混凝土力學性能的增強作用存在尺寸效應和方向性［7，15］。受試件截面形式、澆筑過程的影響以及鋼纖維對圓柱體受壓橫向變形具有更好的約束作用，自密實鋼纖維混凝土軸心抗壓強度較立方體抗壓強度的提高效果更明顯。彈性模量反映了鋼纖維在混凝土自密實成型過程中的水平取向性及其對圓柱體軸向受壓變形的影響。梁式試件水平澆筑成型更有利于鋼纖維沿水平軸向分布，水平軸向與抗彎試驗的純彎段內鋼纖維受拉方向一致，鋼纖維對抗彎強度的提高效果明顯好于劈裂抗拉強度。此外，自密實鋼纖維混凝土在成型過程中的致密性也對其力學性能產生一定影響，因而并未出現隨鋼纖維體積率增大而線性增長的情況。圖3為圓柱體試件切割截面材料分布狀況。隨著鋼纖維體積率的增大，粗骨料用量降低，自密實鋼纖維混凝土內部小氣泡連通成大氣泡而形成薄弱界面，對立方體抗壓強度、軸心抗壓強度及彈性模量產生不利影響。

圖3 鋼纖維自密實混凝土切割面材料分布狀況

鋼纖維體積率為0.8%時，銑削型、端鉤型和波浪型鋼纖維自密實鋼纖維混凝土立方體抗壓強度分別提升了14.3%、21.5%和25.6%，軸心抗壓強度分別提升了46.6%、36.2%和28.2%，劈裂抗拉強度分別提升了38.2%、38.2%和33.8%，抗彎強度分別提升了47.8%、57.1%和28.6%，彈性模量變化較小。鋼纖維形狀不同，對自密實鋼纖維混凝土的不同受力性能影響效果也不同［7，12］。銑削型和端鉤型鋼纖維的端部彎鉤提高了鋼纖維與混凝土基體的黏結能力，對自密實鋼纖維混凝土的抗拉強度提升效果較好。

2 自密實鋼纖維混凝土框架的研制及其性能

2.1 透水框架的制作

采用四面六邊體透水框架鋼模板（見圖4（a））制作了3種類型鋼纖維體積率為0.8%的自密實鋼纖維混凝土四面六邊體透水框架（見圖4（b））。澆筑順序為從框架斜桿至橫桿，澆筑完成30 min內進行橫桿頂面抹面處理，澆筑成型4 h進行內膜拆除，24 h進行外模拆除。

圖4 透水框架的澆筑和拆模成型

2.2 透水框架切割

因四面六邊體透水框架的特殊結構形式而無法直接切割，故按照圖5（a）先將其肢解成桿件（見圖5（b）），然后采用金剛鋸切割成長度100 mm的試件（見圖5（c））。每個斜桿可切割成4段，每個橫桿可切割成3段，因此每個框架可切割試件21個。

圖5 透水框架的切割方式

2.3 桿件截面鋼纖維分布

自密實鋼纖維混凝土四面六邊體透水框架斜桿、橫桿截面上銑削型、端鉤型和波浪型鋼纖維的分布狀況見圖6，切割截面上鋼纖維根數的統計結果見表5。對比分析可知，鋼纖維跨越切割截面的根數和分布均勻性與鋼纖維自身的形狀和單根質量密切相關。端鉤型鋼纖維輕細，每千克的根數是銑削型的4.8倍、波浪型的2.26倍，其在斜桿截面的根數（平均值）為銑削型的2.2倍、波浪型的1.7倍，在橫桿截面的根數（平均值）為銑削型的2.7倍、波浪型的2.1倍。相對而言，端鉤型鋼纖維跨越切割截面的根數多、分布均勻，能夠起到沿桿長連續分布而增強桿件受力性能的效果；銑削型鋼纖維跨越切割截面的根數少，沿桿長各切割截面上的根數離散性較大，不利于形成沿桿長的連續分布狀態；波浪型鋼纖維的分布狀況在3種類型鋼纖維中居中。對于四面六邊體透水框架的細長桿件，應采用直徑小、單根質量小的鋼纖維制備自密實鋼纖維混凝土，從而以沿桿長均勻分布的鋼纖維取代普通混凝土透水框架中的鋼筋。

圖6 透水框架切割截面鋼纖維分布狀況

表5 截面鋼纖維根數

同時，從表5數據可以看出，橫桿截面的鋼纖維根數大于斜桿截面的，對于銑削型、端鉤型和波浪型鋼纖維，其比值分別為1.15、1.44和1.19。因此，鋼纖維在自密實混凝土流動成型過程中趨向于沿水平方向定位。這種定位趨向性是斜桿截面上鋼纖維根數減少的主要原因，也是前述自密實鋼纖維混凝土抗彎強度顯著提高的主要原因。

2.4 透水框架的力學性能

鑒于透水框架桿件的特殊截面形式，針對斜桿和橫桿的抗壓和抗拉性能進行了切割桿段試件的軸心抗壓和斜桿沿桿長方向、橫桿沿橫向的劈裂抗拉承載力試驗，主要測試結果及按照偏差±15%的試驗統計值見表6。相同體積率的3種自密實鋼纖維混凝土框架斜桿之間、橫桿之間的抗壓承載力基本相等；斜桿劈裂抗拉承載力沿桿長方向未能反映鋼纖維在桿長方向的分布狀況，3種鋼纖維類型的斜桿沿桿長方向劈裂抗拉承載力基本相等，主要反映了自密實混凝土基體的抗劈裂能力；橫桿抗劈裂承載力則反映了不同類型鋼纖維沿橫桿軸向的分布狀況，端鉤型鋼纖維混凝土橫桿具有最高的劈裂抗拉承載力，與前述的自密實鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗結果是一致的。

表6 透水框架桿件軸心抗壓和沿桿長方向劈裂抗拉承載力試驗結果 kN

續表6

3 結 論

（1）采用銑削型鋼纖維，制備了鋼纖維體積率分別為0.4%、0.8%和1.2%的自密實鋼纖維混凝土；采用銑削型、端鉤型和波浪型鋼纖維，制備了鋼纖維體積率為0.8%的自密實鋼纖維混凝土四面六邊體透水框架。通過試驗測試，所有混凝土的自密實性均滿足無配筋四面六邊體透水框架的自密實成型要求。

（2）鋼纖維對自密實鋼纖維混凝土各項基本力學性能具有增強作用。隨著鋼纖維體積率增大，軸心抗壓強度較立方體抗壓強度明顯提高，抗彎強度較劈裂抗拉強度顯著提高。自密實鋼纖維混凝土的抗壓和抗拉強度按照采用端鉤型、銑削型、波浪型鋼纖維依次增大。鋼纖維摻量和類型對彈性模量沒有明顯影響。

（3）透水框架斜桿和橫桿切割截面的纖維分布狀況和纖維根數統計結果表明，橫桿較斜桿截面上沿桿長方向的纖維根數多、分布更為均勻；相比于銑削型和波浪型鋼纖維，輕細的端鉤型鋼纖維的分布均勻、根數最多，可沿桿長形成連續的纖維分布狀態，適宜制備用于透水框架的自密實鋼纖維混凝土。