C50鋼纖維混凝土試驗研究

張盛，許珊珊，吳帥，盧傳泰

（江蘇誠意工程技術研究院，江蘇 徐州 221131）

C50鋼纖維混凝土試驗研究

張盛，許珊珊，吳帥，盧傳泰

（江蘇誠意工程技術研究院，江蘇 徐州 221131）

為配制徐州市某重點高架工程 C50 鋼纖維混凝土，采用正交試驗方法研究不同水膠比、摻合料摻量、鋼纖維體積率及砂率對混凝土力學性能的影響。在正交試驗得出的最優配合比參數下進行鋼纖維摻量優化，得到滿足工程設計要求的配合比。研究結果表明：鋼纖維摻量從 0～100kg/m3，混凝土坍落度變化不大，擴展度逐漸降低，抗壓強度略微增長，劈拉和抗折強度明顯提高；水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維摻量 40kg/m3、砂率38% 時，C50 鋼纖維混凝土各項性能指標滿足工程設計及規范要求。

鋼纖維；正交試驗；力學性能

0 前言

鋼纖維混凝土優良的抗彎拉、抗疲勞、抗沖擊以及耐磨耗、韌性高等性能受到國內外工程界的重視，已被廣泛應用于公路路面、橋面、工業建筑地面、交通隧道等工程[1]。近年來，國內外學者和工程技術人員對鋼纖維混凝土及其結構的受力性能進行了大量研究：Semsi Yaz?c?[2]和 Shan L[3]的研究結果均表明，一定條件下，鋼纖維的摻量越大，抗壓強度增長幅度越大，而 Khaloo A R 和 Kim N[4]的研究結果沒有發現鋼纖維對不同強度等級混凝土抗壓強度的影響規律；國內學者[5-7]的研究結果表明，鋼纖維對混凝土抗壓強度的提高幅度并不顯著，而有文獻[8,9]的研究結果表明，鋼纖維混凝土的抗壓強度大體上隨纖維摻量的增加而增加，呈線性增長趨勢，且鋼纖維對高強混凝土的增強幅度高于普通強度混凝土；文獻研究結果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的劈拉強度也隨之增大。綜上所述，國內外學者針對各因素對鋼纖維混凝土力學性能的影響研究結果不盡相同。

高架工程建設是城市構建現代化城市交通體系的重要部分，2017 年我集團商品混凝土分公司開始承接徐州市某重點高架工程，其中主線橋和匝道的伸縮縫、橋面鋪裝等均涉及 C50 鋼纖維混凝土，抗折要求≥6.0MPa。本課題通過正交試驗方法，研究了不同水膠比、摻合料摻量、鋼纖維體積率和砂率對混凝土力學性能的影響，得出最優配合比參數，結合高架工程設計要求對鋼纖維摻量進一步優化，得出符合工程設計及規范要求的配合比。

1 試驗原材料

（1）水泥：江蘇誠意 P·O42.5 級水泥，水泥各項技術指標滿足現行國家標準 GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的質量要求。

（2）粉煤灰：華潤電力 F 類 I 級粉煤灰，粉煤灰各項技術指標滿足現行國家標準 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的質量要求。

（3）礦粉：中誠建材 S95 級礦粉，礦粉各項技術指標滿足現行國家標準 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》的質量要求。

（4）細集料：江砂，細度模數 2.6，含泥量1.1%。砂各項性能指標符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的要求。

（5）粗集料：徐州明陽生產的 5～31.5mm 連續級配碎石，壓碎值為 8.1%，表觀密度為 2710kg/m3，其余各項性能均符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的要求。

（6）外加劑：徐州鑄建科技 ZJ-I 泵送減水劑，其性能指標見表 1。

表 1 泵送減水劑性能指標

（7）鋼纖維：上海研鉑實業有限公司生產的鋼錠銑削型鋼纖維，如圖 1 所示，根據 CECS 13∶2009《纖維混凝土試驗方法標準》要求進行相關性能檢測，性能檢測結果見表 2。

圖 1 試驗所用鋼纖維

表 2 鋼纖維性能檢測結果

2 正交試驗

2.1 試驗影響因素選擇

正交試驗法是一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法，正交試驗中的因素是指可能對試驗指標產生影響的原因，水平就是因素在試驗中所處的狀態和條件。為弄清不同鋼纖維摻量、不同水膠比、不同摻合料摻量（礦粉與粉煤灰 1∶1 摻入）以及不同砂率對混凝土力學性能的影響規律，本次試驗指標以不同齡期（7d、28d）抗壓強度和抗折強度兩方面為主、劈拉強度方面為輔進行研究分析，從而獲得滿足要求的最佳配合比。根據選擇的因素及水平，制作因素水平表如表 3 所示。由于特殊原因，不能將全配合比給出。

表 3 因素—水平表

2.2 試驗方法及結果

混凝土抗壓、劈拉試驗成型采用 150mm×150mm×150mm 的立方體試件，混凝土抗折試驗成型采用100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件。

各組混凝土試件經標準養護 7d 和 28d 后，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土力學性能檢測。正交試驗法檢測結果如表 4 所示。

表 4 正交試驗法檢測結果

2.3 正交試驗法結果分析

通過表 4 正交試驗結果進行極差分析，分析結果如表 5 所示。

根據極差 R 大小可以看出：（1）各因素對 7d 抗壓強度的影響大小為：A＞B＞D＞C；各因素對 28d 抗壓強度的影響大小為：A＞D＞C＞B。（2）各因素對 7d劈拉強度的影響大小為：D＞B＞C＞A；各因素對 28d劈拉強度的影響大小為：D＞A＞C＞B。（3）各因素對 7d 抗折強度的影響大小為：B＞D＞C＞A；各因素對 28d 抗折強度的影響大小為：B＞D＞C＞A。

水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維體積率1.5%、砂率 38% 時，C50 鋼纖維混凝土 28d 力學性能表現優異且均符合工程設計及規范要求，因而本次正交試驗的最優配合比為 A1B2C1D3。

為進一步研究各項力學性能指標隨鋼纖維體積率的變化趨勢，以因素水平為橫坐標，Ki的平均值為縱坐標，畫出趨勢圖，如圖 2～4 所示。

表 5 正交試驗的極差分析

圖 2 各因素與抗壓強度關系圖

圖 3 各因素與劈拉強度關系圖

圖 4 各因素與抗折強度關系圖

在圖 2～4 中，隨著鋼纖維體積率的增加，抗壓強度、劈拉強度、抗折強度均表現出增加的趨勢。鋼纖維體積率摻量 1% 相對 0.5% 摻量的混凝土抗折強度沒有明顯的提高，平均在 7.1MPa，當鋼纖維體積率摻量達到 1.5% 以后，混凝土抗折強度明顯上升很多，達到7.9MPa。從上述圖中也可以較直觀地看出：四因素水平下，以 A1B2C1D3 為最優組合。

2.4 鋼纖維摻量優化

徐州迎賓高架重點工程設計抗折強度≥6.0MPa，根據 JG/T 472—2015《鋼纖維混凝土》規范要求，抗折強度應按 1.15 倍設計值配制，即抗折強度≥6.9MPa。通過正交試驗分析結果圖 4 中可知鋼纖維體積率摻量為 0.5%（約40kg/m3）和 1.0%（約 80kg/m3）時混凝土的 28d 抗折強度相近，均在 7.1MPa 左右，符合工程設計和規范要求。實際生產過程中鋼纖維摻量最終要量化，結合工程實際成本要求，需要對鋼纖維摻量進一步優化分析。設計 C50 鋼纖維混凝土容重 2450kg/m3，C50 基準配合比參數如表 6 所示。鋼纖維摻量從 10～100kg/m3，每個配合比鋼纖維質量相差 10kg，合計 11 個配合比。按照規范要求試驗檢測結果如表 7 所示，并根據檢測結果進行混凝土工作性能、力學性能的分析。

表 6 C50 混凝土配合比

表 7 鋼纖維摻量優化檢測結果

2.4.1 工作性能分析

根據表 7 可知，C50 鋼纖維混凝土隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的坍落度變化不大，但擴展度逐漸降低，100kg/m3摻量以內 C50 鋼纖維混凝土初始狀態均能滿足泵送要求。

2.4.2 抗壓強度分析

如圖 5 所示，隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土7d、28d 抗壓強度逐漸增長，相對比基準混凝土摻鋼纖維混凝土 7d、28d 抗壓強度平均分別提高 3%、5%，混凝土抗壓強度均符合規范要求；相比基準混凝土鋼纖維摻量 90kg/m3時混凝土抗壓強度最高，達到 69.8MPa，提升了 14%。

圖 5 C50 鋼纖維混凝土 7d、28d 抗壓強度

2.4.3 劈拉強度分析

如圖 6 所示，隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的 7d、28d 劈拉強度逐漸增長，摻鋼纖維混凝土 7d、28d 劈拉強度相對基準混凝土平均分別提升 14.2% 和14.1%；相比基準混凝土鋼纖維摻量在 100kg/m3時混凝土劈拉強度最高，達到 5.52MPa，提升了 24.6%；按照Romuldi 理論[13]，將鋼纖維摻入混凝土后，粘結應力分布于裂紋端部的鋼纖維附近，阻止了裂縫的擴展，從而提高了混凝土的抗裂能力，使混凝土劈拉強度有所增大，且隨鋼纖維含量的增加而增加。

圖 6 C50 鋼纖維混凝土 7d、28d 劈拉強度

2.4.4 抗折強度分析

如圖 7 所示，隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的 7d、28d 抗折強度逐漸提高，摻鋼纖維混凝土 7d、28d 抗折強度相對基準混凝土平均分別提升 21.2% 和23%。由于普通 C50 混凝土強度相對較高、內部結構密實，所以在未摻鋼纖維的情況下，28d 抗折強度已達到高架工程設計要求 6.0MPa，但不符合規范設計要求。當鋼纖維摻量在 40kg/m3以上時，混凝土抗折強度均高于 6.9MPa，符合工程設計及規范要求。相比基準混凝土鋼纖維摻量在 100kg/m3時混凝土抗折強度最高，達到 7.7MPa，提升了 36.7%。

圖 7 C50 鋼纖維混凝土 7d、28d 抗折強度

2.5 確定最終配合比及其性能檢測結果

通過正交試驗及鋼纖維摻量優化結果，兼顧混凝土的工作性能、力學性能及成本因素，經過多次試驗驗證及調整后 C50 鋼纖維混凝土最終配合比方案如表 8 所示，其性能檢測結果如表 9 所示。

表 8 最終配合比

表 9 混凝土拌合物性能試驗結果

3 結論

（1）在設定的參數范圍內，通過正交試驗結果得出，水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維（等效直徑1.44mm、長徑比 22.2）體積率 1.5%、砂率 38% 時，可使 C50 鋼纖維混凝土抗壓強度、劈拉強度和抗折強度達到最大。

（2）隨著鋼纖維摻量（100kg/m3以內）的提高，C50 鋼纖維混凝土坍落度變化不大，但擴展度逐漸降低，這是由于鋼纖維阻礙了混凝土中骨料的移動；隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土抗壓強度略微增長，混凝土的劈拉、抗折強度整體逐漸提高。

（3）通過正交試驗及鋼纖維摻量優化結果，配制出的徐州市某重點高架工程 C50 鋼纖維混凝土配合比為水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維摻量40kg/m3、砂率 38%，混凝土各項性能指標均符合要求，因此上述配合比方案可行。

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Study on C50 steel fiber reinforced concrete

Zhang Sheng, Xu Shanshan, Wu Shuai, Lu Chuantai
(Jiangsu Institute of Engineering Technology, Xuzhou 221131)

In order to prepare C50 steel fiber reinforced concrete for an important elevated project in Xuzhou, the influence of different water cement ratio, admixture content, steel fiber volume fraction and sand ratio on mechanical properties of concrete were studied by orthogonal test. The optimum ratio of steel fiber was obtained by orthogonal test, and the ratio of steel fiber was optimized to meet the requirement of Engineering design. The results showed that the content of steel fiber concrete slump degree from 0～100kg/m3, little change, expansion degree decreased gradually, the compressive strength increased slightly, tensile and flexural strength increased; water cement ratio 0.32, admixture 30%, the content of steel fiber 40kg/m3, sand ratio 38%, and design specification of C50 steel fiber concrete performance indexes meet the requirements of the project.

steel fiber; orthogonal test; mechanical properties

張盛（1985—），男，在職碩士，工程師。現供職于交通部專家付智博士為首的技術工作團隊江蘇誠意工程技術研究院，擔任混凝土科研中心主任。

［通訊地址］江蘇省徐州市經濟開發區大黃山村 江蘇誠意工程技術研究院（221131）