钢纤维混凝土试验研究及应用

一、钢纤维混凝土
钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete) 简称SFRC,是在普通混凝土中掺入一定量的随机分布的短钢纤维(简称SF) 配制而成的复合材料,不仅具有普通混凝土的优良特性,由于钢纤维的存在,其整个基体的物理和力学性质显著改善,使原本脆性的混凝土材料呈现出很高的抗裂和裂缝滞后、很大的延性和韧性、优良的抗拉、抗冲击、耐磨损、抗疲劳等特性。
(1)力学增强性。SF体积掺量为1%～2%时,抗拉强度提高40%～80%;抗弯强度提高60%～120%;抗压强度提高10～25%;
(2)塑性。SF体积掺量为1%～2%时,抗压韧性提高2～7倍;抗弯韧性提高50～100倍;抗冲击韧性提高2～4倍。
(3)抗疲劳性提高1～5倍;收缩降低7%～9%。
(4)物理耐久性,特别是耐冻融性、耐热性都优于普通混凝土;化学耐久性高于普通混凝土。SFRC也有一些固有的缺点,如施工时流动性差,搅拌和振捣时纤维易成团和折断,SFRC 凝结时间太短等。
二、钢纤维混凝土的材料选择
(1)钢纤维。其品种主要有剪切纤维、切断纤维、切削纤维、熔抽纤维;按外形分有平直纤维和异形纤维,异形纤维又分有大头、弯钩弓形、波形等,用废钢丝绳切断而成的,使用时必须进行除油污和除锈。我们通常把长度为20～40mm,长径比40～120的钢纤维定为普通短钢纤维;长度为5～15mm,长径比10～30的钢纤维定为超短钢纤维。钢纤维品种、几何参数(型号、公称长度、公称直径、长径比、抗拉强度等) 和体积率的选用等应符合《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》的规定,满足钢纤维混凝土强度、韧性和耐久性,并应满足拌和物的和易性与施工要求。我国已建工程有关试验资料表明,钢纤维的增强效果与钢纤维的长度、直径、长径比有关。长度在20～50mm,直径在0.3～0.8mm,长径比在40～100 范围内的钢纤维,其增强效果和拌和物性能均较好。
(2)水。拌制钢纤维混凝土的水选用干净的饮用水,不得使用海水。
(3)砂。必须选用河砂,不得用海砂。细骨料砂除了各项技术指标符合《普通混凝土用砂质量标准》(JGJ52 —92)外,还要求不含氯盐成份,细度模数范围2.3～3.0,
(4)粗集料。钢纤维混凝土采用的粗集料技术指标除了符合《普通混凝土用碎石或卵石质量标准》(JGJ53 —92)外,还要求最大粒径不超20mm或钢纤维长度的2P3。
(5)水泥。优先选用硅酸盐水泥，水泥标号大于425 #,质量符合(GB175—92)。水泥选择主要防止水泥中氯盐含量过高腐蚀钢纤维。
(6)外加剂。钢纤维混凝土由于塌落度损失较大,可通过选用优质高效减水剂来调节混凝土塌落度值,提高混凝土的和易性和密实度,本桥采FDN-5减水剂。本桥所用混凝土为泵送混凝土,还掺加了适量的泵送剂。外加剂中不得含有氯盐,并经试验合格后方可使用。
三、钢纤维混凝土的配合比
钢纤维混凝土配合比要求除了满足结构上特殊要求外,原则上与普通混凝土相同,所配置的钢纤维混凝土要进行强度试验,同时满足抗压抗拉、抗折强度要求,主要采取以抗折为主,抗压为辅的双控制指标;砂率、单位用水量和钢纤维体积有关。
(1)影响配合比的主要因素是钢纤维体积率、砂率和水灰比。根据强度标准值以及施工配制强度提高系数确定试配抗压强度与抗折强度。
(2)根据试配抗折强度计算水灰比。水灰比按照下式计算:
Rh=0.46Rc(CPW-0.52)
式中Rh—试配抗折强度MPa;
Rc—水泥实际强度MPa;CPW—混凝土所需要的灰水比,经验值在0.45～0.50中间。
(3)钢纤维最优掺量的确定。SF掺量采用钢纤维体积率Vf%计量,即混凝土体积与钢纤维体积比,一般为1%～2%,最大掺量一般不应超过2.0%。Vf按钢纤维混凝土的抗折强度的要求,用下式计算:
Fftk=Ftk(1+αt λf )
式中λf=VfLf
Pdf
Fftk—钢纤维混凝土抗折强度设计值MPa;
Ftk—根据钢纤维混凝土强度等级按混凝土结构设计规范确定的同级素混凝土抗折强度标准值MPa;αt—钢纤维对抗折强度影响系数,取0.36;
λf—钢纤维含量特征参数;
Vf—钢纤维体积率%;
Lf—钢纤维长度mm;
df—钢纤维等效直径mm。
钢纤维混凝土中钢纤维掺量的最优体积率,可采用试验室试验的方法进行抗拉和抗压试验,根据试验结果绘制出的曲线研究分析后确定。抗折强度是钢纤维混凝土的主要力学指标,是表征材料力学性能的基本参数,也是施工质量控制和检验的主要内容,因此,钢纤维混凝土不论用于路面还是桥面铺装,一般以抗折强度为控制指标。试验时可将钢纤维混凝土和普通混凝土试件同时试验,对比相关数据。将钢纤维混凝土中的钢纤维体积率由0增加至2%,每0.25%为一个递增点,针对每一钢纤维体积率均做多组试件,进行抗拉和抗压试验。(4)确定砂率。砂率较普通混凝土要大,可根据经验确定。较合理的砂率应通过试验确定,也可按下式计算:fs=Sr+10Vf式中:　

fs—钢纤维砼砂率(%);
Sr—普通砼砂率(%);
Vf—钢纤维体积(%)。
(5)钢纤维混凝土用水量W的计算塑性钢纤维混凝土用水量计算公式:
碎石粗骨料,W=204.2+17.3Vf+7.49H-0.47Dmax
卵石粗骨料,W=185.6+16.5Vf+7.28H-0.44Dmax式中:W—SFRC用水量(kgPm3);
H—坍落度;
Vf—钢纤维体积(%);
Dmax—粗骨料最大粒径;
(6)按绝对体积法计算材料用量,确定初步配合比。
(7)按初步配合比进行拌和物性能试验；
钢纤维混凝土试配配合比确定后,进行拌和物性能试验,检验其稠度、粘聚性、保水性是否满足施要求。若不满足则应在保持水灰比和钢纤维体积率不变的条件下,调整单位体积用水量或砂率直到满足要求为止,并据此确定用于强度试验的基准配合比。我们在配合比试验时,每种强度试验采用3种不同的配合比:其中一种为基准配合比,当进行抗压强度试验时,另外两种配合比的水灰比应比基准配合比分别减少和增加0.05。当进行抗压强度或抗折强度试验时,另外两种配合比的钢纤维体积率比基准配合比分别减少和增加0.2%。改变水灰比或钢纤维体积率时,单位体积用水量保持不变,通过调整砂率来保持拌和物的稠度不变。制作钢纤维混凝土试块时,分别测定其拌和物的稠度、粘聚性、保水性和质量密度。
(8)根据强度试验结果调整水灰比和钢纤维体积率,确定施工配合比。施工配合比确定为:水泥∶水∶砂子∶石子∶钢纤维∶外加剂=375∶195∶752∶1128∶62.1∶6。试块标养条件下,28天龄期平均抗压强度为35.9MPa,抗折强度为6.0MPa,达到设计强度的120%。
四、施工质量控制
钢纤维应放置在绝对防潮处,开箱后的钢纤维应尽快用完,避免生锈,生锈的钢纤维强度已受损失。使用前要开袋散开,切不可成堆倒入。SFRC砼施工质量,关键是控制好投料顺序,搅拌方法和时间。
(1) 投料和搅拌；
为了使钢纤维能均匀分散不结团,防止纤维产生弯曲或折断,采取先干后湿的工艺。投料采用下列两种顺序:
①砂—钢纤维—石子—水泥的顺序投于料斗;首先在搅拌机里干拌1～2min,再加水湿拌2min左右。
②每次搅拌时钢纤维要分批投放。投料顺序为:碎石→1P2钢纤维干拌1min→砂→水泥→1P2钢纤维干拌1min→加水和外加剂湿拌1.5min。
总搅拌时间控制在6min内,且每次搅拌量不大于搅拌机额定搅拌量的80%。
(2) 运输。
SFRC的运输可采用与普通混凝土相同的运输规定。运输SFRC应尽量缩短时间,浇筑时的卸料高度不超过1.5m,避免运输、卸料过程中拌和物离析,如产生离析应作二次搅拌。SFRC水泥含量较高,初凝时间较短,坍落度损失较快,SFRC从搅拌机卸出到浇注完成时间应小于30min。要注意
运输时的温度,避免造成混凝土的施工和易性下降。当温度偏高,则采取一定的覆盖措施或避免高温时间施工作业。
(3) 浇筑和捣固。
拌合料送到浇筑点后,应及时摊铺,松铺系数按1.2～1.3控制。SFRC的浇筑必须连续进行,每次倒料相压15～20cm,保证钢纤维分布的均匀和保持结构整体连续性。应采用机械振捣,严格振捣工艺,不得采用人工插捣,对上浮的钢纤维及时用泥抹子拍入混凝土内。在浇筑中,禁止因拌和料干涩而加水。在浇筑程中,钢纤维有结团须撕开抖散或剔除。使用插入式振动棒插入SFRC 振捣时,会使钢纤维朝振动着的振动棒聚集,产生集束效应。为确保钢纤维的二维分布,振捣时宜使用平板振动器振捣成型。SFRC的流动性较差,为保证边角混凝土密实,应对每块桥板边角处先用钢钎人工捣实,然后再用振捣棒顺桥面边线模板方向插入振实,使钢纤维成纵向条状集束,从而使钢纤维的排列有利于抵抗板体收缩应力、温度应力及荷载的传递。振捣持续时间以混凝土停止下沉、不再冒气泡并泛出水泥浆为准,同时防止过振。整平做面时,不得使钢纤维裸露在砼表面,最好采用砼道面压花技术,防止钢纤维因锈蚀而破坏砼表面强度。
(4)保养、养护
由于钢纤维混凝土早期强度较高，故应加强早期湿润养护。使用养护剂或覆盖草袋浇水养生，养生至少七天后方可通行车辆。
(5)钢纤维混凝土质量要求
(1)钢纤维混凝土在拌制和浇注过程中应按照以下规定进行检查:
①检查钢纤维混凝土组成材料的质量和用量,每一工作班≥2次,当含水量有显著变化时,增加次数,根据检测结果,及时调整用水量和材料用量在施工期间,钢纤维混凝土各种材料的质量按施工配合比和一次搅拌量计算确定。材料的称重偏差,粗细骨料不得超过3%，钢纤维、水泥、水等材料不得超过2%。钢纤维混凝土搅拌后,每工作台班检测一次拌和物的均匀性、稠度及检测钢纤维体积率,钢纤维混凝土拌和物应拌和均匀,颜色一致,没有离析泌水钢纤维结团现象。
②在拌制地点或浇注地点检查钢纤维混凝土的坍落度;
③随时检查钢纤维混凝土的搅拌时间。
(2)钢纤维掺量检验:
①钢纤维的掺量在混凝土浇注地点取样检验,每一工作班至少检验二次,每次取三组样品,每组样品为10L。

②通过水洗法检验,将钢纤维从混凝土中洗出,晒干后称量,单个取样钢纤维含量偏差不得超过配比掺量的20%;每三个取样以上钢纤维含量平均值的偏差不得超过配比掺量的5%。
(3)钢纤维混凝土浇注完毕后应及时检查保护层的表面质量和厚度。
(4)检查钢纤维混凝土质量应做抗压强度、抗拉强度试验。
(5)钢纤维混凝土强度检验的试件制作、数量以及对强度的评定方法应参照现行有关混凝土工程施工验收规范及国家标准《混凝土强度检验评定标准》的规定执行。
五、结语
钢纤维混凝土因其优良的力学性能,已经广泛应用在桥梁、市政、建筑等等结构性能要求较高的工程上。本文根据该工程施工实践,侧重总结、探研项目实施过程中钢纤维混凝土施工技术和施工过程质量控制的具体实施方法,以期为今后的相关项目的施工和质量控制提供一点借鉴。
（作者单位：1.内蒙古锡林郭勒盟公路工程质量监督站,2.锡林郭勒元和路桥有限责任公司）