大摻量鋼纖維高強(qiáng)混凝土配合比試驗(yàn)研究

張星魁，陳志偉，劉雅晉

（山西四建集團(tuán)有限公司，太原 030006）

大摻量鋼纖維高強(qiáng)混凝土配合比試驗(yàn)研究

張星魁，陳志偉，劉雅晉

（山西四建集團(tuán)有限公司，太原 030006）

鋼纖維高強(qiáng)混凝土具有抗拉、抗彎、抗沖擊爆炸、耐疲勞、阻裂、限縮等方面的突出特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)與應(yīng)用潛力極大。本文采用常規(guī)材料和一般攪拌、振動(dòng)成型工藝方法配制出大流動(dòng)度大摻量超高強(qiáng)鋼纖維混凝土。研究了礦物總摻量及搭配比例、鋼纖維體積率變化等對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土強(qiáng)度有一定地提高，但并不隨著鋼纖維體積率的增加而繼續(xù)提高。

鋼纖維混凝土；大摻量；高強(qiáng)；配合比；礦物摻合料

1 引言

鋼纖維高強(qiáng)混凝土是在高強(qiáng)混凝土基體中均勻摻入適量亂向分布的短鋼纖維形成的復(fù)合材料[1]。其不僅具有高強(qiáng)混凝土自身的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有抗拉、抗彎、抗沖擊爆炸、耐疲勞、阻裂、限縮等方面的突出特點(diǎn)，是水泥基復(fù)合材料向高性能化發(fā)展的新方向，開(kāi)發(fā)與應(yīng)用潛力極大，已廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水工、地下工程、機(jī)場(chǎng)、軍事等工程領(lǐng)域。

本文采用52.5普通硅酸鹽水泥、聚羧酸系高效減水劑、多種礦物摻合料、石灰石碎石粗骨料和天然砂、機(jī)制砂等常規(guī)材料，使用一般攪拌、振動(dòng)成型工藝方法，配制出大流動(dòng)度大摻量超高強(qiáng)鋼纖維混凝土，主要就礦物摻量及搭配比例、鋼纖維體積率變化等因素對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為大摻量（大流動(dòng)度）超高強(qiáng)鋼纖維混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：采用邯鄲P·O 52.5水泥，根據(jù)長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，該水泥的強(qiáng)度穩(wěn)定性好、與外加劑的相容性較好。各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

（2）砂：采用忻州豆羅砂和陽(yáng)泉機(jī)制砂復(fù)配，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量在8%～12%之間時(shí)，混凝土和易性較好，相應(yīng)的初始坍落度和lh后坍落度值都比較理想，能夠滿足施工需要[2]。通過(guò)試驗(yàn)，確定天然砂與機(jī)制砂復(fù)摻的比例為6:4時(shí)能獲得較好的級(jí)配。各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2。

（3）石子：采用太原鎮(zhèn)城石子。各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3。

（4）礦物摻合料：采用神頭一電廠I級(jí)粉煤灰、德隆粉磨廠S95礦粉、忻州冶煉廠硅灰。各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表1 水泥各項(xiàng)指標(biāo)

表2 砂各性能指標(biāo)

表3 石子各項(xiàng)指標(biāo)

表4 礦物摻合料各性能指標(biāo)

由表4知：粉煤灰的燒失量較少，這對(duì)于混凝土拌合物的坍落度損失以及混凝土成型后的體積穩(wěn)定性和混凝土耐久性均有利[3]。（注：細(xì)度為45μm篩余）

（5）鋼纖維：采用太原建科特低合金結(jié)構(gòu)冷軋帶鋼纖維，其特點(diǎn)是變截面，鋼纖維在混凝土構(gòu)件受力過(guò)程中不易變形，抗滑移磨阻力、粘接力大，提高增強(qiáng)和增韌效果且施工性能較好，攪拌時(shí)纖維不易結(jié)團(tuán)。各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 鋼纖維各性能指標(biāo)

（6）外加劑：采用山西黃騰化工生產(chǎn)的HT-HPC聚羧酸高性能減水劑，此種外加劑除了摻量小，減水率高等優(yōu)點(diǎn)外，最大的優(yōu)點(diǎn)還是保塑性強(qiáng)，能有效地控制混凝土拌合物的坍落度經(jīng)時(shí)損失，而對(duì)混凝土硬化時(shí)間影響不大，且具有抗縮性，能夠更有效地提高混凝土的耐久性。外加劑各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表6。

（7）水：自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第一階段，在C80高強(qiáng)高性能混凝土的研究基礎(chǔ)上對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整、試配，確定研究的基準(zhǔn)配合比；第二階段進(jìn)行通過(guò)調(diào)整礦物摻合料的摻量，礦物摻合料之間的搭配比例、以及鋼纖維體積率的變化，來(lái)研究其對(duì)混凝土強(qiáng)度及施工性能的影響。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及工藝控制

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備

60L雙臥軸攪拌機(jī)、坍落度筒、標(biāo)準(zhǔn)倒置坍落度筒、小型振動(dòng)棒、150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm鋼試模、振動(dòng)臺(tái)等。

2.3.2 攪拌工藝

先將水泥、礦物摻合料、粗細(xì)骨料投入攪拌機(jī)干拌60～90s，干拌過(guò)程中由試驗(yàn)人員將鋼纖維均勻撒入攪拌機(jī)中，而后再加水和外加劑攪拌180秒,每盤(pán)攪拌30L。

2.3.3 拌合物檢驗(yàn)說(shuō)明

1）坍落度、擴(kuò)展度：測(cè)試方法同普通混凝土。

2）倒置坍落度筒法：（試驗(yàn)步驟[4]）a.潤(rùn)濕坍落度筒及筒底內(nèi)壁，推入插板，將纖維混凝土試樣裝入坍落度桶，使頂面略高出筒口，刮去后用抹刀抹平。b.輕輕抽出插板，同時(shí)開(kāi)啟振動(dòng)棒，在其接觸纖維混凝土表面的瞬間用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)。c.使振動(dòng)棒沿坍落度筒中心線垂直下沉，達(dá)到距底筒底面10mm處為止。繼續(xù)振搗直至纖維混凝土全部流出坍落度筒，停表計(jì)時(shí)，并關(guān)閉振動(dòng)棒。由秒表讀出的時(shí)間即為纖維混凝土拌合物的倒置坍落度筒稠度值。具體指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。

2.3.4 成型及養(yǎng)護(hù)

將拌合物一次裝入試模，并略高出其上口，采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，嚴(yán)格控制好振動(dòng)時(shí)間，以拌合物表面出漿為止，最后刮去多余拌合物，用抹刀抹平，一小時(shí)后重新收面并覆蓋塑料膜。24h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 配合比及試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表7）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表6 外加劑各性能指標(biāo)

表7 配合比及試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知：基于原材料的情況，當(dāng)?shù)V物總摻量為30%，粉煤灰與礦粉摻量為5:5時(shí)，均能獲得較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，說(shuō)明其疊加效應(yīng)較明顯；由表7知，就工作性能而言，加大粉煤灰的摻量可以獲得施工性能較好的混凝土。

由圖2可知，基于原材料的情況，保持水灰比不變，通過(guò)調(diào)整外加劑摻量以及砂率使混凝土坍落度控制在200±20mm，隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土強(qiáng)度有一定地提高，但并不隨著鋼纖維體積率的增加而不斷提高，且鋼纖維的摻量在1.5%～2%時(shí)增強(qiáng)效果較明顯；在鋼纖維體積率為1%、1.5%、2%，2.5%、3%時(shí)，強(qiáng)度分別增加15%、27.9%、30.2%、12.8%，15%。這是由于鋼纖維的加入，使混凝土在受壓過(guò)程中的橫向膨脹受到約束，從而推遲了破壞進(jìn)程，對(duì)提高抗壓性能有利。

圖3 試塊破壞形態(tài)

對(duì)混凝土試塊進(jìn)行試壓時(shí)還發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維的加入，混凝土試塊的破壞形態(tài)也發(fā)生了改變。B-1試塊破壞時(shí)，產(chǎn)生巨大響聲，同時(shí)碎塊向四周飛濺，呈現(xiàn)極明顯的脆性破壞形態(tài)（爆裂）。而對(duì)于摻鋼纖維的混凝土試塊（B-2～B-6），破壞時(shí)聽(tīng)到嘈雜和撕裂的聲音，與受壓面垂直的四個(gè)面均向外凸起(見(jiàn)圖3a)，破壞后并無(wú)碎塊迸裂，纖維從基體混凝土間拔出（見(jiàn)圖3b，圖3c），這是由于裂縫形成后，橋架于裂縫間的纖維開(kāi)始工作，使裂縫的擴(kuò)展延遲，繼續(xù)對(duì)混凝土施加荷載，試塊四面凸起的部分脫落成菱形（見(jiàn)圖3b），最終沿對(duì)角線破壞成兩半(見(jiàn)圖3c)。因而與不摻鋼纖維的高強(qiáng)混凝土試塊相比，其破壞形式發(fā)生了很大變化。

由圖4可知：基于原材料的情況和試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，鋼纖維混凝土的強(qiáng)度隨著礦物總摻量的增加而逐漸減??；就工作性能而言，隨著礦物總摻量的增加，即膠凝材料所占的體積增大，能更好的包裹住鋼纖維，使其工作性能更加良好?？筛鶕?jù)實(shí)際工程要求選取來(lái)選取配合比。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在此次試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，采用常規(guī)材料和工藝可以成功配制出坍落度200±20mm，28d抗壓強(qiáng)度110MPa以上超高強(qiáng)鋼纖維混凝土；試驗(yàn)中所有試塊強(qiáng)度均以石子貫穿破壞為主，說(shuō)明只要選用更優(yōu)質(zhì)的石子，抗壓強(qiáng)度將會(huì)更高。

（2）試驗(yàn)中留置了150mm×150mm×150mm和100mm× 100mm×100mm的試塊，通過(guò)立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，非標(biāo)準(zhǔn)試塊28d強(qiáng)度乘以折算系數(shù)0.9以后均低于標(biāo)準(zhǔn)試塊的強(qiáng)度，但乘以0.95時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度接近，由于試驗(yàn)留置的試塊組數(shù)有限，還需進(jìn)一步試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，建議使用標(biāo)準(zhǔn)試模。

（3）在膠凝材料總量不變的情況下，增大粉煤灰摻量，因較小粒徑的粉煤灰在拌合物中起到了很好的潤(rùn)滑作用，使得拌合物的流動(dòng)性較好；當(dāng)?shù)V物總摻量為30%、粉煤灰與礦粉摻量為5:5、硅灰摻量為5%時(shí)，能獲得較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。

（4）保持水灰比不變，通過(guò)調(diào)節(jié)外加劑摻量和砂率，使混凝土坍落度控制在200±20mm時(shí)，隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土強(qiáng)度有一定的提高，但并不隨著鋼纖維體積率的增加而繼續(xù)提高，鋼纖維的摻量在1.5%～2%時(shí)增強(qiáng)效果較明顯。

5）當(dāng)?shù)V物總摻量為25%～40%時(shí)，鋼纖維混凝土的28d強(qiáng)度隨著礦物總摻量的增加而逐漸減??；隨著礦物總摻量的增加，工作性能更加良好，由于鋼纖維混凝土的工作性能一般較差，因此可以在不影響強(qiáng)度的前提下可優(yōu)先選用礦物總摻量大的配合比。雖然鋼纖維混凝土的流動(dòng)性一般較差，但只要稍加振動(dòng)，仍然可以獲得較好的施工性能。

[1]沈榮熹，王璋水，崔玉忠.纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006

[2]于嗚新，何勇東，段雄輝.機(jī)制砂在預(yù)拌泵送混凝土中應(yīng)用的探討[J].混凝土，2005（7）：73-77.

[3]李建友. 大摻量粉煤灰高性能混凝土研究及應(yīng)用[A].碩士學(xué)位論文[D]. 天津大學(xué)，2000.

[4]纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].CECS38：2004

張星魁（1986-），男，科員，山西四建集團(tuán)有限公司。

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