摻入端鉤型鋼纖維改善大體積混凝土裂縫的試驗研究

摘要 原材料是解決混凝土大體積裂縫的一個重要因素。文章基于混凝土摻合料，分別采用一定量的端鉤型和波紋形兩種不同類型的鋼纖維摻入混凝土進行攪拌、振搗，結(jié)合試驗獲取的抗壓強度、抗?jié)B強度等數(shù)據(jù)進行對比，確定摻入同等量不同類型鋼纖維時效果最佳的鋼纖維類型，最終在摻入1.5%端鉤型鋼纖維的情況下，得出鋼纖維勾兌端鉤效果最佳的結(jié)果。

關(guān)鍵詞 端鉤型鋼纖維；摻量；混凝土裂縫；裂縫

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0039-03

0 緒論

隨著交通強國建設(shè)的高速發(fā)展，大體積混凝土在施工中的應用越來越普遍。在施工階段，由于一次澆筑成形方量大、幾何尺寸大，水泥水化熱作用釋放的熱量在短時間內(nèi)難以傳遞出去，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度迅速升高，與外部形成較大溫差，從而產(chǎn)生相應的應力。當表面受到的拉力超過抗拉強度時，就會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的完整性將受到影響，從而影響工程質(zhì)量，甚至對工程安全產(chǎn)生威脅。大體積混凝土內(nèi)部溫度不均勻散熱，導致收縮裂縫不均、裂縫發(fā)育的問題較為復雜。目前，在業(yè)界關(guān)于大體積混凝土收縮裂縫控制施工的分析與研究相對不夠全面，規(guī)范中關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫控制的條款不夠具體。因此，一種低耗材、低成本的混凝土摻合料對混凝土收縮裂縫的控制尤為重要[1]。

該文針對大體積混凝土裂縫治理施工中存在的問題，采用端鉤型鋼纖維大體積混凝土裂縫治理施工技術(shù)，對大體積混凝土裂縫進行源頭治理，以保證地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，如果該方法能夠得到應用和推廣，必將降低地下工程質(zhì)量缺陷修復的滲漏費用，具有較大的經(jīng)濟和社會效益。

1 摻入端鉤型鋼纖維工藝原理

從原材料及配合比進行施工優(yōu)化，減少混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生的水化熱，避免內(nèi)部溫度過高，從而使熱量勻速應力釋放及溫度緩慢降低[2]。

鋼纖混凝土收縮裂紋的擴展過程如下：混凝土在硬化過程中會發(fā)生體積收縮，因為水化反應，水分蒸發(fā)；當內(nèi)部或外部約束存在時，這些收縮將導致應力積累，可能在初期就形成微裂紋。同時，鋼纖維在裂紋開始伸縮遇到鋼纖維時，通過其與混凝土的黏結(jié)力抵抗裂紋的進一步開口，但纖維的存在有效阻斷了裂紋的直接拓展路徑，迫使裂紋改變原有方向或速度緩慢前進，阻止裂紋的持續(xù)發(fā)展。由于鋼纖維的分散和橋接作用，混凝土在荷載作用下表現(xiàn)出更好的塑性性能，即材料在負載作用下可以發(fā)生一定程度的塑性變形而不立即斷裂。鑒于鋼纖維在混凝土中的阻裂作用，可以引起更大范圍的緩慢而穩(wěn)定的裂縫，直到鋼纖維混凝土不被破壞為止。因此，摻入鋼纖維可以增加混凝土的抗震、抗?jié)B性能，減少混凝土的不規(guī)則開裂。

2 工藝技術(shù)研究

2.1 工藝流程

工藝流程圖如圖1所示：

2.2 原材料選用

（1）水泥。為避免產(chǎn)生過多的水化熱，大體積混凝土施工往往采用低水化熱的水泥和特種水泥[3]。

（2）細骨料。中等粗砂含泥量應lt;2%，細度模數(shù)應控制在2.5～2.8之間的連續(xù)級數(shù)。

（3）粗骨料。級配碎石粒徑為5～25 mm石子，含泥量lt;1%，骨料中針狀和片狀lt;15%，空隙率宜為38%左右。

（4）外加劑。采用緩凝型高效的減水劑（Slow Effective），可減緩水泥水化的放熱速度，減緩混凝土內(nèi)部的加溫過程；高效減水劑使混凝土拌和水泥用量大幅度減少，降低水泥水化熱造成的收縮裂縫。

（5）膨脹劑。適宜低堿高效膨脹劑的應用。

（6）鋼纖維。混凝土中鋼纖維的摻入量按體積一般為1%～2%，鋼纖維的長度與直徑的最佳比值為1∶14。在配備鋼纖維長度上，應采用混凝土粗集料的最大粒徑[4]。

2.3 鋼纖維混凝土抗壓及抗?jié)B試驗

（1）鋼纖維優(yōu)選。

在該試驗中，選用波紋形鋼纖維與端鉤型鋼纖維（如圖2所示）進行配合比試驗的篩選。通過篩選結(jié)果得出，分別加入端鉤型和波紋形鋼纖維對混凝土性能及抗壓強度試驗，結(jié)果如表1所示。

如表1所示，通過試驗篩查發(fā)現(xiàn)，雖然兩種不同類型的鋼纖維摻入量相同，但在混凝土中加入端鉤型和波紋形鋼纖維時，其1 h的混凝土流動性將受到較大影響，而在初始和易性上，其抗壓強度會相對較小。具體來看，1 h內(nèi)波紋形鋼纖維的流動性損失較大，潰縮度降低50 mm、可擴展性降低60 mm、可擴展性降低140 mm。與之相比，端鉤型鋼纖維混凝土的沉降度、易性和伸展度分別只損失了20 mm、30 mm和70 mm，相當于波紋形鋼纖維混凝土的一半。這說明在混凝土中加入端鉤型鋼纖維，對施工性能的保持比較有利。

另外，試驗結(jié)果還表明，3 d、7 d、28 d的端鉤型、波紋形鋼纖維抗壓強度基本一致，也就是說，纖維類型對混凝土抗壓強度的作用微乎其微。因此，在選擇鋼纖維類型時，考慮端鉤型鋼纖維在保持施工性能方面的優(yōu)勢，選擇端鉤型鋼纖維更為合適[5]。

（2）配合比設(shè)計。

在試驗室環(huán)境中，選取低熱水泥、粒徑為5～16 mm的粗骨料、細度模數(shù)為3.3-2的細骨沙，以及四種摻量分別為0%、0.5%、1%與1.5%的端鉤型鋼纖維制作標準試塊，如圖4所示。

（3）試件制備及養(yǎng)護。

鋼纖維混凝土立方試塊的邊長為100 mm，是根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13：2009）和《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）要求進行制作。制作前，應首先清理模具內(nèi)的雜物并涂抹潤滑油，以便試件成形后與模具脫模，模具處理完成后將端鉤型鋼纖維均勻撒入混合物中攪拌并振搗，完成振搗后將拌和物裝入模具，待其抹平后進行養(yǎng)護，如圖5所示。

（4）對端鉤型鋼纖維混凝土養(yǎng)護試塊進行抗壓試驗[如圖6（1）所示]及抗?jié)B試驗[如圖6（2）所示]，分析端鉤型鋼纖維摻入量對混凝土抗壓和抗?jié)B強度的影響。

（5）混凝土抗壓試驗破壞形態(tài)如圖7所示，在不同端摻入表2所示的端鉤型鋼纖維。

根據(jù)以上實驗結(jié)果顯示，混凝土抗壓試件最終破壞形態(tài)的影響是增加了端鉤型鋼纖維。通常情況下，自密實混凝土在受壓損傷時，會首先發(fā)生裂紋，然后沿裂紋方向發(fā)生崩裂、斷裂，再次在自密實混凝土中摻入鋼纖維后，由于鋼纖維的橋接作用，在受到壓力破壞的情況下，最終形成的混凝土形態(tài)是開裂而不散開。在端鉤型鋼纖維摻量增加的情況下，試驗結(jié)果表明混凝土抗壓強度呈增強趨勢，具體表現(xiàn)為混凝土在不同鋼纖維摻量下的破壞方式。當鋼纖維摻量分別達到1.5%和2%時，混凝土的破壞方式差異不大，均未出現(xiàn)明顯的45°斜裂縫剪切破壞面，且破壞后的試件保持了較好的整體性。綜上所述，可以看出端鉤型鋼纖維的加入對混凝土抗壓強度有明顯的改善作用[6]。

3 結(jié)論

端鉤型鋼纖維在同等條件下的混凝土流動性更好，抗壓強度更高，經(jīng)分析優(yōu)選端鉤鋼纖維。在試塊中摻入端鉤型鋼纖維的混凝土滲水高度明顯低于未摻入端鉤型鋼纖維的混凝土，當端鉤型鋼纖維摻量低于2%時，隨端鉤型鋼纖維摻量的增加而混凝土的抗?jié)B能力得到增強，在端鉤型鋼纖維摻量為1.5%時達到最佳的抗?jié)B能力。當端鉤型鋼纖維摻量為2%時，能夠提高其滲水高度，而未摻入端鉤型鋼纖維的抗?jié)B能力下降，主要因為端鉤型鋼纖維摻入量過大，造成混凝土內(nèi)部通道增加，間隙增大，從而使混凝土與易性交叉，從而影響其抗?jié)B能力，導致混凝土的抗?jié)B能力下降。

綜上分析，在試驗中，采用端鉤型鋼纖維為1.5%的摻量為最優(yōu)。

參考文獻

[1]姜福田，田冠飛，紀國晉，等.一體化混凝土熱物理參數(shù)測定儀的研制[J].水力發(fā)電， 2012（3）：82-85.

[2]張玉平，馬超，李傳習，等.基于均勻設(shè)計及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大體積混凝土熱學參數(shù)反分析[J].土木與環(huán)境工程學報（中英文）， 2021（2）：148-157.

[3]朱伯芳.混凝土絕熱溫升的新計算模型與反分析[J].水力發(fā)電， 2003（4）：29-32.

[4]喻正富，張筱雨，劉來君，等.基于遺傳算法的大體積混凝土熱力學參數(shù)反演分析[J].建筑科學與工程學報， 2015（5）：81-88.

[5]李化建，李東磊，安明喆，等.基于“蟻群”算法的混凝土溫度場反分析及溫控措施模擬[J].北京交通大學學報， 2012（6）：47-51.

[6]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[J].土木工程學報， 1999（4）：15.

收稿日期：2024-08-29

作者簡介：韓崗（1986—），男，本科，高級工程師，研究方向：地下工程混凝土質(zhì)量控制。