鋼纖維高性能混凝土的試驗(yàn)研究

邱振業(yè)

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司）

0 前言

鋼纖維混凝土具有易結(jié)團(tuán)或分布不均勻、坍落度損失大和澆筑容易分層等問(wèn)題。針對(duì)鋼纖維混凝土易結(jié)團(tuán)問(wèn)題，提出了鋼纖維混凝土均勻度的檢驗(yàn)手段和評(píng)價(jià)方法，此方法能較為清晰直觀地表達(dá)出鋼纖維在混凝土中的均勻程度，便于指導(dǎo)鋼纖維混凝土的性能評(píng)價(jià)。

為解決鋼纖維混凝土易成團(tuán)的難題，達(dá)到提高均勻度的目標(biāo)，首先對(duì)鋼纖維本身進(jìn)行研究分析，確定配置鋼纖維混凝土所需的鋼纖維要求；其次在礦物摻合料摻量及膠材總量、外加劑摻量等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高鋼纖維混凝土的均勻度，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)不同攪拌方式對(duì)鋼纖維混凝土均勻度的影響程度，并找出最佳的攪拌方式進(jìn)行生產(chǎn)，并通過(guò)自行研制的分樣器和離析率檢驗(yàn)器（兩項(xiàng)均獲得專利授權(quán)）來(lái)評(píng)價(jià)其均勻性。

為了解決鋼纖維混凝土坍落度損失大的問(wèn)題，主要從鋼纖維混凝土技術(shù)控制方面把握三大原則：一是選擇適宜的鋼纖維、外加劑及摻量；二是優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)；三是控制施工混凝土坍落度，采取合理的澆筑方式。

1 鋼纖維混凝土的相關(guān)理論

鋼纖維混凝土是一種新型多相復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上的單一材料，經(jīng)用物理方法經(jīng)人工復(fù)合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料通常包含一種或幾種分散相和一種連續(xù)相，分散相鑲嵌在連續(xù)相當(dāng)中。一般來(lái)說(shuō)分散相的強(qiáng)度和模量比連續(xù)相高，這種相稱為增強(qiáng)相或增強(qiáng)材料，即鋼纖維。分散相的加入往往會(huì)使復(fù)合材料的力學(xué)性能高于基體相，復(fù)合材料的性質(zhì)受組分的性質(zhì)、分布及其相互作用的影響。除了組分材料及其性質(zhì)外，組分的幾何條件（包括形狀、尺寸、分布），將影響基體與增強(qiáng)材料之間的結(jié)合力。鋼纖維混凝土中鋼纖維呈雜亂隨機(jī)分布，在三維空間上對(duì)基體將其增強(qiáng)作用。當(dāng)鋼纖維長(zhǎng)徑比減少時(shí)，纖維與周圍基體的應(yīng)力因鋼纖維的不連續(xù)發(fā)生了改變，鋼纖維對(duì)基體的增強(qiáng)效果下降，鋼纖維端部應(yīng)力和分布對(duì)鋼纖維復(fù)合材料性能的作用逐漸顯得重要。鋼纖維的拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力如圖1 所示。[1]

分析鋼纖維端部應(yīng)力分布，為了對(duì)應(yīng)力從基體向纖維傳遞方式的理論分析，根據(jù)以下函數(shù)作運(yùn)算。

式中，

εm——基本應(yīng)變；

Ef——纖維的彈性模量；

Gm——基體的彈性剪切模量；

σf(x)、τ(x)——纖維的拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力。

由式（1）、式2 可知（圖1），纖維拉應(yīng)力在其端部（x=1/2）為0，在纖維中點(diǎn)為最大；剪應(yīng)力應(yīng)在纖維端部最大，而在中點(diǎn)幾乎為0。上述結(jié)果表明，由于纖維端部某段長(zhǎng)度內(nèi)沒有承擔(dān)足夠的荷載，纖維的增強(qiáng)效果隨纖維平均長(zhǎng)度的減少而下降，這是因?yàn)槔w維總長(zhǎng)度的更大比例沒有充分承載。

圖1 鋼纖維拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力圖

因此，鋼纖維的長(zhǎng)徑比將影響其對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果，鋼纖維增強(qiáng)作用隨長(zhǎng)徑比增大而提高。

2 鋼纖維混凝土拌合物的主要工作性能評(píng)價(jià)方法

鋼纖維混凝土拌合物具備勻質(zhì)性、流動(dòng)性、粘聚性等工作性能。目前，國(guó)際上暫未有關(guān)于鋼纖維混凝土工作性能的評(píng)價(jià)方法。所以，本文主要采用坍落度和坍落擴(kuò)展度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土拌合物流動(dòng)性、保水性和粘聚性，用離析率來(lái)檢測(cè)勻質(zhì)性，從而綜合評(píng)判鋼纖維混凝土拌合物的工作性能。

2.1 坍落度和坍落擴(kuò)展度

坍落度是混凝土和易性的測(cè)定方法與指標(biāo)，坍落擴(kuò)展度是評(píng)價(jià)大流動(dòng)性混凝土拌合物工作性能的指標(biāo)，他們均是評(píng)價(jià)混凝土拌合物流動(dòng)性、保水性和粘聚性的重要指標(biāo)，具有易操作、易測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但是會(huì)受建筑物的結(jié)構(gòu)斷面、鋼筋含量、運(yùn)輸方式、振搗能力和氣候條件等的影響，存在一定的誤差。兩種方式均有各自的優(yōu)勢(shì)和缺陷，可以根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)試驗(yàn)，但是對(duì)于大流動(dòng)性的輕集料混凝土而言，可采用坍落度和擴(kuò)展度相結(jié)合的方法衡量混凝土拌合物的流動(dòng)性及稠度。另外，坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)必須嚴(yán)格按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080－2002)進(jìn)行。

2.2 勻質(zhì)性/ 離析率

鋼纖維在攪拌的過(guò)程中易結(jié)團(tuán)與分布不均勻，導(dǎo)致拌合物中鋼纖維局部聚集，基于此現(xiàn)象，我們可以利用離析率試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)混凝土的勻質(zhì)性，即通過(guò)振搗混凝土拌合物，然后通過(guò)上下層拌合物中鋼纖維質(zhì)量的差異來(lái)模擬鋼纖維在攪拌過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：我們將混凝土拌合物放入自行加工的離析率檢驗(yàn)器（如圖2 所示），離析率檢驗(yàn)器是一個(gè)直徑為250mm，高度150mm 的兩層鋼桶組成，兩層之相互連通，試驗(yàn)時(shí)，先將混凝土拌合物裝入鋼模，經(jīng)插搗后、刮平，擦干鋼模表面，稱取鋼模和混凝土總重，然后在鋼模底部放入一根直徑為20mm 的鐵棒，左右各振25 次，完成后，分別取出上、下層拌合物，用水沖刷干凈水泥砂漿，分出拌合物中的鋼纖維，烘至面干后，分別測(cè)量上下層拌合物中鋼纖維的質(zhì)量，此時(shí)，可以用離析率試模內(nèi)上、下層拌合物中粗骨料含量的差異，來(lái)表示拌合物的離析度，從而更能直觀的表示出混凝土拌合物中鋼纖維的分布情況。[6]

圖2 離析率檢驗(yàn)器

基于上述的試驗(yàn)，我們可以通過(guò)上下兩層鋼纖維的質(zhì)量之比來(lái)測(cè)算鋼纖維離析率，計(jì)算公式為：

鋼纖維的離析率=m1/m2

式中：m1、m2分別為鋼模內(nèi)上、下兩層拌合物內(nèi)鋼纖維的質(zhì)量。

從上述公式可以看出，離析率越接近1，表示拌合物的勻質(zhì)性越好，拌合物的抗分層、抗離析性能越強(qiáng)。

我們根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)過(guò)程研制了離析檢驗(yàn)器。該檢驗(yàn)器獲得國(guó)家專利，專利號(hào)為ZL2014 2 0192827.2。

3 鋼纖混凝土配合比試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原材料

鋼纖維混凝土屬于特殊混凝土，其所需要的原材料也有特殊的要求，因此需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要對(duì)原材料進(jìn)行性能試驗(yàn)，并確定要求及規(guī)格。

3.1.1 水泥

水泥的選用除了滿足規(guī)范要求外，還應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較低、性能穩(wěn)定的品種，實(shí)驗(yàn)小組經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，清遠(yuǎn)市英德海螺有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5R水泥性能較優(yōu)，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理性能

3.1.2 粉煤灰

優(yōu)質(zhì)粉煤灰在混凝土中具有活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)三大效應(yīng)，有助于改善水泥石的水化產(chǎn)物組成，提高水泥石均勻性和致密性。我們根據(jù)樣品試配對(duì)比，黃埔電廠的煤灰品質(zhì)較優(yōu)，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

3.1.3 外加劑

鋼纖維在攪拌的過(guò)程中容易吸收漿體中的水分，導(dǎo)致混凝土坍落度損失大，所以鋼纖維混凝土對(duì)外加劑的要求也較高，特別是在漿體的保水性及混凝土的坍落度保持方面，應(yīng)有較好的效果。我們通過(guò)對(duì)西卡3320C、四航和強(qiáng)達(dá)QD 等多家聚羧酸高性能減水劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得強(qiáng)達(dá)QC 高性能聚羧酸減水劑效果最好，性能優(yōu)越，因此本試驗(yàn)選用強(qiáng)達(dá)QC，其物理性能見表3。[3]

表3 外加劑的物理性能

3.1.4 細(xì)骨料

混凝土應(yīng)盡量選用顆粒級(jí)配為Ⅱ區(qū)的中砂，且含泥量≤2%，泥塊含量≤1%，另外砂中＞10mm 顆粒含量應(yīng)≤5%，因?yàn)楫?dāng)砂中＞10mm 顆粒含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致配制出的混凝土容重較大，不易滿足設(shè)計(jì)的混凝土容重要求，所以，在條件允許情況下，應(yīng)盡可能避免使用此類砂。本次試驗(yàn)選用西江河砂的物理性能見表4。

表4 砂的物理性能

3.1.5 水

鋼纖維混凝土拌和用水應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63) 的要求。本試驗(yàn)使用飲用自來(lái)水。

3.1.6 鋼纖維

鋼纖維從鋼纖維的抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、硬度、及其耐腐蝕性去進(jìn)行選材。

鋼纖維具有一定的抗拉強(qiáng)度，才能夠使鋼纖混凝土具備更好的力學(xué)性能，而鋼纖維的材質(zhì)和生產(chǎn)工藝在一定程度上影響了其抗拉強(qiáng)度，所以經(jīng)過(guò)對(duì)比，最終選擇抗拉強(qiáng)度380～800MPa 的彎鉤剪切型鋼纖維作為實(shí)驗(yàn)用料。[4]

鋼纖維混凝土往往是被拔出而破壞，而非拉斷破壞的，因此，我們的重點(diǎn)在于增強(qiáng)鋼纖維與基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度從而提升質(zhì)量，主要的方法是增加鋼纖維與基體接觸的面積以及摩擦力，包括但不限于制造不規(guī)則形狀的界面或者使鋼纖維表面粗糙化，以提高其錨固力和抗拔力。

由前面的分析可知，鋼纖維的長(zhǎng)徑比將影響纖維的端頭應(yīng)力，從而影響鋼纖維的增強(qiáng)效果。鋼纖維的長(zhǎng)度太短不起增強(qiáng)作用，相反太長(zhǎng)施工較困難，影響拌合物的質(zhì)量，容易在攪拌的過(guò)程中折斷，減弱其增強(qiáng)效果。因此，為提高其增強(qiáng)作用，鋼纖維混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制鋼纖維的長(zhǎng)徑比。本實(shí)驗(yàn)分別采用長(zhǎng)徑比為40%、60%、80%的彎鉤剪切型鋼纖維配置鋼纖維混凝土，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。從表中可看出，長(zhǎng)徑比為80%，其離析率高，且28 天試塊抗壓與抗折強(qiáng)度低。因此，為了保持鋼纖維混凝土的勻質(zhì)性和后期抗壓、抗折強(qiáng)度，鋼纖維的長(zhǎng)徑比選擇60%為宜。[2]

另一方面，鋼纖維的體積率對(duì)鋼纖維混凝土的性能也有很大影響。當(dāng)鋼纖維體積率超過(guò)2%時(shí)，拌合物的和易性變差，施工較困難，質(zhì)量難以保證。為了驗(yàn)證體積率對(duì)混凝土和易性的影響，我們做了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表5 鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)鋼纖維混凝土的影響

表6 鋼纖維體積率對(duì)混凝土性能的影響

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，使用體積率為1%混凝土性能明顯優(yōu)于體積率2%的鋼纖維混凝土，在拌合物的和易性、鋼纖維離析率方面表現(xiàn)出更好的性能。所以鋼纖維的體積率不應(yīng)大于2%。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)，初步確定配制鋼纖維混凝土對(duì)鋼纖維的性能要求，經(jīng)檢測(cè)篩選，選擇使用鋼纖維，其主要性能指標(biāo)見表7。

表7 性能指標(biāo)

3.2 配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維混凝土屬于高性能混凝土，實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格按照高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)加入摻合料、外加劑及鋼纖維，在滿足高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，獲得高抗折性、高耐久性。為獲得最佳的工作性、強(qiáng)度、耐久性，我們采用了正交試驗(yàn)，通過(guò)正交設(shè)計(jì)，制定試驗(yàn)方案，并分析結(jié)果，其效果是相當(dāng)有效。

本次正交試驗(yàn)影響因素：鋼纖維摻量、水膠比、用水量、砂率、粉煤灰摻和料；減水劑摻量。

3.2.1 影響因素的確定

⑴鋼纖維摻量

鋼纖維的摻入將在一定程度改變傳統(tǒng)混凝土內(nèi)部格局，并形成一個(gè)新界面，鋼纖維摻量將影響混凝土的攪拌及均勻性，從而影響混凝土性能。本實(shí)驗(yàn)采用六個(gè)摻量水平，分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。

⑵水膠比

水膠比是影響混凝土性能的影響因素之一。水膠比越低，混凝土越密實(shí)，越有利于提高其強(qiáng)度和耐久性，本實(shí)驗(yàn)選擇水膠比為0.30、0.34、0.38。

⑶用水量

混凝土中拌合物用水量能對(duì)混凝土的耐久性和力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用，對(duì)于高性能混凝土更是如此，所以更要控制其用水量，保證其耐久性。用水量越大，工作性會(huì)有所提高，但混凝土收縮大，還會(huì)降低混凝土強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)采用160kg/m3、170kg/m3、180kg/m3。

⑷砂率

砂率主要影響混凝土的工作性，因?yàn)樵诩尤脘摾w維后，混凝土拌合物工作性降低，所以對(duì)砂率要求有所提高。但砂率過(guò)多會(huì)影響混凝土耐久性，容易導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇30%、35%、40%。

⑸粉煤灰摻量

摻和料的摻入對(duì)于高性能混凝土而言，是必不可少。一方面能降低生產(chǎn)成本，另一方面可改善混凝土各方面性能。本實(shí)驗(yàn)選擇15%、20%、30%。

⑹減水劑

減水劑的摻入起到降低水膠比，又使混凝土獲得較高的工作性。本實(shí)驗(yàn)選擇1.0%、1.2%、1.5%三個(gè)摻量。

3.2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)所選用的因素及水平數(shù)，選用L18(6×36)，即七因素六水平和三水平的混雜水平正交表，正交試驗(yàn)方案如表8，正交試驗(yàn)混凝土配合比一覽表如表9。

3.2.3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)表10 可看出，對(duì)于鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度，其影響排序?yàn)樗z比→鋼纖維摻量→粉煤灰摻量→用水量→減水劑摻量→砂率，可見水膠比和鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大。

對(duì)于抗折強(qiáng)度，因素影響排序鋼纖維摻量→砂率→粉煤灰摻量→水膠比→用水量→外加劑摻量；鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度受鋼纖維摻量和砂率影響較大。而對(duì)于坍落度，主要受水膠比、鋼纖維摻量以及外加劑摻量的影響。

表8 正交試驗(yàn)方案

表9 正交試驗(yàn)混凝土配合比 （kg·m-3）

通過(guò)配比的驗(yàn)證試驗(yàn)，使得鋼纖維混凝土獲得最佳的抗壓、抗折強(qiáng)度、工作性能、耐久性能以及經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮各影響因素，得出本試驗(yàn)的最佳配合比，見表11。

表10 正交試驗(yàn)結(jié)果

表11 C50 鋼纖維混凝土最佳配合比 (kg·m-3)

4 攪拌方式

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，攪拌方式對(duì)混凝土的均勻度產(chǎn)生一定程度的影響，鋼纖維在常規(guī)的攪拌過(guò)程中易結(jié)團(tuán)、分布不均勻，從而降低了鋼纖維混凝土的勻質(zhì)性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程不順利，工程質(zhì)量受損。為提高鋼纖維在混凝土中的均勻度，我們采用了“三次投料離散攪拌法”進(jìn)行生產(chǎn)，首先將鋼纖維和石子干拌1min，再將砂、水和膠凝材料加入再干拌1min，最后將外加劑和部分水注入攪拌2min，總攪拌時(shí)間控制在5min 以內(nèi)，且每次的攪拌量宜在攪拌機(jī)公稱容量的1/3 以下。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，“三次投料離散攪拌法”有效提高了鋼纖維混凝土的均勻度。

5 試驗(yàn)結(jié)論

采用坍落度和坍落擴(kuò)展度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土拌合物流動(dòng)性、保水性和粘聚性，用離析率來(lái)檢測(cè)勻質(zhì)性，選用高質(zhì)量的水泥、粉煤灰、外加劑、細(xì)骨料、拌合用水、鋼纖維等材料進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，綜合上述的研究和分析，得出如下結(jié)論：⑴鋼纖維的長(zhǎng)徑比影響其對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果，鋼纖維增強(qiáng)作用隨長(zhǎng)徑比增大而提高。

⑵對(duì)于鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度，其影響排序?yàn)樗z比→鋼纖維摻量→粉煤灰摻量→用水量→減水劑摻量→砂率，即水膠比和鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大。

⑶對(duì)于抗折強(qiáng)度，其影響排序鋼纖維摻量→砂率→粉煤灰摻量→水膠比→用水量→外加劑摻量；鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度受鋼纖維摻量和砂率影響較大。而對(duì)于坍落度，主要受水膠比、鋼纖維摻量以及外加劑摻量的影響。

⑷“三次投料離散攪拌法”有效提高了鋼纖維混凝土的均勻度。