大掺量钢纤维高强混凝土配合比试验研究

张星魁，陈志伟，刘雅晋

（山西四建集团有限公司，太原 030006）

大掺量钢纤维高强混凝土配合比试验研究

张星魁，陈志伟，刘雅晋

（山西四建集团有限公司，太原 030006）

钢纤维高强混凝土具有抗拉、抗弯、抗冲击爆炸、耐疲劳、阻裂、限缩等方面的突出特点，开发与应用潜力极大。本文采用常规材料和一般搅拌、振动成型工艺方法配制出大流动度大掺量超高强钢纤维混凝土。研究了矿物总掺量及搭配比例、钢纤维体积率变化等对钢纤维高强混凝土强度的影响。结果表明：随着钢纤维体积率的增加，混凝土强度有一定地提高，但并不随着钢纤维体积率的增加而继续提高。

钢纤维混凝土；大掺量；高强；配合比；矿物掺合料

1 引言

钢纤维高强混凝土是在高强混凝土基体中均匀掺入适量乱向分布的短钢纤维形成的复合材料[1]。其不仅具有高强混凝土自身的优点，而且还具有抗拉、抗弯、抗冲击爆炸、耐疲劳、阻裂、限缩等方面的突出特点，是水泥基复合材料向高性能化发展的新方向，开发与应用潜力极大，已广泛应用于建筑、交通、水工、地下工程、机场、军事等工程领域。

本文采用52.5普通硅酸盐水泥、聚羧酸系高效减水剂、多种矿物掺合料、石灰石碎石粗骨料和天然砂、机制砂等常规材料，使用一般搅拌、振动成型工艺方法，配制出大流动度大掺量超高强钢纤维混凝土，主要就矿物掺量及搭配比例、钢纤维体积率变化等因素对混凝土强度的影响进行了试验研究，为大掺量（大流动度）超高强钢纤维混凝土在实际工程中的应用提供参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验原材料

（1）水泥：采用邯郸P·O 52.5水泥，根据长期使用经验，该水泥的强度稳定性好、与外加剂的相容性较好。各项指标见表1。

（2）砂：采用忻州豆罗砂和阳泉机制砂复配，当机制砂中石粉含量在8%～12%之间时，混凝土和易性较好，相应的初始坍落度和lh后坍落度值都比较理想，能够满足施工需要[2]。通过试验，确定天然砂与机制砂复掺的比例为6:4时能获得较好的级配。各项指标见表2。

（3）石子：采用太原镇城石子。各项指标见表3。

（4）矿物掺合料：采用神头一电厂I级粉煤灰、德隆粉磨厂S95矿粉、忻州冶炼厂硅灰。各项指标见表4。

表1 水泥各项指标

表2 砂各性能指标

表3 石子各项指标

表4 矿物掺合料各性能指标

由表4知：粉煤灰的烧失量较少，这对于混凝土拌合物的坍落度损失以及混凝土成型后的体积稳定性和混凝土耐久性均有利[3]。（注：细度为45μm筛余）

（5）钢纤维：采用太原建科特低合金结构冷轧带钢纤维，其特点是变截面，钢纤维在混凝土构件受力过程中不易变形，抗滑移磨阻力、粘接力大，提高增强和增韧效果且施工性能较好，搅拌时纤维不易结团。各项指标见表5。

表5 钢纤维各性能指标

（6）外加剂：采用山西黄腾化工生产的HT-HPC聚羧酸高性能减水剂，此种外加剂除了掺量小，减水率高等优点外，最大的优点还是保塑性强，能有效地控制混凝土拌合物的坍落度经时损失，而对混凝土硬化时间影响不大，且具有抗缩性，能够更有效地提高混凝土的耐久性。外加剂各项指标见表6。

（7）水：自来水。

2.2 试验方法

试验分为两个阶段：第一阶段，在C80高强高性能混凝土的研究基础上对配合比进行调整、试配，确定研究的基准配合比；第二阶段进行通过调整矿物掺合料的掺量，矿物掺合料之间的搭配比例、以及钢纤维体积率的变化，来研究其对混凝土强度及施工性能的影响。

2.3 试验设备及工艺控制

2.3.1 试验设备

60L双卧轴搅拌机、坍落度筒、标准倒置坍落度筒、小型振动棒、150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm钢试模、振动台等。

2.3.2 搅拌工艺

先将水泥、矿物掺合料、粗细骨料投入搅拌机干拌60～90s，干拌过程中由试验人员将钢纤维均匀撒入搅拌机中，而后再加水和外加剂搅拌180秒,每盘搅拌30L。

2.3.3 拌合物检验说明

1）坍落度、扩展度：测试方法同普通混凝土。

2）倒置坍落度筒法：（试验步骤[4]）a.润湿坍落度筒及筒底内壁，推入插板，将纤维混凝土试样装入坍落度桶，使顶面略高出筒口，刮去后用抹刀抹平。b.轻轻抽出插板，同时开启振动棒，在其接触纤维混凝土表面的瞬间用秒表开始计时。c.使振动棒沿坍落度筒中心线垂直下沉，达到距底筒底面10mm处为止。继续振捣直至纤维混凝土全部流出坍落度筒，停表计时，并关闭振动棒。由秒表读出的时间即为纤维混凝土拌合物的倒置坍落度筒稠度值。具体指标有待进一步研究。

2.3.4 成型及养护

将拌合物一次装入试模，并略高出其上口，采用振动台振实，严格控制好振动时间，以拌合物表面出浆为止，最后刮去多余拌合物，用抹刀抹平，一小时后重新收面并覆盖塑料膜。24h后拆模，放入标准养护室养护。

3 试验结果与讨论

3.1 配合比及试验结果（见表7）

3.2 试验结果分析

表6 外加剂各性能指标

表7 配合比及试验结果

由图1可知：基于原材料的情况，当矿物总掺量为30%，粉煤灰与矿粉掺量为5:5时，均能获得较高的早期强度和后期强度，说明其叠加效应较明显；由表7知，就工作性能而言，加大粉煤灰的掺量可以获得施工性能较好的混凝土。

由图2可知，基于原材料的情况，保持水灰比不变，通过调整外加剂掺量以及砂率使混凝土坍落度控制在200±20mm，随着钢纤维体积率的增加，混凝土强度有一定地提高，但并不随着钢纤维体积率的增加而不断提高，且钢纤维的掺量在1.5%～2%时增强效果较明显；在钢纤维体积率为1%、1.5%、2%，2.5%、3%时，强度分别增加15%、27.9%、30.2%、12.8%，15%。这是由于钢纤维的加入，使混凝土在受压过程中的横向膨胀受到约束，从而推迟了破坏进程，对提高抗压性能有利。

图3 试块破坏形态

对混凝土试块进行试压时还发现，随着钢纤维的加入，混凝土试块的破坏形态也发生了改变。B-1试块破坏时，产生巨大响声，同时碎块向四周飞溅，呈现极明显的脆性破坏形态（爆裂）。而对于掺钢纤维的混凝土试块（B-2～B-6），破坏时听到嘈杂和撕裂的声音，与受压面垂直的四个面均向外凸起(见图3a)，破坏后并无碎块迸裂，纤维从基体混凝土间拔出（见图3b，图3c），这是由于裂缝形成后，桥架于裂缝间的纤维开始工作，使裂缝的扩展延迟，继续对混凝土施加荷载，试块四面凸起的部分脱落成菱形（见图3b），最终沿对角线破坏成两半(见图3c)。因而与不掺钢纤维的高强混凝土试块相比，其破坏形式发生了很大变化。

由图4可知：基于原材料的情况和试验取值范围内，钢纤维混凝土的强度随着矿物总掺量的增加而逐渐减小；就工作性能而言，随着矿物总掺量的增加，即胶凝材料所占的体积增大，能更好的包裹住钢纤维，使其工作性能更加良好。可根据实际工程要求选取来选取配合比。

4 结语

（1）在此次试验取值范围内，采用常规材料和工艺可以成功配制出坍落度200±20mm，28d抗压强度110MPa以上超高强钢纤维混凝土；试验中所有试块强度均以石子贯穿破坏为主，说明只要选用更优质的石子，抗压强度将会更高。

（2）试验中留置了150mm×150mm×150mm和100mm× 100mm×100mm的试块，通过立方体抗压强度测试，非标准试块28d强度乘以折算系数0.9以后均低于标准试块的强度，但乘以0.95时与标准试块强度接近，由于试验留置的试块组数有限，还需进一步试验进行验证，建议使用标准试模。

（3）在胶凝材料总量不变的情况下，增大粉煤灰掺量，因较小粒径的粉煤灰在拌合物中起到了很好的润滑作用，使得拌合物的流动性较好；当矿物总掺量为30%、粉煤灰与矿粉掺量为5:5、硅灰掺量为5%时，能获得较高的早期强度和后期强度。

（4）保持水灰比不变，通过调节外加剂掺量和砂率，使混凝土坍落度控制在200±20mm时，随着钢纤维体积率的增加，混凝土强度有一定的提高，但并不随着钢纤维体积率的增加而继续提高，钢纤维的掺量在1.5%～2%时增强效果较明显。

5）当矿物总掺量为25%～40%时，钢纤维混凝土的28d强度随着矿物总掺量的增加而逐渐减小；随着矿物总掺量的增加，工作性能更加良好，由于钢纤维混凝土的工作性能一般较差，因此可以在不影响强度的前提下可优先选用矿物总掺量大的配合比。虽然钢纤维混凝土的流动性一般较差，但只要稍加振动，仍然可以获得较好的施工性能。

[1]沈荣熹，王璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006

[2]于呜新，何勇东，段雄辉.机制砂在预拌泵送混凝土中应用的探讨[J].混凝土，2005（7）：73-77.

[3]李建友. 大掺量粉煤灰高性能混凝土研究及应用[A].硕士学位论文[D]. 天津大学，2000.

[4]纤维混凝土结构技术规程[S].CECS38：2004

张星魁（1986-），男，科员，山西四建集团有限公司。

[单位地址]山西省太原市小店区并州南路西二巷8号（030006）