鋼纖維自密實高強混凝土的制備技術

王 沖，林鴻斌，楊長輝，葉建雄，白 光

（重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400045）

近年來隨著結構工程的高層化和大跨化發展，以及嚴酷使用環境對混凝土性能要求越來越高，建設工程領域對高強超高強混凝土的需求日益強烈。不過，由于高強超高強混凝土的脆性較大，限制了其在工程中的廣泛應用。現有工程多用鋼管復合高強超高強混凝土以改善其脆性［1－4］，而較少采用傳統的鋼筋約束高強混凝土結構形式。諸多研究表明［5－8］，可通過在高強超高強混凝土中摻加纖維以降低混凝土的脆性，從而可進一步與鋼筋復合。不過，制備高強超高強混凝土時水膠比較低，獲得良好拌和物流動性相對不易，若進一步摻入纖維，勢必嚴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混凝土是鋼筋復合高強混凝土的關鍵技術。

此外，城市建設中混凝土工程施工也面臨著越來越多的問題，比如：噪音污染嚴重、工程進度慢、復雜結構澆筑困難等，這也是自密實混凝土發展的原因之一。

利用纖維增韌技術制備纖維自密實混凝土的國內外相關成果較多［9－12］，不過，將纖維混凝土、高強混凝土與自密實混凝土三種技術融合在一起，制備纖維自密實高強混凝土的技術難度很大。高強混凝土的技術特點是水膠比低，與混凝土的自密實性能要求矛盾，纖維的摻入，更導致混凝土自密實性能難以滿足，且這些問題隨著混凝土強度的增加而加劇。彭明祥［13］已將C60鋼纖維自密實高強混凝土成功應用于中央電視臺新臺址的建設，但針對強度等級更高的纖維自密實混凝土的制備技術的研究在國內尚屬空白，而國外已有抗壓強度為100MPa的纖維復合超高強自密實混凝土的研究報道［14］。本研究的目的，是研究抗壓強度滿足CF90技術要求，抗折強度≥11.0MPa的纖維自密實高強混凝土制備技術。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

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

粗集料為歌樂山石灰石碎石，試驗中將粒徑5～10mm和粒徑10～20mm各按50%混合使用。細集料采用岳陽產中砂，含泥量1.4%，細度模數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量百分比摻入。

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

圖1 微鋼纖維形貌

表1 膠凝材料的化學成分%

1.2 試驗方法

1.2.1 鋼纖維自密實混凝土拌合物性能試驗 試驗按照中國土木工程學會標準《自密實混凝土設計與施工指南》（CCES02—2004）要求的方法進行。測試指標包括：坍落擴展度、T500流動時間、L形儀指標、U形儀指標試驗。各指標見下表2。

表2 自密實混凝土拌合物工作性檢測方法與指標要求［15］

1.2.2 鋼纖維自密實混凝土力學性能試驗 混凝土的抗壓強度與抗折強度試驗按照中華人民共和國國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB／T50081－2002）進行。

2 鋼纖維自密實混凝土制備技術及工作性評價

2.1 自密實混凝土配合比

通過大量試驗與配合比調整，自密實混凝土配合比試驗配合比如表3所示。

表3 自密實混凝土配合比試驗配合比

2.2 自密實混凝土工作性能測試

根據試驗室的設備條件，試驗主要采用坍落擴展度試驗、T500、U型儀及L型儀這幾種檢測方法來對自密實混凝土的工作性能進行評價。

2.2.1 水膠比對自密實高強混凝土拌合物性能的影響 試驗測試了水膠比分別為0.20、0.22及0.24時混凝土的拌和物自密實性能，試驗結果如圖2～5所示。

圖2 不同水膠比條件下坍落擴展度試驗結果

圖3 不同水膠比條件下T500試驗結果

圖4 不同水膠比條件下U型儀試驗結果

圖5 不同水膠比條件下L型儀試驗結果

對試驗結果分析可知，水膠比對自密實高強混凝土的工作性能影響較大。水膠比為0.20時，坍落擴展度、T500、U型儀及L型儀等指標明顯比水膠比較高時差。W／B＝0.24時，T500較小，坍落擴展度也較大，但是U型儀與L型儀試驗效果不佳。W／B＝0.22時工作性最好。這是因為水膠比過小，自密實混凝土拌合物粘度增大，導致混凝土流動性、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，但拌合物出現離析與泌水，混凝土的抗離析性下降。導致拌合物工作性能變差。

2.2.2 砂率對自密實高強混凝土拌合物性能的影響 針對砂率分別為44%、46%、48%及50%等4種不同砂率進行了試驗。試驗結果如圖6～9。

對以上試驗結果分析可得，砂率44%時，自密實混凝土的坍落擴展度、U型儀及L型儀試驗效果都很差，但是T500時間卻是很短，這是因為砂率過低時，會造成自密實混凝土粗集料跟砂漿分離，盡管砂漿流動較快，但是自密實混凝土整體性能較差。砂率46%時，混凝土自密實混凝土坍落擴展度、T500、U型儀及L型儀試驗效果都是最佳，表明其流動性、粘聚性等各方面的指標綜合最佳。砂率超過46%以后，隨著砂率的增加，自密實混凝土的坍落擴展度、T500、U型儀及L型儀測試值越來越差，因為隨著砂率的增加，混凝土粘聚性雖然增大，但流動性切也越來越差。

圖6 不同砂率條件下坍落擴展度試驗結果

圖7 不同砂率條件下T500試驗結果

圖8 不同砂率條件下U型儀試驗結果

圖9 不同砂率條件下L型儀試驗結果

2.2.3 纖維摻量對自密實高強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在一定程度影響到自密實混凝土的工作性能，根據多次試驗，確定0.30%、0.60%及0.90%3種不同摻量進行試驗，試驗中，將不同摻量纖維摻入到水膠比0.22，砂率為46%的混凝土中，測試了纖維摻量對自密實混凝土拌合物性能的影響規律。試驗結果見圖10～13。

圖10 不同纖維摻量下坍落擴展度試驗結果

圖11 不同纖維摻量條件下T500試驗結果

圖12 不同纖維摻量下U型儀試驗結果

圖13 不同纖維摻量下L型儀試驗結果

對以上結果進行分析可得，摻入鋼纖維后，纖維摻量0.3%時，混凝土拌合物滿足自密實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展度、T500、U型儀及L型儀試驗測試值都變差，混凝土不能滿足自密實性能要求。

2.4 鋼纖維自密實混凝土力學性能研究

2.4.1 水膠比對自密實高強混凝土力學性能的影響 試驗分別對比了0.20、0.22及0.24等3種不同的水膠比進行力學性能試驗，分析水膠比對自密實高強混凝土力學性能的影響。試驗結果示于圖14～15。

圖14 不同水膠比條件下混凝土抗壓強度

圖15 不同水膠比條件下混凝土28d抗折強度

圖14 與圖15結果顯示，隨著水膠比的降低，自密實高強混凝土的抗壓強度及抗折強度都呈增長趨勢。W／B＝0.22的混凝土28d抗壓強度比W／B＝0.20的降低4.2%，抗折強度降低1.8%，W／B＝0.24時相比于W／B＝0.20抗壓強度和抗折強度分別降低13.5%和7.0%。因此，選擇合適的水膠比對自密實混凝土的配制相當重要。試驗結果表明，W／B＝0.22和W／B＝0.20時混凝土抗壓強度和抗折強度皆滿足試驗目標要求。

2.4.2 砂率對自密實高強混凝土力學性能的影響

不同砂率對自密實高強混凝土的力學性能影響測試結果見圖16～17。

通過對以上試驗結果分析可得，混凝土抗壓強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%時的28d齡期的抗壓強度值最大，當砂率低于或高于46%時強度均有不同程度地降低，試驗條件下對于力學性能而言，最佳砂率為46%，這與拌合物工作性試驗結果一致。這主要是是因為砂率過低，混凝土離析，混凝土結構不密實；隨著砂率的提高，結構密實程度提高，抗壓強度隨之提高；當砂率超過46% 時，砂率過大，粗細集料填充性變差，導致砂漿本身的密實程度降低，影響混凝土的整體均勻性，降低了混凝土的后期強度。

圖16 不同砂率條件下混凝土抗壓強度

圖17 不同砂率條件下混凝土28d抗折強度

3.4.3 纖維摻量對自密實高強混凝土力學性能的影響 研究了纖維摻入后不同纖維體積摻量對混凝土力學性能的影響，試驗中混凝土水膠比為0.22，砂率為46%。試驗結果示于圖18～19。

圖18 不同纖維摻量下混凝土抗壓強度

通過對以上試驗結果分析可知，纖維體積摻量為0.3%和0.6%時，自密實高強混凝土28d抗壓強度分別為98.1、102.6MPa，抗折強度分別為11.6、12.0MPa。但是當纖維繼續增加時纖維自密實高強混凝土的抗壓強度及抗折強度呈下降趨勢，這是由于鋼纖維的摻量太大時導致自密實混凝土的工作性能變差，影響到混凝土的密實度，對結構性態造成負面影響。

圖19 不同纖維摻量下混凝土28d抗折強度

3 結 論

1）制備了拌和物工作性能基本滿足CCES 02－2004工作性要求的纖維自密實高強混凝土，其混凝土水膠比為0.22、砂率46%，鋼纖維摻量0.30%。

2）滿足自密實性能要求的前提下，制得的纖維自密實高強混凝土抗壓強度滿足CF90技術要求，抗折強度＞11.0MPa。

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