山砂鋼纖維混凝土的設計與應用

【摘 要】本文主要介紹了國內首次使用山砂進行鋼纖維混凝土的選材、拌制、澆筑與檢驗的全部過程，通過對考察鋼纖維在混凝土中的分布狀況、利用山砂中所固有的石粉對混凝土和易性的正面影響、設計合理的攪拌和澆筑流程，成功使用山砂來配制鋼纖維混凝土來完成了貴州省畢節地區倒天河整治一號路大橋的施工，拓展了鋼纖維混凝土的配料范圍，可供其它類似工程施工作參考。

【關鍵詞】山砂 鋼纖維混凝土 設計 應用

1 前言

鋼纖維混凝土或纖維混凝土，是一種滿足于特殊需求的建筑材料，常用于具有抗腐蝕、抗震動、高耐久性、高疲勞性等部位。如大跨度橋梁、承重型地面、大壩、鐵道預制結構、特殊工藝處理結構等，對于材料的選擇具有極其嚴格的要求，也造成了其工程成本相對較大，有時可能為了達到工藝或質量要求，不得不采取特殊措施來滿足，致使工程成本成倍增加。其中，《纖維混凝土結構技術規程》（CECS38-2004）第14.2.2條明確規定：配置鋼纖維高強混凝土宜選用質地堅硬、級配良好的河沙，其細度模數不宜小于2.4，以確保其工作性能和和易性。山砂與河沙比較，具有級配較差，細度模數偏高，粉塵含量超標等眾多不足，對混凝土施工質量具有很大影響，尤其是橋梁的重點部位可能帶來諸多風險。

雖然因纖維混凝土所處環境的特殊性，在整個工程行業中使用量并不大。但針對單項工程來說，單一材料的挑剔意味著在建設方不得不大幅增加工程投資。

2 工程背景

畢節市倒天河綜合治理三期工程一號路大橋為梁拱組合橋。大橋長467m，寬34m，橋面高35m，采用2×37m+88m +180m+88m+25m=455m的連續剛架鋼管混凝土梁拱組合橋，中間3跨為鋼管混凝土系桿拱與預應力混凝土V型剛構組合而成的飛雁式拱橋（詳見圖1）。為了延長橋梁使用壽命，防止鋼混結合面開裂，增強結構抗沖擊和耐磨性能，大橋主拱及邊拱拱腳預埋段設計均采用C50鋼纖維混凝土，設計工程量為2800m3。

在貴州地區，天然河砂資源的嚴重匱乏，要嚴格按照規范要求配制纖維混凝土混凝土，必須要進行長距離采購。根據實際測算，采用從湖南或廣西采購優質河砂，采購成本約需500元/m3，加上運輸損耗等，比使用當地山砂每立方增加成本435元。鋼纖維混凝土需砂總量為1634m3，需多投入成本約80萬元。

為了合理利用資源，節約工程投資，降低工程成本，縮短工程工期，對以山砂代替河砂配制纖維混凝土進行了設計研制。

3 工程難題

鋼纖維高強混凝土，其特點是高強混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。對于混凝土這樣的脆性材料，由于其內部的水泥漿——細骨料界面區、砂漿——粗骨料界面區薄弱環節的存在，盡管各組分材料都有較高的抗拉強度，但容易發生斷裂破壞，宏觀抗拉強度很低。加入亂向分布鋼纖維能較好地跨越裂縫兩邊，使鋼纖維與裂縫兩邊間混凝土產生粘結應力，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。但鋼纖維的加入也降低了混凝土的和易性，從而對混凝土本身的和易性和工作性要求比普通混凝土更高。

采用山砂與河砂的根本區別在于優質河砂可以較好地控制含泥量，以河砂的清潔度確保混凝土的質量及其良好的工作性。有人研究了機制砂中小于0.08mm石粉對混凝土拌和物性能的影響，認為石粉是一種惰性摻和料，顆粒細小，補充了混凝土中缺少的細顆粒，增大了固體表面積對水體積的比例，從而減少了泌水和離析，而且石粉能和水泥及水形成柔軟的漿體，增加了混凝土的漿量，從而改善了混凝土的和易性。在用去除石粉的山砂拌制的混凝土，其保水性與和易性反倒變差。當石粉所占比例在10%以下時，對于混凝土的和易性和強度影響不大。在低強度混凝土中，石粉對于混凝土甚至有增強作用。

陳家瓏的研究也表明：石粉中70%顆粒分布集中在16um以上，平均粒徑為36.9um.該石粉的粒度分布，不但不會阻礙水泥與骨料的結合，還填補了混凝土骨料之間的空隙，在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性，改善了離析泌水現象，使得混凝土易于成型振搗，改善了混凝土工作性。

因此，只要合理控制山砂石粉含量，用山砂替代河砂進行鋼纖維混凝土具有較好的可行性。

4 試驗方法

4.1材料選用

（1）采用貴州大方永貴建材水泥廠的普通硅酸鹽水泥。有產品合格證、出廠檢驗報告，符合《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB50204-2002的要求，強度等級52.5MPa，進場復驗合格。

（2）采用畢節松圣采石場生產的山砂。質量指標符合貴州省地方標準《山砂混凝土技術規程》DB24/016-2010要求，細度模數小于3.3，粉塵含量8.1%，現場遮蓋保存。

（3）采用畢節松圣采石場生產的碎石。公稱粒徑為5～25mm級配均勻。最大粒徑26.5mm，含泥量≤1%，符合國家現行標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ52-2006）的規定。

（4）拌制砼的水質符合國家現行標準JGJ63-2006《混凝土拌合用水標準》。

（5）鋼纖維采用冷拉端鉤型鋼纖維（詳見圖2），分散均勻，避免攪拌和施工過程中鋼纖維結團，鋼纖維的抗拉強度標準值700MPa。

（6）粉煤灰采用四川瀘州地博牌優質II級粉煤灰。其質量符合現行國家標準GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》等的規定，優質粉煤灰具有物理減水作用且增加和易性，摻入后對混凝土也有增強作用，有利于控制混凝土裂縫。

（7）外加劑采用四川吉龍牌高效復合減水劑，其質量符合國家現行標準《混凝土外加劑》（GB8076-2008）、《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119-2011）、《混凝土泵送劑》和《預拌混凝土》的有關規定。

4.2配合比設計

本工程采用試驗-計算法進行配合比設計，在保證結構設計強度要求及施工可行性前提下，適度控制成本，選取最優設計配合比，具體步驟如下：

（1）根據結構設計強度標準值及施工配置強度的提高系數，確定試配抗壓強度與抗拉強度；

（2）根據試配抗壓強度計算水灰比；

（3）根據試配抗拉強度的要求，計算或通過已有資料確定鋼纖維體積率；

（4）根據施工要求的稠度通過試驗或已有資料確定單位體積用水量，考慮外加劑的影響；

（5）通過試驗或有關資料確定合理的砂率；

（6）按絕對體積法或假定質量密度法計算材料用量，確定試配配合比；

（7）按試配配合比進行拌合物性能試驗，調整單位體積用水量和砂率，確定強度試驗用基準配合比；詳見表1.

（8）根據強度試驗結果調整水灰比和鋼纖維體積率，確定施工配合比。

其中： 配置山砂高強混凝土時，水灰比不大于0.45。配合比設計較普通鋼纖維混凝土塌落度適當放大，以滿足泵送施工條件。實際選取的配合比為：

實際試配抗壓強度為59.9MPa，抗拉強度為4.0MPa。設計理論配合比為水泥：水：山砂：碎石=1：0.4：2.28：2.47。（詳見表1）

4.3混凝土施工

4.3.1攪拌

攪拌山砂鋼纖維混凝土的各材料重量，按施工配合比設計準確計量，其稱量偏差控制在表2規定的范圍內。

（1）為了保證鋼纖維在混凝土中均勻分布，防止產生鋼纖維結團、鋼纖維產生彎曲或折斷、攪拌機因超負荷而停止運轉，出料口堵塞等現象，嚴格設計原料添加程序和攪拌程序。

（2）先將鋼纖維、水泥、摻合料、粗骨料、山砂均勻干拌，干拌時間不小于2分鐘。若干拌不能達到鋼纖維均勻分散時，增加干拌時間，減少一次拌合數量。干拌均勻后再加水、外加劑濕拌。濕拌時間不小于90秒。

（3）鋼纖維在投料前進行分散處理，并設置鋼纖維專用進料口，均勻、緩慢投入。

4.3.2運輸、澆筑與養護

（1）采用混凝土罐車運輸，運輸過程中均勻、連續轉動，運輸時間與澆筑時間累計不超過30分鐘。

（2）泵送混凝土連續不間斷地、均衡地供應，保證混凝土泵送施工順利進行。

（3）施工采用機械振搗，除保證混凝土密實外，確保鋼纖維均勻分布。

（4）采用與普通混凝土相同的養護方法，養護時間14天。

4.4質量檢驗

（1）按國家現行有關混凝土結構工程施工與質量驗收規范進行。

（2）檢驗鋼纖維混凝土的軸心抗拉強度時，采用劈裂法試驗，將其強度系數乘以0.85后換算成軸心抗拉強度。

（3）實測平均抗拉強度為4.45MPa，達到設計強度的125%；實測平均抗壓強度為61.3MPa，達到設計強度的122.6%。

5 結語

通過為期3個月的山砂鋼纖維高強混凝土泵送技術研究，2013年11月11日，正式開始投入施工，首次順利完成3號墩三角剛架4個拱腳預埋段C50山砂鋼纖維高強混凝土澆筑。

其后依次完成2號墩2個拱腳預埋段，4號墩三角剛架4個拱腳預埋段和5號墩拱腳預埋段C50山砂鋼纖維高強混凝土施工。

施工過程中按照經多次試驗優選的施工配合比和施工工藝并嚴格按照規范規程要求有序進行，混凝土試件28d強度普遍達到60Mpa以上，實體外觀質量良好，混凝土的力學性能、結構性能和表觀質量都達到了設計及規范要求，質量一次性驗收合格。

經過對可行性分析、原材料的合理選用、攪拌方法及過程的嚴格控制，重點控制鋼纖維在攪拌與澆筑過程中的投入、分散等因素，本工程實現了山砂鋼纖維混凝土的正常澆筑。

6 探討

（1）山砂中粉末含量對結構耐久性的影響還沒有數據可供參考。在加入鋼纖維后的耐久性如何評判需要更長時間的考察和研究。

（1）根據前人研究，山砂中的粉末在混凝土中主要呈惰性填充作用，但也會發生少量堿集料反應。在加入鋼纖維后，粉末與鋼纖維之間的作用機理需要進一步研究。

（1）本工程結構斷面尺寸較大，澆筑時的難度較小。在小尺寸結構中的澆筑情況有待進一步探討。

參考文獻：

[1]《機制砂對高強混凝土體積穩定性的影響》.武漢理工大學學報，2007年10期.

作者簡介：席利萍（1975—），女，本科，重慶大學，土木工程專業，工程師。