钢纤维高性能混凝土的试验研究

2021-03-30邱振业

广东建材 2021年2期

邱振业

（广东省基础工程集团有限公司）

0 前言

钢纤维混凝土具有易结团或分布不均匀、坍落度损失大和浇筑容易分层等问题。针对钢纤维混凝土易结团问题，提出了钢纤维混凝土均匀度的检验手段和评价方法，此方法能较为清晰直观地表达出钢纤维在混凝土中的均匀程度，便于指导钢纤维混凝土的性能评价。

为解决钢纤维混凝土易成团的难题，达到提高均匀度的目标，首先对钢纤维本身进行研究分析，确定配置钢纤维混凝土所需的钢纤维要求；其次在矿物掺合料掺量及胶材总量、外加剂掺量等方面进行优化设计，提高钢纤维混凝土的均匀度，最后通过实验检验不同搅拌方式对钢纤维混凝土均匀度的影响程度，并找出最佳的搅拌方式进行生产，并通过自行研制的分样器和离析率检验器（两项均获得专利授权）来评价其均匀性。

为了解决钢纤维混凝土坍落度损失大的问题，主要从钢纤维混凝土技术控制方面把握三大原则：一是选择适宜的钢纤维、外加剂及掺量；二是优化配合比设计；三是控制施工混凝土坍落度，采取合理的浇筑方式。

1 钢纤维混凝土的相关理论

钢纤维混凝土是一种新型多相复合材料，是由两种或两种以上的单一材料，经用物理方法经人工复合而成的一种多相固体材料。复合材料通常包含一种或几种分散相和一种连续相，分散相镶嵌在连续相当中。一般来说分散相的强度和模量比连续相高，这种相称为增强相或增强材料，即钢纤维。分散相的加入往往会使复合材料的力学性能高于基体相，复合材料的性质受组分的性质、分布及其相互作用的影响。除了组分材料及其性质外，组分的几何条件（包括形状、尺寸、分布），将影响基体与增强材料之间的结合力。钢纤维混凝土中钢纤维呈杂乱随机分布，在三维空间上对基体将其增强作用。当钢纤维长径比减少时，纤维与周围基体的应力因钢纤维的不连续发生了改变，钢纤维对基体的增强效果下降，钢纤维端部应力和分布对钢纤维复合材料性能的作用逐渐显得重要。钢纤维的拉应力和界面剪应力如图1 所示。[1]

分析钢纤维端部应力分布，为了对应力从基体向纤维传递方式的理论分析，根据以下函数作运算。

式中，

εm——基本应变；

Ef——纤维的弹性模量；

Gm——基体的弹性剪切模量；

σf(x)、τ(x)——纤维的拉应力和界面剪应力。

由式（1）、式2 可知（图1），纤维拉应力在其端部（x=1/2）为0，在纤维中点为最大；剪应力应在纤维端部最大，而在中点几乎为0。上述结果表明，由于纤维端部某段长度内没有承担足够的荷载，纤维的增强效果随纤维平均长度的减少而下降，这是因为纤维总长度的更大比例没有充分承载。

图1 钢纤维拉应力和界面剪应力图

因此，钢纤维的长径比将影响其对混凝土的增强效果，钢纤维增强作用随长径比增大而提高。

2 钢纤维混凝土拌合物的主要工作性能评价方法

钢纤维混凝土拌合物具备匀质性、流动性、粘聚性等工作性能。目前，国际上暂未有关于钢纤维混凝土工作性能的评价方法。所以，本文主要采用坍落度和坍落扩展度来评价混凝土拌合物流动性、保水性和粘聚性，用离析率来检测匀质性，从而综合评判钢纤维混凝土拌合物的工作性能。

2.1 坍落度和坍落扩展度

坍落度是混凝土和易性的测定方法与指标，坍落扩展度是评价大流动性混凝土拌合物工作性能的指标，他们均是评价混凝土拌合物流动性、保水性和粘聚性的重要指标，具有易操作、易测量等优点，但是会受建筑物的结构断面、钢筋含量、运输方式、振捣能力和气候条件等的影响，存在一定的误差。两种方式均有各自的优势和缺陷，可以根据实际情况择优试验，但是对于大流动性的轻集料混凝土而言，可采用坍落度和扩展度相结合的方法衡量混凝土拌合物的流动性及稠度。另外，坍落度和扩展度试验必须严格按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080－2002)进行。

2.2 匀质性/ 离析率

钢纤维在搅拌的过程中易结团与分布不均匀，导致拌合物中钢纤维局部聚集，基于此现象，我们可以利用离析率试验来检验混凝土的匀质性，即通过振捣混凝土拌合物，然后通过上下层拌合物中钢纤维质量的差异来模拟钢纤维在搅拌过程中的运动情况。具体实验步骤如下：我们将混凝土拌合物放入自行加工的离析率检验器（如图2 所示），离析率检验器是一个直径为250mm，高度150mm 的两层钢桶组成，两层之相互连通，试验时，先将混凝土拌合物装入钢模，经插捣后、刮平，擦干钢模表面，称取钢模和混凝土总重，然后在钢模底部放入一根直径为20mm 的铁棒，左右各振25 次，完成后，分别取出上、下层拌合物，用水冲刷干净水泥砂浆，分出拌合物中的钢纤维，烘至面干后，分别测量上下层拌合物中钢纤维的质量，此时，可以用离析率试模内上、下层拌合物中粗骨料含量的差异，来表示拌合物的离析度，从而更能直观的表示出混凝土拌合物中钢纤维的分布情况。[6]

图2 离析率检验器

基于上述的试验，我们可以通过上下两层钢纤维的质量之比来测算钢纤维离析率，计算公式为：

钢纤维的离析率=m1/m2

式中：m1、m2分别为钢模内上、下两层拌合物内钢纤维的质量。

从上述公式可以看出，离析率越接近1，表示拌合物的匀质性越好，拌合物的抗分层、抗离析性能越强。

我们根据实际的试验过程研制了离析检验器。该检验器获得国家专利，专利号为ZL2014 2 0192827.2。

3 钢纤混凝土配合比试验

3.1 实验原材料

钢纤维混凝土属于特殊混凝土，其所需要的原材料也有特殊的要求，因此需要结合实际生产需要对原材料进行性能试验，并确定要求及规格。

3.1.1 水泥

水泥的选用除了满足规范要求外，还应尽量选用标准稠度用水量较低、性能稳定的品种，实验小组经过对比试验，清远市英德海螺有限公司生产的P.O 42.5R水泥性能较优，其主要性能指标见表1。

表1 水泥物理性能

3.1.2 粉煤灰

优质粉煤灰在混凝土中具有活性效应、形态效应、微集料效应三大效应，有助于改善水泥石的水化产物组成，提高水泥石均匀性和致密性。我们根据样品试配对比，黄埔电厂的煤灰品质较优，其主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰的性能指标

3.1.3 外加剂

钢纤维在搅拌的过程中容易吸收浆体中的水分，导致混凝土坍落度损失大，所以钢纤维混凝土对外加剂的要求也较高，特别是在浆体的保水性及混凝土的坍落度保持方面，应有较好的效果。我们通过对西卡3320C、四航和强达QD 等多家聚羧酸高性能减水剂进行对比试验研究，得强达QC 高性能聚羧酸减水剂效果最好，性能优越，因此本试验选用强达QC，其物理性能见表3。[3]

表3 外加剂的物理性能

3.1.4 细骨料

混凝土应尽量选用颗粒级配为Ⅱ区的中砂，且含泥量≤2%，泥块含量≤1%，另外砂中＞10mm 颗粒含量应≤5%，因为当砂中＞10mm 颗粒含量过高，会导致配制出的混凝土容重较大，不易满足设计的混凝土容重要求，所以，在条件允许情况下，应尽可能避免使用此类砂。本次试验选用西江河砂的物理性能见表4。

表4 砂的物理性能

3.1.5 水

钢纤维混凝土拌和用水应符合国家现行标准《混凝土拌和用水标准》(JGJ 63) 的要求。本试验使用饮用自来水。

3.1.6 钢纤维

钢纤维从钢纤维的抗拉强度、粘结强度、硬度、及其耐腐蚀性去进行选材。

钢纤维具有一定的抗拉强度，才能够使钢纤混凝土具备更好的力学性能，而钢纤维的材质和生产工艺在一定程度上影响了其抗拉强度，所以经过对比，最终选择抗拉强度380～800MPa 的弯钩剪切型钢纤维作为实验用料。[4]

钢纤维混凝土往往是被拔出而破坏，而非拉断破坏的，因此，我们的重点在于增强钢纤维与基体界面的粘结强度从而提升质量，主要的方法是增加钢纤维与基体接触的面积以及摩擦力，包括但不限于制造不规则形状的界面或者使钢纤维表面粗糙化，以提高其锚固力和抗拔力。

由前面的分析可知，钢纤维的长径比将影响纤维的端头应力，从而影响钢纤维的增强效果。钢纤维的长度太短不起增强作用，相反太长施工较困难，影响拌合物的质量，容易在搅拌的过程中折断，减弱其增强效果。因此，为提高其增强作用，钢纤维混凝土应严格控制钢纤维的长径比。本实验分别采用长径比为40%、60%、80%的弯钩剪切型钢纤维配置钢纤维混凝土，实验结果见表5。从表中可看出，长径比为80%，其离析率高，且28 天试块抗压与抗折强度低。因此，为了保持钢纤维混凝土的匀质性和后期抗压、抗折强度，钢纤维的长径比选择60%为宜。[2]

另一方面，钢纤维的体积率对钢纤维混凝土的性能也有很大影响。当钢纤维体积率超过2%时，拌合物的和易性变差，施工较困难，质量难以保证。为了验证体积率对混凝土和易性的影响，我们做了对比试验，结果见表6。

表5 钢纤维长径比对钢纤维混凝土的影响

表6 钢纤维体积率对混凝土性能的影响

通过试验对比，使用体积率为1%混凝土性能明显优于体积率2%的钢纤维混凝土，在拌合物的和易性、钢纤维离析率方面表现出更好的性能。所以钢纤维的体积率不应大于2%。

结合以上实验，初步确定配制钢纤维混凝土对钢纤维的性能要求，经检测筛选，选择使用钢纤维，其主要性能指标见表7。

表7 性能指标

3.2 配合比设计

钢纤维混凝土属于高性能混凝土，实验需要严格按照高性能混凝土配合比的设计要求，通过加入掺合料、外加剂及钢纤维，在满足高强度的基础上，获得高抗折性、高耐久性。为获得最佳的工作性、强度、耐久性，我们采用了正交试验，通过正交设计，制定试验方案，并分析结果，其效果是相当有效。

本次正交试验影响因素：钢纤维掺量、水胶比、用水量、砂率、粉煤灰掺和料；减水剂掺量。

3.2.1 影响因素的确定

⑴钢纤维掺量

钢纤维的掺入将在一定程度改变传统混凝土内部格局，并形成一个新界面，钢纤维掺量将影响混凝土的搅拌及均匀性，从而影响混凝土性能。本实验采用六个掺量水平，分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。

⑵水胶比

水胶比是影响混凝土性能的影响因素之一。水胶比越低，混凝土越密实，越有利于提高其强度和耐久性，本实验选择水胶比为0.30、0.34、0.38。

⑶用水量

混凝土中拌合物用水量能对混凝土的耐久性和力学性能起到至关重要的作用，对于高性能混凝土更是如此，所以更要控制其用水量，保证其耐久性。用水量越大，工作性会有所提高，但混凝土收缩大，还会降低混凝土强度。本实验采用160kg/m3、170kg/m3、180kg/m3。

⑷砂率

砂率主要影响混凝土的工作性，因为在加入钢纤维后，混凝土拌合物工作性降低，所以对砂率要求有所提高。但砂率过多会影响混凝土耐久性，容易导致裂缝产生。因此，本实验选择30%、35%、40%。

⑸粉煤灰掺量

掺和料的掺入对于高性能混凝土而言，是必不可少。一方面能降低生产成本，另一方面可改善混凝土各方面性能。本实验选择15%、20%、30%。

⑹减水剂

减水剂的掺入起到降低水胶比，又使混凝土获得较高的工作性。本实验选择1.0%、1.2%、1.5%三个掺量。

3.2.2 正交试验

根据所选用的因素及水平数，选用L18(6×36)，即七因素六水平和三水平的混杂水平正交表，正交试验方案如表8，正交试验混凝土配合比一览表如表9。

3.2.3 正交试验数据分析

通过表10 可看出，对于钢纤维混凝土抗压强度，其影响排序为水胶比→钢纤维掺量→粉煤灰掺量→用水量→减水剂掺量→砂率，可见水胶比和钢纤维掺量对混凝土抗压强度影响最大。

对于抗折强度，因素影响排序钢纤维掺量→砂率→粉煤灰掺量→水胶比→用水量→外加剂掺量；钢纤维混凝土的抗折强度受钢纤维掺量和砂率影响较大。而对于坍落度，主要受水胶比、钢纤维掺量以及外加剂掺量的影响。

表8 正交试验方案

表9 正交试验混凝土配合比（kg·m-3）

通过配比的验证试验，使得钢纤维混凝土获得最佳的抗压、抗折强度、工作性能、耐久性能以及经济性。综合考虑各影响因素，得出本试验的最佳配合比，见表11。

表10 正交试验结果

表11 C50 钢纤维混凝土最佳配合比 (kg·m-3)

4 搅拌方式

实验过程中发现，搅拌方式对混凝土的均匀度产生一定程度的影响，钢纤维在常规的搅拌过程中易结团、分布不均匀，从而降低了钢纤维混凝土的匀质性，导致实验过程不顺利，工程质量受损。为提高钢纤维在混凝土中的均匀度，我们采用了“三次投料离散搅拌法”进行生产，首先将钢纤维和石子干拌1min，再将砂、水和胶凝材料加入再干拌1min，最后将外加剂和部分水注入搅拌2min，总搅拌时间控制在5min 以内，且每次的搅拌量宜在搅拌机公称容量的1/3 以下。经多次实验检验，“三次投料离散搅拌法”有效提高了钢纤维混凝土的均匀度。