高流动性钢纤维混凝土基本性能研究

郜景林

摘要：由于混凝土在钢筋密布区域的难以振捣，施工现场往往采用高流动性的自密实混凝土以方便施工。为了提高混凝土抗弯拉强度，多数情况下采用纤维混凝土，但混凝土添加纤维后会对流动性产生较大的递减。本研究则以C60钢纤维混凝土为研究目标，通过分阶段试验得出：自密实钢纤维混凝土与普通混凝土相比在配合比试验时应分阶段进行，先确定自密实配合比，再添加钢纤维后加以调整，确定最佳配合比。

关键词：钢纤维;流动性;自密实;分段试验

Abstract： Because concrete is difficult to vibrate in areas with densely packed steel bars， self-compacting concrete with high fluidity is often used on the construction site to facilitate construction. In order to improve the flexural and tensile strength of concrete， fiber concrete is used in most cases， but the addition of fibers to concrete will have a greater decrease in fluidity. In this study， C60 steel fiber concrete was taken as the research goal. It was obtained through staged tests： self-compacting steel fiber concrete should be carried out in stages in the mix ratio test compared with ordinary concrete. It is necessary to firstly determine the self-compacting mix ratio， then add steel fiber and then adjust to determine the best mix ratio.

Key words： steel fiber;fluidity;self-compacting;segmented test

1  研究背景

廣州某斜拉桥主塔高度83.8m，采用钢-混组合结构。其中钢塔段长度56.2m，混凝土塔段长度27.6m。混凝土段使用C60混凝土，钢混结合段采用C60自密实钢纤维混凝土。由于钢混段内密布剪力钉、箍筋、主筋等，浇筑孔洞覆盖面积也较小，浇筑时无法全方位振捣，对混凝土的流动性提出了较高要求。本研究将对混凝土的配合比设计分为两阶段进行。即首先确定C60自密实混凝土的配合比，再以该配合比为基础掺加钢纤维并进行相应调整，以满足施工要求。

2  试验

2.1 自密实混凝土

自密实混凝土是一种不离析又具有显著流动性的混凝土，良好的自密实混凝土在浇筑过程中不用振捣就可以填充密实浇筑物[1]。

本试验将以混凝土流动性作为第一要素，考虑到日后将添加一定量钢纤维，势必会影响混凝土的流动性，故设计自密实混凝土配合比时，应适当加大其塌落扩展度。自密实混凝土在具有良好的和易性的同时，必须考虑到结构物的配筋状态，碎石的自然堆积密度过大以及形状的不同，会影响混凝土浇筑时的钢筋空隙间通过率[2]。

2.2 试验项目及指标（表1）

2.3 原材料

自密实混凝土拌合材料与普通混凝土有明显不同，必须谨慎选择各种拌合材料才能满足自密实混凝土的各项指标要求。各材料性能见表2～表7。

2.4 配合比设计

在参考有关资料[3]的基础上，首先通过试验调整以确定混凝土中的灰体比例、外加剂掺量等，使混凝拌和物的状态达到自密实的要求，并复验检测强度等得到最佳试验室配合比。

配合比参照相关国家标准规程《普通混凝土配合比设计规程》、《自密实混凝土应用技术规程》进行。在试验室进行配合比优化设计和试配调整时应注意，水灰比的改变会影响自密实混凝土的强度及黏度特性[4-5]。

自密实性能包括：流动性、抗离析性和自填充性，分别通过坍落扩展度试验、J型环、L型流动仪确定自密实性能指标。具体过程如下：

2.4.1 确定混凝土强度

Fcu=1.15fcu=69MPa

Fcu：钢纤维混凝土试配抗压强度（MPa）;

fcu：钢纤维混凝土设计抗压强度（MPa）。

2.4.2 确定水灰比

=0.28

fce：水泥的28d实测抗压强度（MPa）;

γ：为矿物掺合料的胶凝系数;对于粉煤灰（β≤0.3）可取0.4、矿渣粉（β≤0.4）可取0.9。此处粉煤灰掺量为0.15、矿粉掺量为0.1，双掺γ取0.6。

2.4.3 确定单位水量

考虑到流动性要求，可掺入适当粉煤灰而且粗骨料粒型级配良好，所以拟定单位用水量为150～155L。

2.4.4 确定粗骨料的用量（表8）

mg=Vg×ρg=955

mg：每立方米混凝土中粗骨料的质量（kg）;

Vg：取SF2内的0.33m3;

ρg：粗骨料的表观密度（kg/m3）。

2.4.5 确定砂用量

Vs=Vm×Φ

ms=Vs×ρs

Vs：砂的绝对体积（m3）;

ms：每立方米混凝土中砂的质量（kg）;

Φ：砂浆中砂的体积分数0.42～0.45;

ρs：砂的表观密度（kg/m3）。

当Φ分别取值0.42、0.43、0.44、0.45时，ms分别为705kg、712kg、729kg、763kg、790kg。

此时砂率分别为：42%、43%、44%、45%，45.5%。

故单位用砂量取三个代表值，即705kg、729kg、790kg。

2.4.6 确定水泥用量

水灰比W/C=0.28，单位水量为150kg/m3，故单位粉体用量为536kg/m3。扣除15%的粉煤灰，10%的矿粉，水泥用量为402kg/m3。

2.4.7 外加剂用量

通过原有试验资料，确定JB-ZSC缓凝型外加剂用量为胶体的1.3%左右。

通过上述计算得出五组不同砂率的初步试验配合比见表9。

2.5 试验结果

2.5.1 塌落扩展度试验

图1为A、B、C、D、E各组混凝土的塌落扩展度。由图2可见，从A至E组混凝土扩展度均呈现良好的状态，但其扩展度随砂率增加而呈下降趋势，说明砂率已过其峰值。

2.5.2 L型流动仪试验

由图3可知，采用A、B组配合比的混凝土H2/H1≥0.9，而采用C、D、E则处于0.8至0.9之间。

2.5.3 抗压强度试验

以3个试件测值的平均值作为该组试件的抗压强度值。计算精确至O.01MPa。由图4可知，5组配合比的强度随砂率的增加而下降，但仍然呈现较高强度状态。

3  自密实配合比试验

原有C60自密实配合比中添加30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3，即体积率1.2%的钢纤维并提高减水剂用量。做相应调整后的配合比见表10。

3.1 塌落扩展度

由图5可见，a、b、c三组配合比中，a组扩展度最小。混凝土扩展度随钢纤维的掺量递减而增大。但是a组扩展度与J型环试验的差值最小仅为12mm。对于这种情况，可以理解为钢纤维分散系数所引起的球团效应。即细长纤维掺入拌合料中，搅拌时纤维很容易形成球团，影响其钢筋通过，而其分散率峰值出现在钢纤维体积率达到1.5%左右的阶段。

3.2 L型流动度

由图6可知，三组配合比混凝土的流动性与扩展度成正比，流动性随钢纤维掺量的递减而加大，但三组配合比均达到规范要求。流动性递减原因是钢纤维掺量增大，其纤维表面积也随之加大，导致混凝土内部的摩擦阻力增大，影响其流动性。本试验使用的钢纤维为波浪形，这在一定程度上增加了钢纤维本身的表面积与粗糙度，故对流动性的影响也就更为明显。

3.3 抗压强度

由图7可知，a、b、c三组试件的抗压强度几乎持平，并未因钢纤维掺量的多少而出现较大的变化。由此可见，钢纤维混凝土的抗压强度取决于原有混凝土的机体，而钢纤维对其抗压强度的影响并不大。

3.4 配合比的确定

钢混段使用钢纤维混凝土的一个重要原因是，该段需承受较大的抗折应力。添加钢纤维后可提高混凝土的抗拉强度和抗拉极限变形能力，且一定程度上提高混凝土的受压变形能力。如此一来，局部受压的混凝土可承受更大的变形，反而对受压区的混凝土产生约束作用。本工程钢塔段设计压力值为1276kN。共有16个张拉孔，张拉孔直径38mm，相对应承压位置面积为445×280mm，钢纤维混凝土等级为C60，以掺入量为50kg/m3，体积率1.2%，钢纤维长径比为32.7计算。[6]

根据上述实验结果，混凝土中添加的钢纤维体积率为50kg/m3符合要求。当钢纤维掺量为40kg/m3、30kg/m3时其局部受压要求则不满足。综合考虑钢纤维混凝土的流动性、抗压强度、预应力张拉、经济性等因素，决定选择A组配合比。

4  模拟浇筑

综合5组试块试验结果及现场施工条件，为了验证其浇筑效果，制作了1：10的钢混段模型，进行浇筑试验。（图8）

在本次试验中发现，由于自密实泵送速度较快，会夹带大量空气进入试模混凝土内部，在混凝土內部形成气泡。故为避免脱模后出现蜂窝麻面空洞现象，必须适当的振捣使气泡溢出，保证密实性。

5  结论

通过本轮试验，在相同水灰比条件下，混凝土42%、43%已经处于砂率设定的峰值，在超过这个范围后，无论是流动性还是抗压强度均呈下降趋势，砂率45%时已超出SF2的范围要求降为SF1等级，故不适合添加钢纤维。另外，至少对与自密实钢纤维混凝土而言，以自密实混凝土为基础，加入钢纤维后进行微调的方法被证明是可行的。

自密实钢纤维混凝土的强度取决于基体混凝土的配合比。为了保证其良好的流动性，在基体混凝土配合比的设计时必须考虑到钢纤维自身的分散率，必须掌握钢纤维掺量与分散率峰值的关系。提高原混凝土的流动性等级及SF值，从而保证添加钢纤维之后混凝土的和易性。

对钢纤维的掺量还应根据结构施工具体要求进行比较分析，掺量过多会明显降低混凝土的流动性，掺量过少则不满足施工要求。另外，对于基体混凝土配合比的调整也有其必要性，微调标准并非定值，必须通过大量的试验进行确定。

参考文献：

[1]桃谷智樹·川濑清孝·松田聰夫：高流動コンクリートの力学特性·耐久性に関する研究（その6.ヤング係数·ポアソン比）、日本建築学会大会学術講演梗概集，1995：291-292.

[2]建築工事標準仕様書 同解説 JASS5鉄筋コンクリート工事，日本建築学会，2009：453.

[3]余成行，等.C60钢纤维自密实的配合比设计和应用.全国特种混凝土技术及工程应用学术交流会暨2008年混凝土质量专业委员会年会，2008：78-83.

[4]CCES02，自密实混凝土设计与施工指南[S].2004.

[5]JGJ/T283，自密实混凝土应用技术规程[S].2012.

[6]赵国藩，彭少民，等.自密实混凝土的研究和应用[M].中国建筑工业出版社，2002.

[7]P.S. Margat and M.M Azazi. Shrin kage of Stell Friber Reinforced Cement Composites， Journal of Materials Science， 1985， 20（3）： 163-171.