钢纤维混凝土的配合比设计及工程应用

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摘要：混凝土抗压强度高，但它的缺陷在于属于脆性材料，抗拉、抗弯、抗冲击韧性等性能比较差，所以钢纤维混凝土作为一种新型复合建筑材料开始被应用于一些需要结构抗拉、抗冲击、耐疲劳的构件如桥梁、路面等。本文针对钢纤维对混凝土工作性能、强度的影响等，以某桥梁伸缩缝的钢纤维混凝土为实例，论述钢纤维混凝土的配合比设计、试验及应用，对今后钢纤维混凝土的普遍应用具有一定的参考价值。

关键词：钢纤维混凝土；配合比；和易性

引言

钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrent.简称SFRC）是一种在混凝土拌合物中掺入一定量的短钢纤维，使钢纤维在拌合物中随机分散分布组合而成的复合混凝土。钢纤维在混凝土中呈三维乱向分布，沿每个方向都有增强和增韧的作用，使混凝土物理力学性能发生变化，很大程度上提高混凝土抗裂性能和抗冲击性能，使原本脆性的混凝土材料呈现一定的延性和韧性。

位于北京市某公路工程桥面铺装的伸缩缝，混凝土设计为C50钢纤维混凝土，施工坍落度要求80mm。

1.原材料选用

1.1 水泥

钢纤维混凝土，应采用强度高、密实性好的混凝土基体。因为只有采用这样的混凝土才能保证纤维与基体有较高的粘结强度，从而充分发挥纤维的增强作用。本次构件体积不大，不必考虑大体积你混凝土水化热的问题，所以，水泥选用北京琉璃河的金隅P.O42.5级水泥。

1.2骨料

配制钢纤维混凝土所用的骨料，要选用级配良好的河砂、山砂或碎石砂，砂的细度不宜太小，细度模数ＭＸ宜控制在2.5-3.2之间。本次砂选用北京涿州市厚源的砂，细度模数为2.8的Ⅱ区中砂，含泥量1%。

配制钢纤维混凝土的石，需要硬度高、强度大的碎石，同时骨料最大粒径要控制，如果粗骨料粒径过大，不利于钢纤维在混凝土基体重均匀分散。本次石子选用北京恒坤拓峰碎石，粒径5-20mm连续级配，压碎指标3.9%，针片状含量3.5%,含泥量0.1%。

1.3掺合料

为了提高掺入钢纤维，混凝土的流动性下降，所以在配制钢纤维混凝土时，考虑掺入适量掺合料，改善拌合物的施工性能。本次选用天津大唐新源Ⅰ级粉煤灰和唐山银河S95级磨细矿粉。

1.4钢纤维

为防止钢纤维混凝土因钢纤维被拉断而失去强度，要求钢纤维的抗拉强度比较高；同时，为提高钢纤维与水泥砂浆界面的粘结性，本试验选经变形处理的卷曲形钢纤维，抗拉强度670Mpa，长度20mm，直径0.4mm。

1.5外加剂

为使钢纤维混凝土既有较好的阻裂性能又有较好的和易性，减水剂不但考虑减水效果，还要可以改善水泥浆与骨料和钢纤维之间的表面粘结力。选用北京华迪HDNF-2型缓凝高效减水剂，减水率24%。

2.配合比设计

钢纤维的加入对混凝土拌合物的和易性有一定程度的影响，所以在配合比设计时，水灰比的取值、水泥及水的用量、砂率的确定等方面都要充分考虑钢纤维的影响因素。在确保混凝土强度达到设计要求的前提下，还要保证拌合物有良好的工作性能。

2.1选定钢纤维掺量，结合相关技术，取钢纤维体积率Vf=1.3%，掺量为1.3%*7800=101.4kg/m3。（1）

2.2确定水灰比

钢纤维混凝土水灰比与普通混凝土没有多大差别，所以，从混凝土抗压强度等级C50的技术要求出发，水灰比取W/C=0.35。

2.3确定单位用水量

基体混凝土掺入钢纤维后，相当于增加了骨料的表面积，所以，会降低混凝土拌合物的坍落度。单位用水量与混凝土拌合物的要求坍落度、砂率、钢纤维体积率及长径比都有关系，具体用量计算可参考相关文献[2]。

考虑高效减水剂的减水作用及对混凝土和易性的增强作用，根据JGJ55-2000和实际经验，取基准用水量Ｗ0=173kg/m3 (2)

2.4水泥、膨胀剂、粉煤灰用量

水泥用量按公式C0=W/（W/C）=173/0.3=494 kg/m3。 (3)

矿粉和粉煤灰作为胶凝材料取代部分水泥，这样也可以适当提高混凝土的和易性。外加剂掺量为胶凝材料总量的3.7%。 计算得单方材料用量依次为：水泥为340 kg,矿粉99 kg,粉煤灰55 kg, 外加剂18.2 kg，拌和水162kg。

2.5 确定砂率（βS）及砂、石用量

砂率是影响钢纤维混凝土稠度非常重要的因素。同时，混凝土的砂率在很大程度上影响着钢纤维在混凝土中的分散度，对混凝土的强度也有着很大影响。由于钢纤维的掺入会降低混凝土的和易性，所以考虑提高砂率。结合经验数据，将砂率在40%至50%范围内依次取值40%、42%、44%、46%、48%、50%等6组。由这6组砂率数值组成的试验配合比见表1所示。

表1 不同砂率的混凝土初步配合比

编号 砂率βS 原材料掺量Kg/m3

水泥C 水W 砂S 石G 矿粉S95 粉煤灰Ⅰ级 外加剂

HDNF-2 钢纤维

1# 40% 340 162 645 979 99 55 18.2 101.4

2# 42% 340 162 682 942 99 55 18.2 101.4

3# 44% 340 162 714 910 99 55 18.2 101.4

4# 46% 340 162 747 877 99 55 18.2 101.4

5# 48% 340 162 780 844 99 55 18.2 101.4

6# 50% 340 162 812 812 99 55 18.2 101.4

3.试验

3.1试验结果

确定砂率（βS）及砂、石用量确定砂率（βS）及砂、石用量对6组配合比的混凝土拌合物留取试样进行坍落度、坍落度经时损失、抗压强度等级等试验，结果见表11：

表11 试验条件下混凝土的性能指标

编号 砂率βS 拌合物状态 坍落度/mm 抗压强度/MPa

初始 60min f3 f7 f28

1# 40% 离析 70 / / / /

2# 42% 粘聚性差 70 / / / /

3# 44% 良好 90 80 39.4 51.1 62.0

4# 46% 良好 95 85 40.1 51.4 63.2

5# 48% 良好 85 75 36.7 48.2 57.9

6# 50% 略干硬 75 / / / /

3.2试验分析

首先从拌合物工作性能看,1#、2#配合比的混凝土拌合物由于缺少砂而出现粘聚性和保水性都不好，；6#配合比的混凝土拌合物，由于砂量过大净浆量过少，拌合物表现干硬，5#配合比的混凝土拌合物坍落度经时损失不满足要求，这4组试样拌合物工作性能不满足要求。3#、4#配合比的拌合物状态、坍落度及坍落度经时损失值等工作性能均满足要求，抗压强度值也满足要求。从以上试验数据可以得出，砂率偏低，则拌合物应细骨料不足，难以填满粗骨料空隙，混凝土粘聚性不好；砂率偏高，拌合物工作性能不好，振捣难以密实，会使混凝土强度降低。

综合以上试验结果，确定4#配合比为施工配合比。

４.混凝土生产的质量控制

在该工程重混凝土的生产中，结合混凝土特点和工程重要性，与施工方通力加强混凝土的质量控制，采取了如下控制措施：

4.1原材料的质量检验

混凝土抗压强度等级比较高，所以，对原材料的技术性能如水泥强度、砂石含泥量、掺合料活性、需水量等一定要按规范严格进行试验检验，严禁不合格原材料投入使用。

4.2投料顺序及搅拌时间

采取搅拌方式采取强制搅拌的搅拌机，投料顺序采用投入砂、石、钢纤维，钢纤维分散均匀投入，避免成堆成团，投入水泥、矿粉及粉煤灰干拌1分钟后投入水和外加剂，上料总量控制在比普通混凝土低20%的范围内，搅拌时间宜控制在90s以上，防止因搅拌时间过短拌合物不均匀，产生粘团或集结现象。

4.3运输

钢纤维混凝土的坍落度小，所以不宜长时间等待，必须在出机1小时内进行浇筑。运输过程避免二次加水使拌合物离析。

4.4混凝土浇筑、振捣

桥梁伸缩缝间的混凝土浇筑，必须连续浇筑，及时将混凝土均匀振捣密实，由于纤维相互缠绕和摩擦使拌合物形成空间网结构，所以振捣时间宜适当延长。

4.5养护

C50钢纤维混凝土由于水泥用量大，水化快，所以要加强早期养护。浇筑后要及时覆盖,如养护不及时,都会使其表面水分蒸发过快,而形成干裂。

5.工程应用情况

在该工程桥梁伸缩缝的混凝土施工中，通过上述一系列控制措施，C50钢纤维混凝土各项技术指标均满足所设计的混凝土各项技术指标均满足《公路桥涵施工技术规范》、《公路工程质量检验评定标准》的要求。

5.1拌合物工作性能

混凝土的出机坍落度控制在95mm，运输需要半小时，具有缓凝效果的高效减水剂保塑效果很好，浇筑时坍落度损失在10mm左右。在摊铺、振捣过程中，混凝土和易性良好，满足施工要求。

5.2混凝土力学性能

该C50钢纤维混凝土标养28天抗压强度平均值62.7MPa,达到设计强度的125%。

6.结论

沿用普通混凝土配合比设计的思路，针对钢纤维的特点进行配比优化，可以得到合理的钢纤维混凝土的配合比。合理的砂率是配制具有良好工作性能的钢纤维混凝土的关键；同时，掺用适量的矿物掺合料对增加混凝土的密实性，对改良混凝土工作性能有积极作用；另外，合理的水泥、水用量，外加剂的有效选用都对对钢纤维混凝土的强度及工作性能有着很大程度的影响。

钢纤维混凝土因克服了普通混凝土脆性的弱点，通过合理的配合比设计、科学的生产浇筑等管控，将会在今后的建筑工程、桥梁工程、水利工程、机场道路等领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]赵国藩,彭少民,黄承逵.钢纤维混凝土结构[M],北京.中国建筑工业出版社,2000:103-105.

[2]李继业,刘经强,张峰,郗忠梅,等.混凝土配制实用技术手册[M]. 北京.化学工业出版社,2008.

[3]JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程[S] ,北京.中国建筑工业出版社,2001.

[4]JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范[S]. 北京.人民交通出版社，2000

[5]JTG F80/1-2004公路工程质量检验评定标准[S].北京.人民交通出版社，2004