鋼纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)

摘 要：通過坍落擴(kuò)展度、T500、U型儀和L型儀等測(cè)試方法探討了不同水膠比、砂率及不同鋼纖維摻量條件下，鋼纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)，研究了不同條件下制備的鋼纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能。結(jié)果顯示，在試驗(yàn)條件下，適宜水膠比及砂率條件下鋼纖維混凝土滿足自密實(shí)混凝土工作性能要求；隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度提高，混凝土流動(dòng)性降低。研究制得的鋼纖維高強(qiáng)混凝土在滿足自密實(shí)性能要求條件下，抗壓強(qiáng)度達(dá)到CF90技術(shù)要求，抗折強(qiáng)度>11.0 MPa。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；自密實(shí)高強(qiáng)混凝土；制備技術(shù)；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU528.53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2013）02012906

近年來隨著結(jié)構(gòu)工程的高層化和大跨化發(fā)展，以及嚴(yán)酷使用環(huán)境對(duì)混凝土性能要求越來越高，建設(shè)工程領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)超高強(qiáng)混凝土的需求日益強(qiáng)烈。不過，由于高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土的脆性較大，限制了其在工程中的廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有工程多用鋼管復(fù)合高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土以改善其脆性[14]，而較少采用傳統(tǒng)的鋼筋約束高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)形式。諸多研究表明[58]，可通過在高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土中摻加纖維以降低混凝土的脆性，從而可進(jìn)一步與鋼筋復(fù)合。不過，制備高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土?xí)r水膠比較低，獲得良好拌和物流動(dòng)性相對(duì)不易，若進(jìn)一步摻入纖維，勢(shì)必嚴(yán)重影響混凝土的施工性能。制備施工性能良好的纖維增韌高強(qiáng)混凝土是鋼筋復(fù)合高強(qiáng)混凝土的關(guān)鍵技術(shù)。

此外，城市建設(shè)中混凝土工程施工也面臨著越來越多的問題，比如：噪音污染嚴(yán)重、工程進(jìn)度慢、復(fù)雜結(jié)構(gòu)澆筑困難等，這也是自密實(shí)混凝土發(fā)展的原因之一。

利用纖維增韌技術(shù)制備纖維自密實(shí)混凝土的國內(nèi)外相關(guān)成果較多[912]，不過，將纖維混凝土、高強(qiáng)混凝土與自密實(shí)混凝土三種技術(shù)融合在一起，制備纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的技術(shù)難度很大。高強(qiáng)混凝土的技術(shù)特點(diǎn)是水膠比低，與混凝土的自密實(shí)性能要求矛盾，纖維的摻入，更導(dǎo)致混凝土自密實(shí)性能難以滿足，且這些問題隨著混凝土強(qiáng)度的增加而加劇。彭明祥[13]已將C60鋼纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土成功應(yīng)用于中央電視臺(tái)新臺(tái)址的建設(shè)，但針對(duì)強(qiáng)度等級(jí)更高的纖維自密實(shí)混凝土的制備技術(shù)的研究在國內(nèi)尚屬空白，而國外已有抗壓強(qiáng)度為100 MPa的纖維復(fù)合超高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的研究報(bào)道[14]。本研究的目的，是研究抗壓強(qiáng)度滿足CF90技術(shù)要求，抗折強(qiáng)度≥110 MPa的纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土制備技術(shù)。

王 沖，等：鋼纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用重慶拉法基水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥；硅灰為挪威埃肯公司的半聚集態(tài)硅微粉，比表面積為20 000 m2/kg；重慶騰輝新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣，比表面積為430 m2/kg。膠凝材料的化學(xué)成分見表1所示。

粗集料為歌樂山石灰石碎石，試驗(yàn)中將粒徑5～10 mm和粒徑10～20 mm各按50%混合使用。細(xì)集料采用岳陽產(chǎn)中砂，含泥量1.4%，細(xì)度模數(shù)2.3。

聚羧酸高效減水劑，含固量31%。減水劑以膠凝材料總量的質(zhì)量百分比摻入。

重慶宜筑工程纖維制造有限公司生產(chǎn)的鍍銅微鋼纖維（長(zhǎng)度10 mm、長(zhǎng)徑比66.7），鋼纖維的形貌示于圖1中。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鋼纖維自密實(shí)混凝土拌合物性能試驗(yàn) 試驗(yàn)按照中國土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》（CCES02—2004）要求的方法進(jìn)行。測(cè)試指標(biāo)包括：坍落擴(kuò)展度、T500流動(dòng)1.2.2 鋼纖維自密實(shí)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn) 混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GB/T50081-2002）進(jìn)行。

2 鋼纖維自密實(shí)混凝土制備技術(shù)及工作性評(píng)價(jià)

2.1 自密實(shí)混凝土配合比

通過大量試驗(yàn)與配合比調(diào)整，自密實(shí)混凝土配合比試驗(yàn)配合比如表3所示。

2.2 自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)室的設(shè)備條件，試驗(yàn)主要采用坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、T500、U型儀及L型儀這幾種檢測(cè)方法來對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 水膠比對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土拌合物性能的影響 試驗(yàn)測(cè)試了水膠比分別為0.20、0.22及024時(shí)混凝土的拌和物自密實(shí)性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～5所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，水膠比對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的工作性能影響較大。水膠比為0.20時(shí)，坍落擴(kuò)展度、T500、U型儀及L型儀等指標(biāo)明顯比水膠比較高時(shí)差。W/B=0.24時(shí)，T500較小，坍落擴(kuò)展度也較大，但是U型儀與L型儀試驗(yàn)效果不佳。W/B=0.22時(shí)工作性最好。這是因?yàn)樗z比過小，自密實(shí)混凝土拌合物粘度增大，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性、填充性和間隙通過性能變差；水膠比過大，砂漿粘度雖然減小，但拌合物出現(xiàn)離析與泌水，混凝土的抗離析性下降。導(dǎo)致拌合物工作性能變差。

2.2.2 砂率對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土拌合物性能的影響 針對(duì)砂率分別為44%、46%、48%及50%等4種不同砂率進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6～9。

對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果分析可得，砂率44%時(shí)，自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、U型儀及L型儀試驗(yàn)效果都很差，但是T500時(shí)間卻是很短，這是因?yàn)樯奥蔬^低時(shí)，會(huì)造成自密實(shí)混凝土粗集料跟砂漿分離，盡管砂漿流動(dòng)較快，但是自密實(shí)混凝土整體性能較差。砂率46%時(shí)，混凝土自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度、T500、U型儀及L型儀試驗(yàn)效果都是最佳，表明其流動(dòng)性、粘聚性等各方面的指標(biāo)綜合最佳。砂率超過46%以后，隨著砂率的增加，自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、T500、U型儀及L型儀測(cè)試值越來越差，因?yàn)殡S著砂率的增加，混凝土粘聚性雖然增大，但流動(dòng)性切也越來越差。

2.2.3 纖維摻量對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土拌合物性能的影響 在混凝土中加入亂向分布的鋼纖維會(huì)在一定程度影響到自密實(shí)混凝土的工作性能，根據(jù)多次試驗(yàn)，確定0.30%、0.60%及0.90%3種不同摻量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中，將不同摻量纖維摻入到水膠比0.22，砂率為46%的混凝土中，測(cè)試了纖維摻量對(duì)自密實(shí)混凝土拌合物性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見圖10～13。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析可得，摻入鋼纖維后，纖維摻量0.3%時(shí)，混凝土拌合物滿足自密實(shí)混凝土工作性能要求。隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土拌合物坍落擴(kuò)展度、T500、U型儀及L型儀試驗(yàn)測(cè)試值都變差，混凝土不能滿足自密實(shí)性能要求。

2.4 鋼纖維自密實(shí)混凝土力學(xué)性能研究

2.4.1 水膠比對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響 試驗(yàn)分別對(duì)比了0.20、0.22及0.24等3種不同的水膠比進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分析水膠比對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果示于圖14～15。

圖14與圖15結(jié)果顯示，隨著水膠比的降低，自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。W/B=0.22的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度比W/B=0.20的降低4.2%，抗折強(qiáng)度降低1.8%，W/B=024時(shí)相比于W/B=0.20抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別降低13.5%和7.0%。因此，選擇合適的水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土的配制相當(dāng)重要。試驗(yàn)結(jié)果表明，W/B=0.22和W/B=0.20時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度皆滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求。

2.4.2 砂率對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響 不同砂率對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能影響測(cè)試結(jié)果見圖16～17。

通過對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果分析可得，混凝土抗壓強(qiáng)度先是隨砂率的增大而提高，但是砂率超過46%后是隨砂率的增大而降低。砂率為46%時(shí)的28d齡期的抗壓強(qiáng)度值最大，當(dāng)砂率低于或高于46%時(shí)強(qiáng)度均有不同程度地降低，試驗(yàn)條件下對(duì)于力學(xué)性能而言，最佳砂率為46%，這與拌合物工作性試驗(yàn)結(jié)果一致。這主要是是因?yàn)樯奥蔬^低，混凝土離析，混凝土結(jié)構(gòu)不密實(shí)；隨著砂率的提高，結(jié)構(gòu)密實(shí)程度提高，抗壓強(qiáng)度隨之提高；當(dāng)砂率超過46% 時(shí)，砂率過大，粗細(xì)集料填充性變差，導(dǎo)致砂漿本身的密實(shí)程度降低，影響混凝土的整體均勻性，降低了混凝土的后期強(qiáng)度。

3.4.3 纖維摻量對(duì)自密實(shí)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響 研究了纖維摻入后不同纖維體積摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)中混凝土水膠比為0.22，砂率為46%。試驗(yàn)結(jié)果示于圖18～19。

通過對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知，纖維體積摻量為0.3%和0.6%時(shí)，自密實(shí)高強(qiáng)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為98.1、102.6 MPa，抗折強(qiáng)度分別為11.6、12.0 MPa。但是當(dāng)纖維繼續(xù)增加時(shí)纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，這是由于鋼纖維的摻量太大時(shí)導(dǎo)致自密實(shí)混凝土的工作性能變差，影響到混凝土的密實(shí)度，對(duì)結(jié)構(gòu)性態(tài)造成負(fù)面影響。

3 結(jié) 論

1）制備了拌和物工作性能基本滿足CCES 022004工作性要求的纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土，其混凝土水膠比為0.22、砂率46%，鋼纖維摻量0.30%。

2） 滿足自密實(shí)性能要求的前提下，制得的纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度滿足CF90技術(shù)要求，抗折強(qiáng)度>11.0 MPa。

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（編輯 胡 玲）