顾广娟

(安徽新华学院 土木与环境工程系，安徽 合肥 230088)

自密实混凝土是一种具备良好稳定性、流动性、均匀性的混凝土，不施加外力作用就能均匀流动达到密实的效果，在流动过程中始终保持不离析的特性，是混凝土材料中性能最好的一种材料。混凝土的自密实特性，是指在浇筑过程中没有经过振捣作用也能均匀填满模板。钢纤维混凝土是一种通过在混凝土中掺入钢纤维材料而形成的复合型材质，钢纤维混凝土与普通混凝土相比，前者掺入了钢纤维，能够有效增加混凝土的韧性，增强混凝土的抗拉、抗裂性能，还能增强抗疲劳、抗冲击性能。

由于钢纤维的存在，从微观机制上改良了混凝土的力学性能，并且可以实现按使用要求设计材料，其具备的优良性能被工程行业广泛应用。目前，国内外的相关研究和应用中，采用了较小的钢纤维体积率，试验结果对混凝土力学性能的提升作用不显著。对自密实混凝土的研究情况来看，大量研究都是以普通混凝土为主，对钢纤维自密实混凝土的力学性能和抗压强度的综合研究较少。因此，本文采用J-环试验和坍落流动度试验对钢纤维混凝土的工作性能进行研究，对自密实混凝土抗压强度进行了试验，探讨钢纤维掺量、混凝土成型方式、钢纤维体积率对混凝土抗压强度的影响。

1 试验

1.1 试验材料

(1)水泥：在钢纤维混凝土性能试验中，应选择硅酸盐水泥，水泥质量达到了国家相关规定，满足施工要求，本试验中选取普通硅酸盐水泥作为试验原材料。

(2)粗骨料：在钢纤维混凝土性能试验中，应选择采用粉碎型碎石进行试验，粒径最大为20mm，空隙率小于40%最佳，针片状材料含量低于10%，粉碎型碎石的杂质含量较少，材质较为坚硬，因此将粉碎型碎石作为试验原材料。

(3)细骨料：在钢纤维混凝土性能试验中，应选用含泥量不超过1%的粗砂或中砂，本试验选用了级配良好的河砂作为细骨料。

(4)水：用于钢纤维混凝土试验的水，应满足《混凝土拌合用水标准》的相关规定及标准，本试验将饮用水作用实验原材料。

(5)活性掺合料：在钢纤维混凝土性能试验中，应选用符合混凝土抗离析性的特征，例如磨细矿粉、粉煤灰或硅灰，也可以使用多种类型。本试验使用一级粉煤灰作为试验原材料。

(6)钢纤维：本试验使用了切断型钢纤维作为试验原材料，钢纤维直径为0.7mm，长度为32mm。

(7)高效减水剂：在进行自密实混凝土性能测试实验中，减水剂的使用十分重要，能够保证混凝土具有加强的流动性，还能减少用水量，本试验中选取聚羧酸减水剂作为试验材料。

1.2 钢纤维自密实混凝土配合比方案设计

目前，主要有四种设计自密实混凝土配合比的方法，即固定沙石体积含量方法、正交试验方法、直接计算法、经验推导方法。本文试验配合比设计采用固定沙石体积含量法来确定混凝土配合比，该方法的原理为：首先对石子松堆体积进行设置，根据砂的体积含量来计算砂浆、石子和砂子的含量，然后根据所使用的胶凝材料的数量以及水胶比例来计算出最终各材料的使用量。直接计算法主要是根据高性能混凝土的配合比计算法来确定原材料的含量。与普通混凝土配合比设计方法不同，钢纤维混凝土配合比方案的确定更为复杂，需要进行多次反复的实验，并且要求最终的方案具备较高的工作性能，因此在设计方案时应严格按照相关规定，使用正确的技术来设计钢纤维混凝土配合比，从而确定满足工作性能的情况下的最佳原材料比例。本试验通过对自密实混凝土原料进行多次试配，设计了以下几种混凝土的配合比，如表1所示。

表1 部分钢纤维自密实混凝土配合比

1.3 钢纤维自密实混凝土拌合方法

钢纤维自密实混凝土因为加入了钢纤维，尤其是加入的钢纤维较多时，混凝土的搅拌过程就显得非常重要了，若是搅拌方式不当，会大大降低钢纤维的分散度，影响混凝土的性能。本文选取30 L强制式搅拌机，搅拌方法如下：首先把水泥、细骨料和煤炭灰投入搅拌机，搅拌时间设定为30 s；然后再加入粗骨料和水，继续搅拌1min以上；再缓缓倒入减水剂，搅拌1min；最后一边搅拌一边加入钢纤维，继续搅拌约3min后出料。

1.4 试验方法

1.4.1 工作性能测试方法

自密实混凝土的流变性是会改变的，随放置时间长短而发生变化，其流变性能和动态特性无法通过传统的静态实验描述出来，本文是采用J-环试验和坍落流动度试验对钢纤维自密实混凝土拌合物的工作性能进行综合评价。

进行J-环试验，选用的仪器主要有：J环仪、硬质不吸水平板、坍落度筒。试验方法如下：先将硬质平板放在坚硬的水平地面上，将坍落度筒及底板用水润湿，但坍落度筒内壁及底板上不能有明显水滴，将坍落度筒放在J-环中央并一起置于平板的正中，具体操作步骤和坍落流动度试验类似。最后在扩展后的混凝土相互垂直的方向上选取两个最大直径，用钢尺测量其值，再算出平均值，再从不同的方向测量J-环内混凝土的高度，并进行做差。以此来评判钢纤维自密实混凝土通过钢筋间隙的可能性。

进行坍落流动度试验，选用仪器主要有坍落度筒、质地坚硬且不吸水的光滑正方形平板(边长为1m，最大挠度<4mm，在平板表面标出中心位置的坍落度筒和再以中心为圆心划出直径分别为50，60，70，80，90cm的同心圆)、秒表、钢尺、铲子等。实验方法如下：用水润湿底板和坍落度筒，然后将底板置于坚实的水平地面上，把坍落度筒放在的底板中心位置，然后进行装料。在装料操作时，用铲子加料，每次约加入筒体的1/3，中间间隔30s，期间不用振捣。完成装料后，用铲刀抹平，清除洒落底板的混凝土。然后垂直向上，双手平稳的提起坍落度筒(提起过程应在6s内完成)，使混凝土从筒内自由流出。在提起坍落度筒时用秒表开始计时，在混凝土散流到50cm圆圈时停止计时，这个时间记为T500流动时间，用这个时间数据来评价混凝土的粘度。在混凝土停止流动后，用钢尺测出混凝土的最大扩展直径记为D1，测出与最大直径D1垂直方向的扩散直径，记为D2，计算两组直径的平均值，就是该混凝土的坍落扩展度。用这个试验方法可大致测出钢纤维自密实混凝土的自流平性能和填充性能。

1.4.2 自密实混凝土抗压试验

在抗压试验中，分别使用了0.6%、0.9%、1.2%的钢纤维体积率，选用机械振捣和自密实成型两种方式对钢纤维混凝土进行浇筑，选取了立方体试块对钢纤维混凝土进行了抗压强度试验，立体方块的边长为100mm，根据力学性能试验的相关标准以及要求来制作试块，通过使用该试块来测量钢纤维混凝土的抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 钢纤维自密实混凝土的工作性能

2.1.1 J-环试验

通过采用J-环试验分析钢纤维掺量对不同强度等级混凝土产生的影响，结果如图1。

图1 不同强度等级混凝土的J环试验值

由图1可知，混凝土强度等级一样时，钢纤维掺量越大，试验值就越大，混凝土强度等级越大，钢纤维掺量增加的幅度越小，C30、C40、C50增加的幅度依次为20%、13%、8%，表明强度等级越低，钢纤维掺量对其力学性能产生的影响就越大，随着钢纤维的掺入，拌合物间隙流通效果就越差。其主要原因在于在自密实混凝土掺入钢纤维会降低其流动性，使混凝土内部的应力变大，如果混凝土经过拦截平面时就会出现堵塞。当钢纤维掺量相同时，试验值会随着混凝土强度等级的增加而减小，产生该现象的原因在于当强度等级越高时，混凝土中水、灰所占比例较小，使得拌合物中间隙流通的效果就越差。试验结果发现，自密实混凝土的性能随着钢纤维掺量的增多而降低，钢纤维的掺入对混凝土工作性能有着较为明显的影响，在坍落流动度试验中工作性能最低的是钢纤维掺量为0.6%时、强度等级为C50的自密实混凝土，但其流动时间指标和坍落扩展度都达到了相关标准，试验中内外差最大不超过7mm，在自密实混凝土的标准范围内，因此，本试验设计的自密实混凝土配合比满足施工标准和要求，并且工作性能较好。

2.1.2 坍落流动度试验

由表2可知，自密实混凝土强度等级一样时，T500流出时间会随着钢纤维掺入量的增加而增加，该结果表明钢纤维降低了混凝土的流动性能，对混凝土黏度产生了影响。试验结果还表明，与基准组相比，C40强度等级的混凝土T500流出时间增加了2s，而C30、C50强度的混凝土在钢纤维掺量为0.6%的情况下，两种强度的混凝土T500流出时间增加了1s，表明在较高或较低的混凝土中，自密实混凝土中的水灰比例对黏度影响较大，钢纤维对其影响较小。

表2 T500试验值

图2为不同强度等级混凝土坍落扩展度与钢纤维掺量的变化图。由图可知，钢纤维掺入量越多，C30、C40、C50强度的自密实混凝土坍落扩展度迅速降低，变化的幅度依次为8.2%、7.4%、6.9%，该结果表明在混凝土中掺入钢纤维会导致填充性能降低，钢纤维掺入量保持不变时，坍落扩展度会随着流动时间的增加和基体强度的上升呈现逐渐减小的变化趋势，而基体强度越小时，混凝土工作性能受到的钢纤维掺入影响就越大。主要是因为混凝土的流动性会随着强度等级的增加而降低。

图2 不同强度等级混凝土坍落扩展度与钢纤维掺量的变化

2.2 抗压强度试验结果及分析

2.2.1 钢纤维掺量对抗压强度的影响

钢纤维掺量对试件的最终破坏形态有较大的影响，普通自密实混凝土在遭受过大应力时，破坏过程表现为先开裂再沿裂缝坍落、破碎。但钢纤维自密实混凝土中由于有钢纤维的均匀分布，起到了桥接作用，大大提高了强度，即使被较大应力破坏，最后也是裂而不散，各类混凝土的具体受压破坏特征如下：①没有掺杂钢纤维的混凝土会产生不规则的裂纹，并蔓延整个试件，且受压面被压碎；②钢纤维掺量0.2%的混凝土侧面有出现斜裂缝，混凝土沿裂缝脱落；③钢纤维掺量0.4%的混凝土侧面出现轻微45°斜裂缝，混凝土并无明显剥落；④钢纤维掺量0.6%的混凝土没有出现明显的45°斜裂缝，无混凝土脱落，受破坏后试件仍保持较好的完整性。

表3为钢纤维自密实混凝土立方体抗压强度变化，由表可知，在同样的混凝土中掺入钢纤维的量慢慢增加，试件的抗压强度也会慢慢变大，因为钢纤维的掺量越大，钢纤维所起到的桥接作用就越强，混凝土的完整性也越好，在受压时横向分力承载变强，其抗压强度得到提高，宏观表现为混凝土受压不易破碎。在钢纤维掺量固定为0.2%时，增大混凝土强度等级，试件抗压强度与同等级混凝土相比，增量分别为0.57%，1.30%，1.59%。试验表明，掺杂钢纤维对高强度的混凝土抗压强度得改善更加可观，原理在于钢纤维对混凝土的桥接作用力的大小主要取决于钢纤维与混凝土的结合程度，结合越紧密，强度便会更高。掺入钢纤维一方面可以约束混凝土在受压时的横向膨胀，阻止破坏过程，增大抗压强度，但是当混凝土的自身强度较低时，掺入钢纤维只会使混凝土界面薄弱层变多，这时的钢纤维与基体混凝土的结合程度较低，不能有效提高混凝土的抗压强度，如果基体混凝土强度较高，钢纤维与混凝土的结合更加紧密，混凝土的抗压强度就会大幅提高，这时掺量越大，强度也会更高，整体性也会更强。C30自密实混凝土相较于C50自密实混凝土，它的基体强度较低，所以试验得出掺杂钢纤维对C50自密实混凝土抗压强度的增幅要比C30大得多。

表3 钢纤维自密实混凝土立方体抗压强度

2.2.2 成型方式对抗压强度的影响

表4 成型方式对抗压强度的影响

为分析不同成型方式对自密实混凝土抗压强度的影响，本文以C30为例，采用机械振捣和自密实成型两种方法并分析两种成型方式的抗压强度，见表4。通过对实验结果进行对比分析，发现采用机械振捣的方式比采用自密实成型对自密实混凝土的影响更大。对于自密实混凝土，两种方式形成的混凝土抗压强度比为0.93，说明不同成型方式对于自密实混凝土的影响不大。对于钢纤维自密实混凝土，当钢纤维体积率为0.6%时，采用振捣成型和采用自密实成型的混凝土抗压强度比为1.18，当钢纤维体积率为0.9%时，采用振捣成型和采用自密实成型的混凝土抗压强度比为1.09，结果表明采用振捣方式成型更有利于自密实混凝土抗压强度的提升。

值得注意的是，在较大的纤维体积率的情况下，使用振捣成型的方法不一定让钢纤维分布均匀，对混凝土的抗压强度没有太大影响，必须增加砂浆来提升混凝土的密实性。

2.2.3 钢纤维体积率对抗压强度的影响

图3 钢纤维体积率对抗压强度比的影响

试验通过分析钢纤维体积率对自密实混凝土抗压强度的影响，发现钢纤维体积率越大，自密实混凝土的抗压强度在整体呈现出一定的上升趋势，如图3所示。

从图3可以看出，自密实混凝土的抗压强度在1～1.21范围内变化，自密实混凝土抗压强度的变化不明显，此时钢纤维对混凝土抗压强度的影响较小，该结果与普通钢纤维混凝土的抗压试验结果相似。

3结语

试验通过在自密实混凝土中掺入钢纤维，分析了钢纤维对混凝土工作性能和抗压强度的影响。试验结果表明，混凝土工作性能会随着钢纤维掺入量的增加而降低，但是如果设计合理正确的原材料配合比和搅拌方式，也能设计出符合施工标准的自密实混凝土。在试验中，自密实混凝土中水灰的比例对黏度的影响较大，不同等级强度的钢纤维对其几乎没有影响，但是强度越低，钢纤维对密实性混凝土的工作性能影响越显著，钢纤维掺入量越大，间隙通过性能逐渐降低，强度等级越低，采用振捣方式成型更有利于自密实混凝土抗压强度的提升，钢纤维掺量对其影响作用越显著，钢纤维体积率越大，自密实混凝土的抗压强度在整体上呈现出上升趋势。