HAREX铣削型钢纤维混凝土的应用

聂金龙 王利恒 樊文超

（中国水利水电十三局有限公司第二分公司 德州 253000）

1 前言

衢州塔底水利枢纽土建工程泄洪冲沙闸及船闸闸室底板表层60cm原先采用C30普通混凝土，由于设计单位在原先设计的几座水电站中闸室底板采用普通的C30混凝土，在电站蓄水后，水流对底板冲刷破坏性比较大，后来设计单位从混凝土的耐磨、抗裂、抗拉等方面考虑，将原先的C30普通混凝土改为C30钢纤维混凝土。

2 铣削型钢纤维原材料的选择

2.1 钢纤维

目前在我国主要有三种钢纤维类型：圆直钢纤维、铣削钢纤维、剪切钢纤维。在试验初期，我们采用了圆截面的钢纤维，由于施工条件和施工方法的限制，在使用中不但增加劳动强度，而且在混凝土搅拌时也不容易散布均匀，还残留着大小不等的球状钢纤维，不但不能充分发挥钢纤维的作用，反而降低混凝土质量。后来采用浙江嘉兴生产的铣削钢纤维，问题得到解决，铣削钢纤维具有三角形横截面，扭曲的径，两个粗糙的表面，两端有带沟的锚尾，尺寸为2.7 mm×0.4 mm×32mm，长径比为 40，其主要化学成分有 C、Si、Mn、P、S 等。与其他类型的钢纤维相比，钢纤维形状特殊，掺入混凝土后呈良好的工作性能，搅拌时不成团，粗糙的表面具有较大的表面积，与混凝土的黏结力大，加工时经热处理，抗拉强度高，存放时间长，抗锈能力高。

2.2 水泥

采用浙江衢州生产有“豪龙牌”42.5R普通硅酸盐水泥，经检验，该水泥质量达到国家规定的42.5R普通硅酸盐水泥质量标准。

2.3 黄砂

黄砂为中砂，细度模数为2.5，比重为2.65g/cm3，含泥量0.8%，质量符合有关质量标准。

2.4 卵石

卵石粒径为5～20mm，比重为2.70g/cm3，质量符合C30以上混凝土用石的各项指标。

2.5 外加剂

外加剂采用合肥市七星岩提供的FDN—3缓凝高效减水剂。

3 铣削型钢纤维混凝土配合比的确定

钢纤维混凝土的配合比设计，是决定其性能优劣和成败的关键，确定配合比时，既要充分发挥钢纤维的增强效果，符合设计强度要求，又要考虑施工方便，同时要兼顾经济性。经过一些实验，参考上海建科院和市政研究院的研究成果，一般确定试验配合比为：水灰比0.35～0.50，钢纤维掺入量 30～78kg/m3，水泥用量 300～420kg/m3。配合比计算书如下。

a.配制强度：

b.水灰比：

c.水的用量（粗骨料最大粒径20mm，坍落度5～7cm）

d.水泥的用量：

e.初步确定砂率：

f.砂石的用量：

g.各种材料的用量：

本配合比中加入1%的缓凝减水剂，减水15%，缓凝减水剂的用量为3.5kg，水的用量为130kg，得出试验配合比（理论配合比）为

以上式中fcu，0——混凝土配制强度，MPa；

fcu，k——混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；

A、b——回归系数；A=0.48，b=0.33；

t ——保证率系数；本配合比取值为1.645；

σ——标准离差，MPa；

W——水；

C——水泥；

Mw0——水的用量；

Mc0——水泥的用量；T——坍落度，cm；

K——集料常数；

Sp——砂率；

Ms0——砂的用量；

Ms0——石子的用量。

由于钢纤维混凝土初次使用，因此施工时按钢纤维掺量 30kg、45kg、60kg、80kg做 4组试块，在 3天、7 天、28天后进行不同试验，试验结果见表1。

表1 钢纤维混凝土抗压、抗折强度统计

表1中情况说明：钢纤维混凝土具有较高的抗折、抗压强度；但是钢纤维掺量越多，并不表明强度越高；反之掺量太少，强度提高较少。所以钢纤维有一最佳掺量。从表1中可看出，其最佳掺量为30～60kg/m3，另外，钢纤维混凝土的早期强度有所提高，有利于建筑物提前运行。

4 操作程序

4.1 钢纤维混凝土拌和

为防止钢纤维混凝土在搅拌时纤维结团，在施工时每拌一次的搅拌量不宜大于搅拌机额定搅拌量的80%，采用强制式搅拌机拌和。在搅拌混凝土过程中必须保证钢纤维均匀分布。为保证混凝土混合料的搅拌质量，采用先干后湿的拌和工艺，投料顺序及搅拌时间为：粗集料→钢纤维（干拌1min）→细集料→水泥（干拌1.5min），其中钢纤维在拌和时分两次加入拌和机中，边拌边加入钢纤维，再倒入黄砂、水泥，待全部料投入后加水湿拌3min。总搅拌时间不超过6min，超搅拌会引起湿纤维结团。一旦发现有纤维结团，则必须将其打散，以防止因此影响混凝土的质量。

钢纤维混凝土浇捣与普通混凝土一样，浇筑和振捣是施工中的重要环节，直接影响钢纤维混凝土的整体性和致密性。钢纤维混凝土运输采用自卸运输车，运至施工地点进行浇筑时的卸料高度不得超过1.5m，以防混凝土离析。钢纤维混凝土流动性稍差，在边角处容易产生蜂窝，因此边角部分要加强振捣。采用插入式振动器振捣。振捣的持续时间以混凝土停止下沉、不再冒气泡并泛出水泥浆为准，且不宜过振。振捣时辅以人工找平。整平的表面不得裸露钢纤维，在做面时需分两次进行，即先找平抹平，待混凝土表面无泌水时，再做第二次抹平压光。

4.2 钢纤维混凝土养护

钢纤维混凝土浇筑完毕后，要及时采用湿法养护，终凝后及时覆盖草袋，并每天均匀浇水，保持潮湿状态，养护14～21天。

钢纤维混凝土施工完成后，对混凝土试块进行了检测，检测数据见表2。

表2 钢纤维混凝土抗压强度统计

由于浇筑钢纤维混凝土批量不大，因此采用非统计方法进行混凝土质量评定。

该批混凝土强度值应同时满足下列条件：

mfcu≥1.15fcu，K；fcu，min≥0.95fcu，K；mfcu为同一验收批混凝土立方体抗压强度平均值，N/mm2；fcu，K为混凝土立方体抗压强度标准值，N/mm2；fcu，min为同一验收批混凝土立方体抗压强度最小值，N/mm2；

钢纤维混凝土28天的抗压强度经质量评定，达到并超过设计强度，施工质量达到设计及规范要求。

5 铣削型钢纤维混凝土的技术优势和经济优势

5.1 技术优势

5.1.1 较强的抗压、抗拉、抗折性

众所周知，混凝土是一种优良的建筑材料，但有一个主要的缺陷，即材料的脆性，它的抗压强度虽然比较高，但其抗拉、抗弯、抗爆以及韧性等性能却比较差，其抗拉强度仅为抗压强度的1/16～1/9，混凝土在受拉力达到极限时，瞬间便失去承载能力而发生脆性断裂。为了弥补这一缺陷，就必须寻找一种新的复合材料来克服这一弱点。而钢纤维混凝土由于钢纤维的拉力作用，混凝土开裂时，钢纤维仍能抵抗拉力而使混凝土不受破坏，当铣削钢纤维的掺量达到90kg/m3时，混凝土和弯曲韧性指数已接近理想的塑性材料。

钢纤维对混凝土的增强作用，对不同的力学性能效果是不同的，钢纤维混凝土的抗压强度增加就不明显，但抗拉、抗弯强度都有明显提高。根据国内外大量的理论研究和实验结果表明：钢纤维掺入量（体积百分率P）、长径比（L/d）、纤维形状、基本配合比和性质、施工工艺等因素，对钢纤维混凝土的抗拉强度皆有影响，抗拉、抗折强度的计算可按下式进行：

式中Vx——单位体积内的钢纤维体积；Vx=P%；

fct，s——钢纤维混凝土的抗拉强度；

L/d——钢纤维长径比；

fct——基体的抗拉强度；

A——常数。

式中f——钢纤维在混凝土混合料中的掺量，kg/m3；

Rb——钢纤维混凝土的28天抗折强度；

R0——基体混凝土的28天抗折强度。

由以上公式，根据设计提出的强度值，可以计算出每立方米混凝土中钢纤维在混凝土混合料中的掺量。

5.1.2 抗裂性、抗冲击性

抗裂性系指材料抵抗开裂的能力。钢纤维混凝土在冲击荷载作用下，钢纤维在受力后摆脱与混凝土之间的粘结力或从基体中拔出或被拉断时，需要很大的能量。也就是说：当基体出现新的微裂纹时，与裂缝垂直的钢纤维仍能继续传递部分拉力，这就使钢纤维混凝土表现为良好的塑性特征，使混凝土由脆性材料变为假塑性材料，从而增强了混凝土抗裂性、抗冲击性，钢纤维混凝土的抗冲击性随钢纤维掺量的增加而增大。另外，当钢纤维混凝土在遭受冲击荷载作用下破坏时裂而不碎，这种作用在桥梁上可以避免出现危害性破坏。

5.1.3 耐磨、耐久性

钢纤维混凝土具有较高的耐磨性。实验证明：钢纤维掺量为1%时，混凝土的抗磨性提高50%～90%。并且由于钢纤维大多数被混凝土包裹着，裸露在外的部分很少，这就避免了钢纤维锈蚀引起的破坏，从而使其具有耐久性。

5.2 经济优势

a.在同等强度下可减少混凝土厚度，节约混凝土用量20%～30%。

b.可取代或部分取代钢筋。

c.掺量比其他种类钢纤维减少30%～50%。

d.可缩短施工周期25%，特别适用于大面积摊铺工程。

e.与普通混凝土搅拌及施工要求相同，不需增添设备。

6 钢纤维混凝土的应用

随着建筑工程的不断发展，钢纤维混凝土在许多工程中的应用日益为人们所重视，铣削型钢纤维作为一种新型建筑材料，已相继应用于港口、机场停机坪、水库、工业地坪、桥梁公路建设，特别是近年来钢纤维混凝土支持了新奥地利隧道掘进法，不需要设置钢筋网而可直接喷射，减少了衬砌厚度,省去了钢筋加工和绑扎工程量,同时不需立模和回填灌浆,减少了施工工作量，降低了工程造价。这一类混凝土将在市场上找到处于预应力混凝土和钢筋加固喷射混凝土之间的坚实地位。

7 质量控制

7.1 原材料原材料质量的控制

水泥有复验报告，钢纤维和减水剂的生产厂家单一且有合格证，质量比较容易控制，砂、石材料由各施工单位自行采购，为控制质量，对石料的性能作出规定，采用了5～20mm卵石，施工现场使用的黄砂,细度指数控制在2.4～2.7之间。

7.2 拌和质量的控制

所有材料在进入拌和机前进行称量，严格按施工配合比操作。严格按操作程序操作，控制拌和时间，保证混凝土的坍落度、和易性和均匀性，现场浇筑按规范和作业指导书要求实施，保证混凝土施工质量。

8 结语

该工程泄洪冲沙闸和船闸闸室底板混凝土使用铣削型钢纤维，令混凝土的抗裂性和耐磨、耐久性的问题得到解决，大大改善了混凝土结构面的承载能力，延长了水工建筑物的使用寿命。钢纤维混凝土的优越性能及其在水利水电工程中的成功应用表明：钢纤维混凝土不但可以解决钢筋混凝土难以解决的裂缝、耐久性等问题,而且用于输水隧洞等工程可以大幅度降低造价。因此,钢纤维混凝土在水利水电工程中具有广阔应用前景。