C60 鋼纖維自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)和應(yīng)用

[摘 要]按照自密實(shí)混凝土的等級要求，采用聚羧酸系外加劑對C60 自密實(shí)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，采取同時摻加機(jī)制砂和天然砂的措施保證了鋼纖維自密實(shí)混凝土拌和物的自密實(shí)性能和泵送性能，而且也得到了滿足型鋼柱施工要求的力學(xué)變形性能。本文對于鋼纖維自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)思路可供有關(guān)技術(shù)人員參考。

[關(guān)鍵詞]自密實(shí)混凝土；鋼纖維；配合比設(shè)計(jì)；機(jī)制砂

0 前言

　　自密實(shí)混凝土技術(shù)的發(fā)展已有20 年的歷史，在國內(nèi)也已應(yīng)用10 多年。近幾年自密實(shí)混凝土在我國發(fā)展應(yīng)用速度加快，應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步的拓展。自密實(shí)混凝土，是具有高流動度、不離析、良好的均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時依靠其自重流動，無需振搗而達(dá)到密實(shí)的混凝土。所謂的自密實(shí)性能，即混凝土澆筑時，不加振搗施工也能依靠其自重均勻地填充到模板各處的性能。因具有許多優(yōu)點(diǎn)，自密實(shí)混凝土技術(shù)在近幾年得到了積極的研究和全面的發(fā)展，也被越來越多的工程所采用[1]。

　　鋼纖維混凝土是將短的、不連續(xù)的鋼纖維隨機(jī)亂向地分布于混凝土中形成的復(fù)合材料。與普通混凝土相比，加入一定量的鋼纖維后，不僅可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和韌性，而且能夠明顯地提高混凝土的抗裂性能、抗收縮性能和極限拉應(yīng)變，因此受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的極大重視。目前，鋼纖維混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域涉及道路橋梁工程、建筑工程、水利工程、港口工程、鐵路工程、礦山工程和軍事工程等。在使用過程中，鋼纖維混凝土因?yàn)槟軌虺浞譂M足工程所要求的高拉應(yīng)力、復(fù)雜受力、抗裂、增強(qiáng)和增韌等普通混凝土難以達(dá)到的受力性能要求，而具有良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

　　鋼纖維自密實(shí)混凝土則是集兩種混凝土的優(yōu)點(diǎn)于一身，即在混凝土施工澆筑過程中利用自密實(shí)混凝土拌和物的易澆筑密實(shí)特點(diǎn)，在混凝土硬化后利用鋼纖維混凝土獨(dú)有的力學(xué)與變形性能。

1 工程概況

　　新建設(shè)的中央電視臺新臺址工程，是北京市重點(diǎn)工程之一，也是北京市重要的標(biāo)志性建筑之一，其主樓為兩座斜塔樓，兩座斜塔樓頂部采用14 層高的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，如圖1 所示。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對混凝土施工過程控制和混凝土性能（尤其是變形性能）等

提出了較高的要求。該工程部分型鋼柱混凝土標(biāo)號為C60，泵送高度超過200 米，而且這部分型鋼柱在受力時，屬于偏心受壓（部分柱子受拉），因此要求型鋼柱在整個施工過程中和建成后因受力發(fā)生一定撓度變形的同時（傾斜度約0.286 度，變形值約為12.5με），所出現(xiàn)的裂縫在控制范圍之內(nèi)（裂縫寬度小于1mm，深度小于50mm）。為此，必須在混凝土中摻加鋼纖維以增加混凝土的韌性。由于型鋼混凝土柱設(shè)計(jì)受力復(fù)雜，鋼筋密集（最小凈間距為70mm），對摻入的鋼纖維要求較高，并且由于施工、振搗困難等原因，必須使用自密實(shí)混凝土，即C60 鋼纖維自密實(shí)混凝土。

　　但是，設(shè)計(jì)單位僅對鋼纖維本身的性能和摻量提出了粗略的要求，并未對本工程擬采用的C60 鋼纖維混凝土的具體性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)說明。為了優(yōu)化鋼纖維自密實(shí)混凝土的組成，評價鋼纖維自密實(shí)混凝土的性能，確定鋼纖維的種類和廠家，確定鋼纖維自密實(shí)混凝土的配合比、生產(chǎn)質(zhì)量控制指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)方法，需要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，使其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到施工要求，即所配制的混凝土加入鋼纖維后，（硬化混凝土）即要滿足鋼纖維混凝土施工過程中的變形指標(biāo)要求，（混凝土拌和物）又要滿足自密實(shí)混凝土的指標(biāo)要求，具有高流動性、抗離析性強(qiáng)和自填充性的特點(diǎn)，這也是混凝土生產(chǎn)控制過程中的關(guān)鍵所在。

2 原材料

　　本工程所用的原材料是北京地區(qū)常用的混凝土材料，水泥為北京琉璃河水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5 水泥；粉煤灰為河北衡水電廠生產(chǎn)的I 級粉煤灰；砂子為河北潮河水洗天然中砂和河北三河產(chǎn)機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)均不小于2.3；石子采用三河機(jī)碎石，連續(xù)級配，粒徑5mm～10mm 和5mm～20mm；泵送劑為天津雍陽外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸型UNF-5AST 高效泵送劑。具體指標(biāo)分別見表1 至表5。

設(shè)計(jì)要求使用冷拉切斷型鋼纖維，其抗拉強(qiáng)度大于1000MPa，長徑比大于50，長度35mm～50mm，摻量20kg/m3～50kg/m3。試驗(yàn)檢測后通過綜合考慮，決定采用上海貝卡爾特—二鋼有限公司生產(chǎn)的Dramix 鋼纖維和上海哈瑞克斯公司生產(chǎn)的Harex 鋼纖維兩種冷拉鋼絲切斷型鋼纖維展開進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，具體指標(biāo)如表6 所示。兩種鋼纖維的質(zhì)量也符合標(biāo)準(zhǔn)[2]所規(guī)定的有關(guān)鋼纖維自密實(shí)混凝土對鋼纖維指標(biāo)的要求。

3 配合比設(shè)計(jì)

　　隨著鋼纖維混凝土使用范圍的擴(kuò)大，關(guān)于配合比設(shè)計(jì)的研究也越來越多，如等體積代替（粗或細(xì)）集料法、以抗壓強(qiáng)度為主控參數(shù)的設(shè)計(jì)法和二次合成法等多種方法。在參考有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，確定本工程鋼纖維自密實(shí)的配合比設(shè)計(jì)思路是，首先通過試驗(yàn)調(diào)整混凝土中的粉體比例、外加劑品種和摻量等，確定出滿足施工指標(biāo)要求的不摻加鋼纖維的自密實(shí)混凝土的配比，為基準(zhǔn)配比；然后在此基準(zhǔn)配比的基礎(chǔ)上摻加不同摻量的鋼纖維，檢測鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和韌度指數(shù)等，確定滿足力學(xué)與變形指標(biāo)要求的鋼纖維的品種和最小摻量；接著再對滿足要求的鋼纖維摻量最小的配合比進(jìn)行微調(diào)，使混凝土拌和物的狀態(tài)達(dá)到自密實(shí)的要求，并復(fù)驗(yàn)檢測抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和韌度指數(shù)等，以得到最佳試驗(yàn)室配合比；最后，對所確定的最佳配合比進(jìn)行現(xiàn)場混凝土泵送試驗(yàn)，判斷是否滿足工程需要，最終得到滿足施工生產(chǎn)要求的鋼纖維自密實(shí)混凝土。

　　應(yīng)說明的是，為充分保證鋼纖維抗拉強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度相適應(yīng)，在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求，控制混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度不能過高，具體在120%左右，最大不超過130%。

　　3.1 自密實(shí)混凝土配合比的確定配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)自密實(shí)混凝土的規(guī)定指標(biāo)要求，并參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行。在試驗(yàn)室進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)和試配工作，確認(rèn)合格后方能使用。在進(jìn)行自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)調(diào)整時應(yīng)注意，水膠比的改變會影響自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，水粉比的改變則影響自密實(shí)混凝土的黏度特性。

　　自密實(shí)性能包括：流動性、抗離析性和自填充性，分別通過坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、V 漏斗試驗(yàn)、櫛形環(huán)試驗(yàn)和U 型箱試驗(yàn)檢測自密實(shí)性能指標(biāo)。自密實(shí)性能根據(jù)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、配筋狀態(tài)等進(jìn)行設(shè)定，分為三個等級[3]。當(dāng)鋼筋最小凈間距為35mm～60mm 時，為一級，此時，要求坍落擴(kuò)展度為700mm±50mm、V 漏斗通過時間為10s～25s、U 型箱試驗(yàn)填充高度300mm 以上，櫛形環(huán)試驗(yàn)中心無骨料堆積、邊緣無泌漿、目測環(huán)內(nèi)外無高差。參照標(biāo)準(zhǔn)[3]所述方法進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，具體過程如下：

　?、俅_定單位粗骨料體積用量（Vg）

　　根據(jù)自密實(shí)混凝土等級選取0.30，單位粗骨料體積用量為300L，因單一品種石子的空隙率（＞40%）大于標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，故同時摻加兩種品種的石子（最佳比例是當(dāng)兩者混合后達(dá)到最小空隙率時的比例），表觀密度平均值為2840kg/m3，質(zhì)量為852.0kg。

　?、诖_定單位用水量（Vw）、水粉比（w/p）和粉體體積（Vp）

　　考慮到摻入粉煤灰配制C60 等級的自密實(shí)混凝土，而且粗骨料粒型級配良好，選擇較低的單位用水量170L 和水粉比0.80，通過Vp=Vw/(w/p)=170/0.80=212.5L，計(jì)算得到粉體體積用量，粉體體積比為0.2125，介于推薦值0.16～0.23 之間。

　?、鄞_定含氣量（Va）

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及所使用外加劑的性能設(shè)定自密實(shí)混凝土的含氣量為1.5%，即15L。

　?、苡?jì)算單位細(xì)骨料量（Vs）

　　因?yàn)樘烊簧爸泻?.0%的粉體，所以根據(jù)Vg+Vp+Vw+Va+(1-9.0%)Vs=1000L，可以計(jì)算出單位細(xì)骨料體積用量Vs=(1000-300-212.5-170-15)/91.0%=332.4L，質(zhì)量為844.3kg。

　　⑤計(jì)算單位膠凝材料體積用量（Vce）

　　因?yàn)槲词褂闷渌栊該胶狭?，所以單位膠凝材料體積用量通過Vce=Vp-9%×Vs=212.5-9%×332.4=182.6L。

　　⑥計(jì)算水灰比（W/C）與理論水泥用量（Mco）

　　按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行水灰比的設(shè)計(jì)計(jì)算，選定σ=7，則可計(jì)算出w/c=0.345。已知用水量為170kg，所以水泥用量為492.7kg，即159.0L。

　?、哂?jì)算單位摻合料量和實(shí)際水泥用量（Mc）

　　通過計(jì)算可知單位水泥體積為159.0L，不能滿足通過自密實(shí)性能計(jì)算出的182.6L 的要求，綜合考慮強(qiáng)度要求和粉煤灰性能，采用超量取代的方法，超量取代系數(shù)為1.3，設(shè)取代水泥率為X，可根據(jù)下式計(jì)算出取代水泥質(zhì)量和粉煤灰摻入量：

式中，Mfa、ρc、ρfa 分別為實(shí)際粉煤灰用量、水泥表觀密度（3.1kg/cm3）和粉煤灰表觀密度（2.44kg/cm3）。

　　通過上述計(jì)算得到水泥的實(shí)際用量和摻合料用量。

　　⑧通過試驗(yàn)確定聚羧酸高性能減水劑用量為膠凝材料用量的1.4%，即7.4kg。

　　⑨試驗(yàn)驗(yàn)證與調(diào)整。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行試驗(yàn)，得到自密實(shí)混凝土基準(zhǔn)配合比，有關(guān)數(shù)據(jù)如表7 所示。

3.2 鋼纖維的品種和最小摻量的確定

　　鋼纖維混凝土配合比在調(diào)整時應(yīng)考慮的主要方面是：拌和物的工作性、強(qiáng)度的雙控（控抗壓、抗拉或抗壓、彎拉）和鋼纖維體積率的確定等[4]。要提高鋼纖維在混凝土中的增強(qiáng)效果，一是提高鋼纖維的長徑比；二是提高鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度。但是，長徑比過大，會使纖維混凝土的和易性降低，纖維結(jié)球現(xiàn)象發(fā)生的可能性也會增加。同時，鋼纖維混凝土的集料最大粒徑直接影響到鋼纖維的握裹力，一般最大粒徑不宜超過鋼纖維長度的2/3。同一基體而言，兩端帶彎鉤的鋼纖維較平直型鋼纖維的界面粘結(jié)強(qiáng)度高。

　　鋼纖維的摻量規(guī)范要求[2]不低于20kg/m3，并依據(jù)廠家推薦數(shù)據(jù)進(jìn)行配比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。所有試件均按照CECS13:89 標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸試模，并在注模24h 后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)檢測。配比設(shè)計(jì)和部分檢測結(jié)果如表8 所示。

　　在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，摻加鋼纖維后，混凝土拌和物的坍落度和流動性較空白混凝土明顯降低，且隨著摻量的增加，坍落度和坍落流動度的降低程度也變大。這一現(xiàn)象表明，鋼纖維在混凝土拌和物中所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使拌和物內(nèi)部摩擦阻力增加，加上纖維自身面積較大，加劇了阻礙拌和物流動的程度，引起混凝土坍落度降低與和易性變差。

　　從試驗(yàn)現(xiàn)象來看，立方抗壓試驗(yàn)時，素混凝土破壞時側(cè)面出現(xiàn)典型的受壓剝落現(xiàn)象，而鋼纖維混凝土破壞后完整性較好，表面只有少許剝落。劈裂抗拉試驗(yàn)時，素混凝土直接沿劈裂面斷開，斷面比較平整，并伴有較大的響聲，呈明顯的脆性破壞；而鋼纖維混凝土破壞時，只在表面出現(xiàn)一條沿劈裂面的細(xì)裂紋，整體完整性很好，而且需要較大力量才能將其分為兩塊。以上現(xiàn)象與有關(guān)資料所述相一致[6]。同時也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土在劈拉破壞時，絕大多數(shù)是鋼纖維的撥出而不是拉斷，因此，改善鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)力是提高劈拉強(qiáng)度的關(guān)鍵。

　　從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，加入鋼纖維后，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均有明顯提高，但提高幅度與鋼纖維摻量的關(guān)系因試驗(yàn)組數(shù)較少而規(guī)律不十分明顯。眾多文獻(xiàn)資料[7][8]也表明，鋼纖維摻入混凝土后，能否提高抗壓強(qiáng)度及提高的幅度，主要取決于混凝土基體強(qiáng)度、基體與鋼纖維的粘結(jié)強(qiáng)度和鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度。對于低強(qiáng)度混凝土，鋼纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度低，鋼纖維的摻入增多了整個體系的界面薄弱區(qū)，受壓時，該薄弱區(qū)可能首先導(dǎo)致材料破壞，纖維起不到增強(qiáng)作用。對于高強(qiáng)混凝土，鋼纖維與膠凝體的界面粘結(jié)強(qiáng)度高，減小了界面薄弱區(qū)所帶來的不利影響，

　　當(dāng)試件受壓時，縱橫交錯的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對試件橫向變形的約束作用較強(qiáng)，使其近似于三向受壓狀態(tài)，導(dǎo)致材料的抗壓強(qiáng)度提高。

　　同樣，當(dāng)劈裂抗拉試驗(yàn)時，在拉伸荷載作用下，試件受力之初，應(yīng)變很小，鋼纖維所承擔(dān)的拉應(yīng)力也小，基體起主要受力作用；隨著應(yīng)變增大，鋼纖維承擔(dān)應(yīng)力越大，混凝土基體達(dá)到極限應(yīng)變的時間推遲；基體開裂后，裂縫應(yīng)力重分布，原先由基體承擔(dān)的應(yīng)力向鋼纖維轉(zhuǎn)移，跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的兩側(cè)表面，使裂縫處材料仍能夠繼續(xù)承受荷載，裂縫擴(kuò)展速度得到延緩，并呈穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，如果跨越裂縫的纖維越多，則裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展持續(xù)時間越長，導(dǎo)致最終達(dá)到的峰值拉應(yīng)力越高，即鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度越大。

　　通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，這幾組鋼纖維混凝土的配合比均能滿足鋼纖維混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)要求，

綜合考慮成本控制、施工方式等因素，并為了充分保證混凝土拌和物的狀態(tài)能夠達(dá)到自密實(shí)的要求，最終確定鋼纖維的摻量采用最低摻量，即20kg/m3。并在此摻量的前提下，進(jìn)行混凝土和易性的調(diào)整，為增加混凝土中粉體的比例，摻加了50%的機(jī)制砂，最終得到各項(xiàng)性能均滿足鋼纖維自密實(shí)混凝土的指標(biāo)要求的混凝土，配合比和檢測結(jié)果如表9 所示，試驗(yàn)情況如圖2 所示，該配合比的荷載撓度-曲線如圖3 所示。

4 現(xiàn)場摸擬與施工

　　鋼纖維混凝土在生產(chǎn)時，除鋼纖維與砂石一起加入攪拌機(jī)外，其它材料的投料、攪拌與普通混凝土相同，攪拌時間延長50%。在現(xiàn)場制作與結(jié)構(gòu)形狀相同的模具，并采用振搗和不振搗兩種方式進(jìn)行對比試驗(yàn)?zāi)M，模擬生產(chǎn)時僅對混凝土的凝結(jié)時間進(jìn)行了調(diào)整。通過現(xiàn)場泵送試驗(yàn)，得到了較好的效果。在模擬泵送時也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土在泵送過程中，除按常規(guī)泵送操作外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　①泵送過程中宜保持混凝土供應(yīng)的連續(xù)性，如較長時間不能泵送混凝土，則會出現(xiàn)鋼纖維混凝土粘管現(xiàn)象，尤其是在泵管的接口處，而且增大了再次泵送阻力且很難清洗干凈。

　?、诒M量減少泵管彎頭，以減少泵送阻力和鋼纖維混凝土在管內(nèi)的淤積。如確實(shí)需要彎頭，應(yīng)盡量采用135°彎管。而且，泵管的接口處要對接緊密，不能留有縫隙。

　?、叟_北101 大廈和香港國際金融中心等施工經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)證明，長距離、大高度泵送自密實(shí)混凝土?xí)r，配制混凝土所用的粗骨料的最大粒徑不宜大于16mm，為實(shí)現(xiàn)最大泵送高度提供可能（關(guān)于超高層混凝土泵送的有關(guān)內(nèi)容另文專述）。

　　該鋼纖維自密實(shí)混凝土柱澆筑折模后，混凝土色澤均勻、無明顯氣泡，外觀質(zhì)量較好。采用塑料薄膜圍裹的方式進(jìn)行自生養(yǎng)護(hù)（如圖4 所示）。實(shí)際工程應(yīng)用至今，已澆筑3000 余m3，成型28d 立方抗壓強(qiáng)度80 余組，強(qiáng)度在67.0MPa～77.8MPa 之間，平均為72.3MPa。泵送高度在100m 以下時，采用常用的HBT80 型混凝土地泵，泵送效果較好，泵送壓力在17MPa～26MPa。

5 結(jié)論與體會

　　在鋼纖維品種選擇試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，混凝土的強(qiáng)度等級和石子粒徑要與纖維強(qiáng)度、長度等纖維特性（長徑比、長度、抗拉強(qiáng)度等）相協(xié)調(diào)，否則可能出現(xiàn)摻加優(yōu)質(zhì)鋼纖維的混凝土其性能并不比摻加普通鋼纖維混凝土的性能明顯。

　　聚羧酸系高效外加劑減水率較高，保塑時間長，經(jīng)過微調(diào)就能滿足自密實(shí)混凝土的要求。因此，使用經(jīng)優(yōu)化外加劑成份比例和摻量的聚羧酸外加劑可以配制滿足施工工藝要求和高強(qiáng)度要求的自密實(shí)混凝土，尤其適宜配制長距離泵送的高強(qiáng)混凝土，而且混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量也比較穩(wěn)定。

　　為保證高強(qiáng)度的鋼纖維混凝土的高層長距離泵送，應(yīng)控制石子粒徑和級配。當(dāng)泵送高度大于100m時最大料徑不宜超過16mm；當(dāng)泵送高度超過200m 時，最大粒徑宜控制在10mm 左右。

　　在配制自密實(shí)混凝土?xí)r，若混凝土拌和物的和易性尤其是黏度不能滿足，需通過調(diào)整配合比中的粉體比例來實(shí)現(xiàn)，而利用機(jī)制砂中所含的石粉是一種較為方便的方法，但應(yīng)充分掌握其比例含量和機(jī)制砂的適宜摻量。

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