自密实钢纤维混凝土在透水框架中的应用研究

冯 蒙，张天成，耿海彬，李长永，李风兰

（1.华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室，河南 郑州450045；2.长江宜昌航道工程局，湖北 宜昌443003）

四面六边体透水框架群由多个杆件相互配合，促使含沙水流在经过框架群后的一定区域内减速落淤，形成新的水流边界条件而控导河水流势、保护浅滩和堤岸［1-3］。随着成型工艺的发展，透水框架逐步由预制杆件焊接成型演变为一次整体成型。现有的一次成型透水框架采用内置钢筋骨架，浇筑普通混凝土需人工振捣，操作烦琐［4-5］。自密实钢纤维混凝土具有纤维趋向性分布和优异的抗拉性能，用其替代钢筋混凝土材料制作透水框架具有良好的技术经济效益［6-8］。为此，本研究根据透水框架成型工艺需要，制备3类钢纤维、不同体积率的自密实钢纤维混凝土，并进行工作性能和力学性能试验；制作自密实钢纤维混凝土透水框架，通过杆件切分研究透水框架中的纤维分布和杆件力学性能，为其工程应用提供依据。

1 自密实钢纤维混凝土的制备及其性能

1.1 原材料

水泥为P.P 32.5火山灰质硅酸盐水泥，实测密度3 034 kg/m3，3 d龄期抗弯、抗压强度分别为4.3、20.7 MPa，28 d龄期抗弯、抗压强度分别为6.0、37.5 MPa。矿物掺和料为Ⅱ级粉煤灰，实测密度2 342 kg/m3，比表面积406 m2/kg，需水量比84.0%，活性指数73.3%。天然河砂细度模数2.77，连续级配碎石粒径5～10 mm，其物理性能测试结果见表1。减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为30%。拌和水为自来水。钢锭铣削型钢纤维长度32 mm，等效直径0.8 mm，每千克根数4 545。端钩钢丝切断型钢纤维长度29.8 mm，直径0.5 mm，每千克根数21 740。波浪剪切型钢纤维长度28.0 mm，直径0.7 mm，每千克根数9 615。

表1 骨料物理性能

1.2 粉煤灰掺量的确定

图1 为粉煤灰等量替代水泥10%、20%和30%的水泥胶砂强度试验结果。当粉煤灰替代率为10%时，抗弯强度和抗压强度均有所提升，3、28 d龄期抗弯强度分别提升了11.6%和3.0%，抗压强度分别提升了12.6%和22.4%；当粉煤灰替代率为20%时，3、28 d龄期抗弯强度分别下降了11.6%和1.7%，3 d龄期抗压强度下降15.0%，28 d龄期抗压强度提升0.3%；当粉煤灰替代率为30%时，3、28 d龄期抗弯强度和抗压强度均明显降低。这表明粉煤灰掺量存在一个合理范围［9］。与对比组比较，在替代率为20%时早龄期水泥胶砂强度有限降低，但后期强度基本持平，因此可按替代率20%进行混凝土配合比设计。

图1 水泥胶砂强度随粉煤灰替代率的变化

1.3 配合比设计

配合比设计采用绝对体积法［10-12］，钢纤维等体积替代粗骨料。考虑粗骨料有较大的吸水性，增加拌和附加水量。试验设计的6组配合比见表2。表中编号SC表示自密实混凝土，X、D、B表示钢纤维类型分别为铣削型、端钩型和波浪型，0、4、8、12表示钢纤维体积率分别为0%、0.4%、0.8%、1.2%。

表2 自密实钢纤维混凝土设计配合比

1.4 工作性能

对配制的自密实钢纤维混凝土进行各项工作性能测试，坍落扩展度和J环通过性试件见图2，坍落扩展度D、扩展时间T500和J环扩展度DJ见表3。配制的自密实钢纤维混凝土均未出现离析和泌水现象。随着钢纤维体积率的增大，坍落扩展度和J环扩展度均呈减小趋势，但因钢纤维替代了粗骨料，故扩展时间T500随之缩短。钢纤维体积率相等时，端钩型钢纤维混凝土的工作性能稍差，扩展时间T500较长；波浪型与铣削型钢纤维混凝土的工作性能相当。所配制的端钩型钢纤维混凝土满足自密实性能SF1-VS1-PA2要求，铣削型和波浪型钢纤维混凝土满足自密实性能SF2-VS1-PA1要求［12］。因此，所配制的钢纤维混凝土均可满足浇筑四面六边体透水框架的自密实性能。

图2 自密实钢纤维混凝土的工作性能测试试件

表3 自密实钢纤维混凝土的工作性能

1.5 力学性能

试验浇筑边长150 mm的立方体试块测试立方体抗压强度和劈裂抗拉强度，φ150 mm×300 mm圆柱体试件测试轴心抗压强度和弹性模量，100 mm×100 mm×400 mm梁式试件测试抗弯强度。每组3个试件，共浇筑90个。试件成型后在室内覆膜养护1.5 d，拆模后放入标准养护室进行养护。试件养护龄期达到28 d时，从养护室取出，擦干表面水分，进行各项力学性能测试［13-14］。力学性能试验结果见表4。

表4 自密实钢纤维混凝土的力学性能

相较于对比组自密实混凝土，自密实钢纤维混凝土立方体抗压强度在钢纤维体积率为0.4%和0.8%时分别提高了6.3%和14.3%，在钢纤维体积率为1.2%时则下降了3.1%；轴心抗压强度在3种钢纤维体积率下分别提高了44.7%、46.6%和11.0%，劈裂抗拉强度分别提高了23.5%、38.2%和51.0%，抗弯强度分别提高了42.8%、47.6%和85.7%；弹性模量在钢纤维体积率为0.4%和0.8%时分别提高了8.9%和0.8%，在钢纤维体积率为1.2%时则下降了4.1%。由此可见，钢纤维对自密实钢纤维混凝土力学性能的增强作用存在尺寸效应和方向性［7，15］。受试件截面形式、浇筑过程的影响以及钢纤维对圆柱体受压横向变形具有更好的约束作用，自密实钢纤维混凝土轴心抗压强度较立方体抗压强度的提高效果更明显。弹性模量反映了钢纤维在混凝土自密实成型过程中的水平取向性及其对圆柱体轴向受压变形的影响。梁式试件水平浇筑成型更有利于钢纤维沿水平轴向分布，水平轴向与抗弯试验的纯弯段内钢纤维受拉方向一致，钢纤维对抗弯强度的提高效果明显好于劈裂抗拉强度。此外，自密实钢纤维混凝土在成型过程中的致密性也对其力学性能产生一定影响，因而并未出现随钢纤维体积率增大而线性增长的情况。图3为圆柱体试件切割截面材料分布状况。随着钢纤维体积率的增大，粗骨料用量降低，自密实钢纤维混凝土内部小气泡连通成大气泡而形成薄弱界面，对立方体抗压强度、轴心抗压强度及弹性模量产生不利影响。

图3 钢纤维自密实混凝土切割面材料分布状况

钢纤维体积率为0.8%时，铣削型、端钩型和波浪型钢纤维自密实钢纤维混凝土立方体抗压强度分别提升了14.3%、21.5%和25.6%，轴心抗压强度分别提升了46.6%、36.2%和28.2%，劈裂抗拉强度分别提升了38.2%、38.2%和33.8%，抗弯强度分别提升了47.8%、57.1%和28.6%，弹性模量变化较小。钢纤维形状不同，对自密实钢纤维混凝土的不同受力性能影响效果也不同［7，12］。铣削型和端钩型钢纤维的端部弯钩提高了钢纤维与混凝土基体的黏结能力，对自密实钢纤维混凝土的抗拉强度提升效果较好。

2 自密实钢纤维混凝土框架的研制及其性能

2.1 透水框架的制作

采用四面六边体透水框架钢模板（见图4（a））制作了3种类型钢纤维体积率为0.8%的自密实钢纤维混凝土四面六边体透水框架（见图4（b））。浇筑顺序为从框架斜杆至横杆，浇筑完成30 min内进行横杆顶面抹面处理，浇筑成型4 h进行内膜拆除，24 h进行外模拆除。

图4 透水框架的浇筑和拆模成型

2.2 透水框架切割

因四面六边体透水框架的特殊结构形式而无法直接切割，故按照图5（a）先将其肢解成杆件（见图5（b）），然后采用金刚锯切割成长度100 mm的试件（见图5（c））。每个斜杆可切割成4段，每个横杆可切割成3段，因此每个框架可切割试件21个。

图5 透水框架的切割方式

2.3 杆件截面钢纤维分布

自密实钢纤维混凝土四面六边体透水框架斜杆、横杆截面上铣削型、端钩型和波浪型钢纤维的分布状况见图6，切割截面上钢纤维根数的统计结果见表5。对比分析可知，钢纤维跨越切割截面的根数和分布均匀性与钢纤维自身的形状和单根质量密切相关。端钩型钢纤维轻细，每千克的根数是铣削型的4.8倍、波浪型的2.26倍，其在斜杆截面的根数（平均值）为铣削型的2.2倍、波浪型的1.7倍，在横杆截面的根数（平均值）为铣削型的2.7倍、波浪型的2.1倍。相对而言，端钩型钢纤维跨越切割截面的根数多、分布均匀，能够起到沿杆长连续分布而增强杆件受力性能的效果；铣削型钢纤维跨越切割截面的根数少，沿杆长各切割截面上的根数离散性较大，不利于形成沿杆长的连续分布状态；波浪型钢纤维的分布状况在3种类型钢纤维中居中。对于四面六边体透水框架的细长杆件，应采用直径小、单根质量小的钢纤维制备自密实钢纤维混凝土，从而以沿杆长均匀分布的钢纤维取代普通混凝土透水框架中的钢筋。

图6 透水框架切割截面钢纤维分布状况

表5 截面钢纤维根数

同时，从表5数据可以看出，横杆截面的钢纤维根数大于斜杆截面的，对于铣削型、端钩型和波浪型钢纤维，其比值分别为1.15、1.44和1.19。因此，钢纤维在自密实混凝土流动成型过程中趋向于沿水平方向定位。这种定位趋向性是斜杆截面上钢纤维根数减少的主要原因，也是前述自密实钢纤维混凝土抗弯强度显著提高的主要原因。

2.4 透水框架的力学性能

鉴于透水框架杆件的特殊截面形式，针对斜杆和横杆的抗压和抗拉性能进行了切割杆段试件的轴心抗压和斜杆沿杆长方向、横杆沿横向的劈裂抗拉承载力试验，主要测试结果及按照偏差±15%的试验统计值见表6。相同体积率的3种自密实钢纤维混凝土框架斜杆之间、横杆之间的抗压承载力基本相等；斜杆劈裂抗拉承载力沿杆长方向未能反映钢纤维在杆长方向的分布状况，3种钢纤维类型的斜杆沿杆长方向劈裂抗拉承载力基本相等，主要反映了自密实混凝土基体的抗劈裂能力；横杆抗劈裂承载力则反映了不同类型钢纤维沿横杆轴向的分布状况，端钩型钢纤维混凝土横杆具有最高的劈裂抗拉承载力，与前述的自密实钢纤维混凝土劈裂抗拉强度试验结果是一致的。

表6 透水框架杆件轴心抗压和沿杆长方向劈裂抗拉承载力试验结果 kN

续表6

3 结 论

（1）采用铣削型钢纤维，制备了钢纤维体积率分别为0.4%、0.8%和1.2%的自密实钢纤维混凝土；采用铣削型、端钩型和波浪型钢纤维，制备了钢纤维体积率为0.8%的自密实钢纤维混凝土四面六边体透水框架。通过试验测试，所有混凝土的自密实性均满足无配筋四面六边体透水框架的自密实成型要求。

（2）钢纤维对自密实钢纤维混凝土各项基本力学性能具有增强作用。随着钢纤维体积率增大，轴心抗压强度较立方体抗压强度明显提高，抗弯强度较劈裂抗拉强度显著提高。自密实钢纤维混凝土的抗压和抗拉强度按照采用端钩型、铣削型、波浪型钢纤维依次增大。钢纤维掺量和类型对弹性模量没有明显影响。

（3）透水框架斜杆和横杆切割截面的纤维分布状况和纤维根数统计结果表明，横杆较斜杆截面上沿杆长方向的纤维根数多、分布更为均匀；相比于铣削型和波浪型钢纤维，轻细的端钩型钢纤维的分布均匀、根数最多，可沿杆长形成连续的纤维分布状态，适宜制备用于透水框架的自密实钢纤维混凝土。