C60 鋼纖維自密實混凝土的配合比設(shè)計和應(yīng)用

[摘 要]按照自密實混凝土的等級要求，采用聚羧酸系外加劑對C60 自密實混凝土進行配合比設(shè)計，采取同時摻加機制砂和天然砂的措施保證了鋼纖維自密實混凝土拌和物的自密實性能和泵送性能，而且也得到了滿足型鋼柱施工要求的力學(xué)變形性能。本文對于鋼纖維自密實混凝土配合比的設(shè)計思路可供有關(guān)技術(shù)人員參考。

[關(guān)鍵詞]自密實混凝土；鋼纖維；配合比設(shè)計；機制砂

0 前言

　　自密實混凝土技術(shù)的發(fā)展已有20 年的歷史，在國內(nèi)也已應(yīng)用10 多年。近幾年自密實混凝土在我國發(fā)展應(yīng)用速度加快，應(yīng)用領(lǐng)域也進一步的拓展。自密實混凝土，是具有高流動度、不離析、良好的均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時依靠其自重流動，無需振搗而達到密實的混凝土。所謂的自密實性能，即混凝土澆筑時，不加振搗施工也能依靠其自重均勻地填充到模板各處的性能。因具有許多優(yōu)點，自密實混凝土技術(shù)在近幾年得到了積極的研究和全面的發(fā)展，也被越來越多的工程所采用[1]。

　　鋼纖維混凝土是將短的、不連續(xù)的鋼纖維隨機亂向地分布于混凝土中形成的復(fù)合材料。與普通混凝土相比，加入一定量的鋼纖維后，不僅可以提高混凝土的抗拉強度、抗折強度和韌性，而且能夠明顯地提高混凝土的抗裂性能、抗收縮性能和極限拉應(yīng)變，因此受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的極大重視。目前，鋼纖維混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域涉及道路橋梁工程、建筑工程、水利工程、港口工程、鐵路工程、礦山工程和軍事工程等。在使用過程中，鋼纖維混凝土因為能夠充分滿足工程所要求的高拉應(yīng)力、復(fù)雜受力、抗裂、增強和增韌等普通混凝土難以達到的受力性能要求，而具有良好的社會效益、經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。

　　鋼纖維自密實混凝土則是集兩種混凝土的優(yōu)點于一身，即在混凝土施工澆筑過程中利用自密實混凝土拌和物的易澆筑密實特點，在混凝土硬化后利用鋼纖維混凝土獨有的力學(xué)與變形性能。

1 工程概況

新建設(shè)的中央電視臺新臺址工程，是北京市重點工程之一，也是北京市重要的標(biāo)志性建筑之一，其主樓為兩座斜塔樓，兩座斜塔樓頂部采用14 層高的懸臂結(jié)構(gòu)進行連接，如圖1 所示。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)對混凝土施工過程控制和混凝土性能等

提出了較高的要求。該工程部分型鋼柱混凝土標(biāo)號為C60，泵送高度超過200 米，而且這部分型鋼柱在受力時，屬于偏心受壓，因此要求型鋼柱在整個施工過程中和建成后因受力發(fā)生一定撓度變形的同時，所出現(xiàn)的裂縫在控制范圍之內(nèi)。為此，必須在混凝土中摻加鋼纖維以增加混凝土的韌性。由于型鋼混凝土柱設(shè)計受力復(fù)雜，鋼筋密集，對摻入的鋼纖維要求較高，并且由于施工、振搗困難等原因，必須使用自密實混凝土，即C60 鋼纖維自密實混凝土。

　　但是，設(shè)計單位僅對鋼纖維本身的性能和摻量提出了粗略的要求，并未對本工程擬采用的C60 鋼纖維混凝土的具體性能指標(biāo)進行詳細說明。為了優(yōu)化鋼纖維自密實混凝土的組成，評價鋼纖維自密實混凝土的性能，確定鋼纖維的種類和廠家，確定鋼纖維自密實混凝土的配合比、生產(chǎn)質(zhì)量控制指標(biāo)與實驗方法，需要進行系統(tǒng)的試驗研究，使其各項性能指標(biāo)達到施工要求，即所配制的混凝土加入鋼纖維后，即要滿足鋼纖維混凝土施工過程中的變形指標(biāo)要求，又要滿足自密實混凝土的指標(biāo)要求，具有高流動性、抗離析性強和自填充性的特點，這也是混凝土生產(chǎn)控制過程中的關(guān)鍵所在。

2 原材料

　　本工程所用的原材料是北京地區(qū)常用的混凝土材料，水泥為北京琉璃河水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5 水泥；粉煤灰為河北衡水電廠生產(chǎn)的I 級粉煤灰；砂子為河北潮河水洗天然中砂和河北三河產(chǎn)機制砂，細度模數(shù)均不小于2.3；石子采用三河機碎石，連續(xù)級配，粒徑5mm～10mm 和5mm～20mm；泵送劑為天津雍陽外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸型UNF-5AST 高效泵送劑。具體指標(biāo)分別見表1 至表5。

設(shè)計要求使用冷拉切斷型鋼纖維，其抗拉強度大于1000MPa，長徑比大于50，長度35mm～50mm，摻量20kg/m3～50kg/m3。試驗檢測后通過綜合考慮，決定采用上海貝卡爾特—二鋼有限公司生產(chǎn)的Dramix 鋼纖維和上海哈瑞克斯公司生產(chǎn)的Harex 鋼纖維兩種冷拉鋼絲切斷型鋼纖維展開進一步的試驗研究，具體指標(biāo)如表6 所示。兩種鋼纖維的質(zhì)量也符合標(biāo)準[2]所規(guī)定的有關(guān)鋼纖維自密實混凝土對鋼纖維指標(biāo)的要求。

3 配合比設(shè)計

　　隨著鋼纖維混凝土使用范圍的擴大，關(guān)于配合比設(shè)計的研究也越來越多，如等體積代替集料法、以抗壓強度為主控參數(shù)的設(shè)計法和二次合成法等多種方法。在參考有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，確定本工程鋼纖維自密實的配合比設(shè)計思路是，首先通過試驗調(diào)整混凝土中的粉體比例、外加劑品種和摻量等，確定出滿足施工指標(biāo)要求的不摻加鋼纖維的自密實混凝土的配比，為基準配比；然后在此基準配比的基礎(chǔ)上摻加不同摻量的鋼纖維，檢測鋼纖維混凝土的抗拉強度、抗彎強度和韌度指數(shù)等，確定滿足力學(xué)與變形指標(biāo)要求的鋼纖維的品種和最小摻量；接著再對滿足要求的鋼纖維摻量最小的配合比進行微調(diào)，使混凝土拌和物的狀態(tài)達到自密實的要求，并復(fù)驗檢測抗拉強度、抗彎強度和韌度指數(shù)等，以得到最佳試驗室配合比；最后，對所確定的最佳配合比進行現(xiàn)場混凝土泵送試驗，判斷是否滿足工程需要，最終得到滿足施工生產(chǎn)要求的鋼纖維自密實混凝土。

　　應(yīng)說明的是，為充分保證鋼纖維抗拉強度與混凝土強度相適應(yīng)，在前期大量試驗的基礎(chǔ)上，并結(jié)合設(shè)計要求，控制混凝土的28d 抗壓強度不能過高，具體在120%左右，最大不超過130%。

　　3.1 自密實混凝土配合比的確定配合比的設(shè)計依據(jù)自密實混凝土的規(guī)定指標(biāo)要求，并參照相關(guān)國家標(biāo)準規(guī)程進行。在試驗室進行配合比優(yōu)化設(shè)計和試配工作，確認合格后方能使用。在進行自密實混凝土的配合比設(shè)計調(diào)整時應(yīng)注意，水膠比的改變會影響自密實混凝土的設(shè)計強度，水粉比的改變則影響自密實混凝土的黏度特性。

　　自密實性能包括：流動性、抗離析性和自填充性，分別通過坍落擴展度試驗、V 漏斗試驗、櫛形環(huán)試驗和U 型箱試驗檢測自密實性能指標(biāo)。自密實性能根據(jù)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、配筋狀態(tài)等進行設(shè)定，分為三個等級[3]。當(dāng)鋼筋最小凈間距為35mm～60mm 時，為一級，此時，要求坍落擴展度為700mm±50mm、V 漏斗通過時間為10s～25s、U 型箱試驗填充高度300mm 以上，櫛形環(huán)試驗中心無骨料堆積、邊緣無泌漿、目測環(huán)內(nèi)外無高差。參照標(biāo)準[3]所述方法進行配比設(shè)計，具體過程如下：

　?、俅_定單位粗骨料體積用量

　　根據(jù)自密實混凝土等級選取0.30，單位粗骨料體積用量為300L，因單一品種石子的空隙率大于標(biāo)準[3]要求，故同時摻加兩種品種的石子，表觀密度平均值為2840kg/m3，質(zhì)量為852.0kg。

　　②確定單位用水量、水粉比和粉體體積

　　考慮到摻入粉煤灰配制C60 等級的自密實混凝土，而且粗骨料粒型級配良好，選擇較低的單位用水量170L 和水粉比0.80，通過Vp=Vw/(w/p)=170/0.80=212.5L，計算得到粉體體積用量，粉體體積比為0.2125，介于推薦值0.16～0.23 之間。

　?、鄞_定含氣量

　　根據(jù)經(jīng)驗以及所使用外加劑的性能設(shè)定自密實混凝土的含氣量為1.5%，即15L。

　?、苡嬎銌挝患毠橇狭?/p>

　　因為天然砂中含有9.0%的粉體，所以根據(jù)Vg+Vp+Vw+Va+(1-9.0%)Vs=1000L，可以計算出單位細骨料體積用量Vs=(1000-300-212.5-170-15)/91.0%=332.4L，質(zhì)量為844.3kg。

　　⑤計算單位膠凝材料體積用量

　　因為未使用其它惰性摻合料，所以單位膠凝材料體積用量通過Vce=Vp-9%×Vs=212.5-9%×332.4=182.6L。

　?、抻嬎闼冶扰c理論水泥用量

　　按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行水灰比的設(shè)計計算，選定σ=7，則可計算出w/c=0.345。已知用水量為170kg，所以水泥用量為492.7kg，即159.0L。

　?、哂嬎銌挝粨胶狭狭亢蛯嶋H水泥用量

　　通過計算可知單位水泥體積為159.0L，不能滿足通過自密實性能計算出的182.6L 的要求，綜合考慮強度要求和粉煤灰性能，采用超量取代的方法，超量取代系數(shù)為1.3，設(shè)取代水泥率為X，可根據(jù)下式計算出取代水泥質(zhì)量和粉煤灰摻入量：

式中，Mfa、ρc、ρfa 分別為實際粉煤灰用量、水泥表觀密度和粉煤灰表觀密度。

　　通過上述計算得到水泥的實際用量和摻合料用量。

　?、嗤ㄟ^試驗確定聚羧酸高性能減水劑用量為膠凝材料用量的1.4%，即7.4kg。

　?、嵩囼烌炞C與調(diào)整。依據(jù)標(biāo)準[3]進行試驗，得到自密實混凝土基準配合比，有關(guān)數(shù)據(jù)如表7 所示。

3.2 鋼纖維的品種和最小摻量的確定

　　鋼纖維混凝土配合比在調(diào)整時應(yīng)考慮的主要方面是：拌和物的工作性、強度的雙控和鋼纖維體積率的確定等[4]。要提高鋼纖維在混凝土中的增強效果，一是提高鋼纖維的長徑比；二是提高鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強度。但是，長徑比過大，會使纖維混凝土的和易性降低，纖維結(jié)球現(xiàn)象發(fā)生的可能性也會增加。同時，鋼纖維混凝土的集料最大粒徑直接影響到鋼纖維的握裹力，一般最大粒徑不宜超過鋼纖維長度的2/3。同一基體而言，兩端帶彎鉤的鋼纖維較平直型鋼纖維的界面粘結(jié)強度高。

　　鋼纖維的摻量規(guī)范要求[2]不低于20kg/m3，并依據(jù)廠家推薦數(shù)據(jù)進行配比設(shè)計試驗。所有試件均按照CECS13:89 標(biāo)準[5]規(guī)定進行，采用標(biāo)準尺寸試模，并在注模24h 后脫模，在標(biāo)準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護相應(yīng)齡期后進行試驗檢測。配比設(shè)計和部分檢測結(jié)果如表8 所示。

　　在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，摻加鋼纖維后，混凝土拌和物的坍落度和流動性較空白混凝土明顯降低，且隨著摻量的增加，坍落度和坍落流動度的降低程度也變大。這一現(xiàn)象表明，鋼纖維在混凝土拌和物中所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使拌和物內(nèi)部摩擦阻力增加，加上纖維自身面積較大，加劇了阻礙拌和物流動的程度，引起混凝土坍落度降低與和易性變差。

　　從試驗現(xiàn)象來看，立方抗壓試驗時，素混凝土破壞時側(cè)面出現(xiàn)典型的受壓剝落現(xiàn)象，而鋼纖維混凝土破壞后完整性較好，表面只有少許剝落。劈裂抗拉試驗時，素混凝土直接沿劈裂面斷開，斷面比較平整，并伴有較大的響聲，呈明顯的脆性破壞；而鋼纖維混凝土破壞時，只在表面出現(xiàn)一條沿劈裂面的細裂紋，整體完整性很好，而且需要較大力量才能將其分為兩塊。以上現(xiàn)象與有關(guān)資料所述相一致[6]。同時也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土在劈拉破壞時，絕大多數(shù)是鋼纖維的撥出而不是拉斷，因此，改善鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)力是提高劈拉強度的關(guān)鍵。

　　從試驗數(shù)據(jù)來看，加入鋼纖維后，抗壓強度、劈裂抗拉強度均有明顯提高，但提高幅度與鋼纖維摻量的關(guān)系因試驗組數(shù)較少而規(guī)律不十分明顯。眾多文獻資料[7][8]也表明，鋼纖維摻入混凝土后，能否提高抗壓強度及提高的幅度，主要取決于混凝土基體強度、基體與鋼纖維的粘結(jié)強度和鋼纖維本身抗拉強度。對于低強度混凝土，鋼纖維與基體粘結(jié)強度低，鋼纖維的摻入增多了整個體系的界面薄弱區(qū)，受壓時，該薄弱區(qū)可能首先導(dǎo)致材料破壞，纖維起不到增強作用。對于高強混凝土，鋼纖維與膠凝體的界面粘結(jié)強度高，減小了界面薄弱區(qū)所帶來的不利影響，

　　當(dāng)試件受壓時，縱橫交錯的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對試件橫向變形的約束作用較強，使其近似于三向受壓狀態(tài)，導(dǎo)致材料的抗壓強度提高。

　　同樣，當(dāng)劈裂抗拉試驗時，在拉伸荷載作用下，試件受力之初，應(yīng)變很小，鋼纖維所承擔(dān)的拉應(yīng)力也小，基體起主要受力作用；隨著應(yīng)變增大，鋼纖維承擔(dān)應(yīng)力越大，混凝土基體達到極限應(yīng)變的時間推遲；基體開裂后，裂縫應(yīng)力重分布，原先由基體承擔(dān)的應(yīng)力向鋼纖維轉(zhuǎn)移，跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的兩側(cè)表面，使裂縫處材料仍能夠繼續(xù)承受荷載，裂縫擴展速度得到延緩，并呈穩(wěn)定擴展?fàn)顟B(tài)，如果跨越裂縫的纖維越多，則裂縫穩(wěn)定擴展持續(xù)時間越長，導(dǎo)致最終達到的峰值拉應(yīng)力越高，即鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度越大。

　　通過試驗數(shù)據(jù)分析，這幾組鋼纖維混凝土的配合比均能滿足鋼纖維混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)要求，

綜合考慮成本控制、施工方式等因素，并為了充分保證混凝土拌和物的狀態(tài)能夠達到自密實的要求，最終確定鋼纖維的摻量采用最低摻量，即20kg/m3。并在此摻量的前提下，進行混凝土和易性的調(diào)整，為增加混凝土中粉體的比例，摻加了50%的機制砂，最終得到各項性能均滿足鋼纖維自密實混凝土的指標(biāo)要求的混凝土，配合比和檢測結(jié)果如表9 所示，試驗情況如圖2 所示，該配合比的荷載撓度-曲線如圖3 所示。

4 現(xiàn)場摸擬與施工

　　鋼纖維混凝土在生產(chǎn)時，除鋼纖維與砂石一起加入攪拌機外，其它材料的投料、攪拌與普通混凝土相同，攪拌時間延長50%。在現(xiàn)場制作與結(jié)構(gòu)形狀相同的模具，并采用振搗和不振搗兩種方式進行對比試驗?zāi)M，模擬生產(chǎn)時僅對混凝土的凝結(jié)時間進行了調(diào)整。通過現(xiàn)場泵送試驗，得到了較好的效果。在模擬泵送時也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土在泵送過程中，除按常規(guī)泵送操作外，還應(yīng)注意以下幾點：

　?、俦盟瓦^程中宜保持混凝土供應(yīng)的連續(xù)性，如較長時間不能泵送混凝土，則會出現(xiàn)鋼纖維混凝土粘管現(xiàn)象，尤其是在泵管的接口處，而且增大了再次泵送阻力且很難清洗干凈。

　?、诒M量減少泵管彎頭，以減少泵送阻力和鋼纖維混凝土在管內(nèi)的淤積。如確實需要彎頭，應(yīng)盡量采用135°彎管。而且，泵管的接口處要對接緊密，不能留有縫隙。

　?、叟_北101 大廈和香港國際金融中心等施工經(jīng)驗和試驗證明，長距離、大高度泵送自密實混凝土?xí)r，配制混凝土所用的粗骨料的最大粒徑不宜大于16mm，為實現(xiàn)最大泵送高度提供可能。

　　該鋼纖維自密實混凝土柱澆筑折模后，混凝土色澤均勻、無明顯氣泡，外觀質(zhì)量較好。采用塑料薄膜圍裹的方式進行自生養(yǎng)護。實際工程應(yīng)用至今，已澆筑3000 余m3，成型28d 立方抗壓強度80 余組，強度在67.0MPa～77.8MPa 之間，平均為72.3MPa。泵送高度在100m 以下時，采用常用的HBT80 型混凝土地泵，泵送效果較好，泵送壓力在17MPa～26MPa。

5 結(jié)論與體會

　　在鋼纖維品種選擇試驗中發(fā)現(xiàn)，混凝土的強度等級和石子粒徑要與纖維強度、長度等纖維特性相協(xié)調(diào)，否則可能出現(xiàn)摻加優(yōu)質(zhì)鋼纖維的混凝土其性能并不比摻加普通鋼纖維混凝土的性能明顯。

　　聚羧酸系高效外加劑減水率較高，保塑時間長，經(jīng)過微調(diào)就能滿足自密實混凝土的要求。因此，使用經(jīng)優(yōu)化外加劑成份比例和摻量的聚羧酸外加劑可以配制滿足施工工藝要求和高強度要求的自密實混凝土，尤其適宜配制長距離泵送的高強混凝土，而且混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量也比較穩(wěn)定。

　　為保證高強度的鋼纖維混凝土的高層長距離泵送，應(yīng)控制石子粒徑和級配。當(dāng)泵送高度大于100m時最大料徑不宜超過16mm；當(dāng)泵送高度超過200m 時，最大粒徑宜控制在10mm 左右。

　　在配制自密實混凝土?xí)r，若混凝土拌和物的和易性尤其是黏度不能滿足，需通過調(diào)整配合比中的粉體比例來實現(xiàn)，而利用機制砂中所含的石粉是一種較為方便的方法，但應(yīng)充分掌握其比例含量和機制砂的適宜摻量。

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