透水框架自密實鋼纖維混凝土制備試驗研究

耿海彬 廖一鳴 馮蒙 李曉克

摘要：針對傳統護岸固腳結構物——四面六邊透水框架的端部鋼筋易腐蝕問題，采用自密實鋼纖維混凝土取代現有普通混凝土，并取消框架內部鋼筋，進行了透水框架自密實鋼纖維混凝土制備試驗研究。采用工程現場原材料，通過基體自密實混凝土配合比設計與試驗，確定了水膠比計算公式中系數的取值，得到了預測早齡期不同混凝土強度水膠比的計算公式;然后采用配合比直接計算方法，確定了鋼纖維體積率分別為0.4%，0.8%和1.2%的C25自密實鋼纖維混凝土的配合比，試驗測定了拌和物工作性能和養護齡期為7，28 d的抗壓強度。采用整體成型技術進行了四面六邊自密實鋼纖維混凝土透水框架試制生產，驗證了該技術的實用性和可靠性。

關 鍵 詞：四面六邊透水框架;自密實鋼纖維混凝土;制備技術;配合比;抗壓強度;工作性能

中圖法分類號：TV431

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0198-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.032

0 引 言

作為一種具有消能、防沖促淤功能的護岸固腳結構物，四面六邊透水框架在我國江河生態航道建設工程中得到了廣泛應用[1-3]，在對已建護灘帶邊緣沖刷破壞部位修復和維護、丁壩壩頭護底排邊緣的防護、促進淤積和鞏固灘體等方面發揮了重要作用[2-4]。四面六邊透水框架是由6根長度相等的預制鋼筋混凝土桿件相互連接，組成一個三棱錐式的四面體結構。每根桿件截面尺寸為100 mm×100 mm，長度一般為600～1 000 mm，中間配置1根直徑10 mm的鋼筋，兩端各預留長150 mm的鋼筋。3個桿件為一組通過端部鋼筋焊接或綁扎而成的三角錐體結構[4-5]。實際工程應用中發現，端部鋼筋外露易受腐蝕而失去連接作用，降低了透水框架的使用年限。因此通過制作工藝改進，研制了一次焊接鋼筋骨架并澆筑混凝土成型的整體式透水框架[3，6]。整體式透水框架采用組合式鋼模板，但由于澆筑混凝土需要振搗成型，因而容易產生漏漿、不密實、桿件裂縫等現象，同時鋼筋骨架焊接和定位增加了施工的復雜程度，降低了生產效率[3，7]。

為解決上述問題，筆者基于自密實鋼纖維混凝土具有的自密實成型和增強增韌作用機理[8-12]，提出了以自密實鋼纖維混凝土取代傳統普通混凝土和取消內部鋼筋，實現一次性整體澆筑成型的技術方案。為此，本文根據工程需要，開展了透水框架自密實鋼纖維混凝土制備技術試驗研究，并進行了四面六邊自密實鋼纖維混凝土透水框架試制工作。

1 自密實混凝土的制備

1.1 原材料

水泥為P.P.32.5火山灰質硅酸鹽水泥，礦物摻和料為Ⅱ級粉煤灰，其物理性能指標見表1～2。細骨料為天然河砂，粗骨料為粒徑5～10 mm的碎石，其物理性能指標見表3，級配曲線見圖1。減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為30%。拌和水為自來水。

1.2 水泥粉煤灰膠砂強度

為了確定粉煤灰合理摻量，進行了不同粉煤灰摻量（0，10%，20%，30%）的水泥膠砂強度試驗。測得的抗折強度和抗壓強度見表4。當粉煤灰摻量為10%時，抗折強度和抗壓強度均有所提升，其中3，28 d抗折強度分別提升了11.6%和3.0%，3d、28d抗壓強度分別提升了12.6%和22.4%，這主要是由于粉煤灰摻量比較少，一方面促進了水泥熟料的水化，另外一方面由于粉煤灰的填充效應，增加了混凝土的密實程度，從而提高了混凝土的強度。但當粉煤灰摻量增加到20%和30%時，抗折強度和抗壓強度均下降。考慮到自密實混凝土強度等級按C25設計，粉煤灰摻量為30%時水泥膠砂強度為29.9 MPa，對比不摻加粉煤灰的膠砂強度，強度的折減系數為0.8，仍滿足膠凝材料強度要求。

為了最大化減少水泥用量，并且能使混凝土強度達到設計標準，

綜合考慮粉煤灰對節約水泥和增大混凝土拌和物流動性的有利作用，在自密實混凝土配合比設計時，粉煤灰摻量采用30%。

1.3 配合比設計

為了配制適合工程用的自密實鋼纖維混凝土，根據透水框架所用混凝土強度要求，設計了7種不同水膠比。粉煤灰摻量為30%，粗骨料體積比為0.27，砂率為53%。考慮工程用粗細骨料的吸水性，增加拌和附加用水量，經試配試驗，確定附加用水量為27.36 kg/m3。采用絕對體積法得到各材料用量見表5，其中水的用量包含附加用水量。

試驗齡期為3 d，7 d，14 d和28 d。每種水膠比和齡期分別澆筑3個邊長為100 mm的立方體試塊，然后移入標準養護室進行養護。齡期達到設定值后，在萬能試驗機上進行抗壓試驗，按照系數0.95進行換算，得到邊長150 mm標準立方體的抗壓強度值（見表6）。

不同水膠比的混凝土拌和物坍落擴展度D=555～675 mm，滿足工作性能基本要求。

根據水膠比與混凝土配制強度計算模型[10，13-14]，經過變換得到：

1.4 混凝土早齡期強度預測

根據表6各齡期混凝土強度試驗結果，經過數據擬合分析[15]（見圖3），得到如下公式：

根據透水框架吊運要求，混凝土強度需要達到設計強度的75%，由式（3）計算得出養護齡期約為8.5 d。

2 自密實鋼纖維混凝土的制備

2.1 配合比設計

鋼纖維為上海哈瑞克斯鋼纖維科技有限公司生產的鋼錠銑削型鋼纖維，長度為32 mm，等效直徑為0.8 mm。

根據公式（2），計算不同配制強度混凝土的水膠比。通過絕對體積法和直接設計法計算自密實鋼纖維混凝土的配合比。直接設計法基于自密實混凝土，在保持工作性能和抗壓強度前提下，修正用水量和砂率[8-10]，計算公式為

式中：mw，mw，f分別為自密實混凝土和自密實鋼纖維混凝土的用水量;βs，βs，f分別為自密實混凝土和自密實鋼纖維混凝土的砂率，λf為鋼纖維含量特征值。

以透水框架用自密實鋼纖維混凝土的設計強度C25為例，根據式（2）計算得到水膠比為0.32。取鋼纖維體積率為0.4%，0.8%和1.2%，由式（4）～（5）計算，可得到自密實鋼纖維混凝土配合比見表7。同時，為了性能對比，表7也給出了水膠比為0.32的自密實混凝土的配合比。

2.2 拌和物自密實性能

根據表7配合比拌制自密實鋼纖維混凝土，進行坍落擴展度、流動時間T500和J環試驗，試驗結果見表8。不同纖維摻量下，坍落擴展度D=670～690 mm，T500=3.8～8.1 s，J環擴展度DJ=660～690 mm，J環內外高差Δ=4.8～7.8 mm。拌合物填充性達到SF2和VS1等級，間隙通過性達到PA2等級，具有優良的密實性能[16]。

2.3 抗壓強度

對每種配合比的自密實鋼纖維混凝土，制作2組邊長為100 mm的立方體試塊，在標準養護室進行養護，測試其7 d和28 d抗壓強度。根據ECS 13-2009《纖維混凝土試驗方法標準》[17]規定，非標準邊長100 mm試件的立方體抗壓強度乘以換算系數0.9后，得到邊長150 mm標準立方體的抗壓強度，結果見表8。隨著鋼纖維體積率增加，自密實鋼纖維混凝土抗壓強度有所增加[9]。鋼纖維體積率為0.8%和1.2%時，滿足C25配制強度為33.2 MPa的要求。利用式（3），由7 d抗壓強度推算28 d抗壓強度，試驗值與推測值之比的平均值為1.006，變異系數為0.023，表明式（3）同樣適用于自密實鋼纖維混凝土。這是因為鋼纖維對自密實混凝土抗壓強度的提高作用有限，混凝土強度發展主要依賴于膠凝材料的水化反應隨時間的發展[9，15]。

3 四面六邊透水框架的制備

選取鋼纖維體積率為0.8%和1.2%的自密實鋼纖維混凝土，進行了四面六邊自密實鋼纖維混凝土透水框架的試制工作。框架模板由內外模組合而成。將拌制的自密實纖維混凝土由2個斜支桿灌入，待剩余的1個支桿基本灌滿后，再一并澆筑水平支桿（見圖4）。澆筑完成后，立即抹光澆筑水平面。灑水養護24 h后拆模。四面六邊透水框架的成品見圖4（c），框架表面未見裂紋和孔洞，質量滿足制作要求。

4 結 論

（1）通過不同摻量粉煤灰的水泥膠砂強度試驗，確定了采用P.P.32.5火山灰質硅酸鹽水泥配制C25混凝土的合理粉煤灰摻量。

（2）采用工程實際原材料，研究了自密實混凝土抗壓強度隨水膠比和養護齡期的變化規律。根據試驗數據擬合分析，確定了自密實混凝土配合比的水膠比計算公式中的系數取值，得到了28 d抗壓強度的早齡期預測公式。

（3）在保持自密實性和抗壓強度與自密實混凝土一致的前提下，采用直接計算法確定了自密實纖維混凝土的配合比。試驗結果表明：配制的自密實鋼纖維混凝土具有優良自密實性，在鋼纖維體積率為0.8%和1.2%時抗壓強度滿足C25混凝土配制強度要求。

試制了四面六邊自密實纖維混凝土透水框架，產品成型質量滿足要求。

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（編輯：胡旭東）