C60 钢纤维自密实混凝土的配合比设计和应用

[摘 要]按照自密实混凝土的等级要求，采用聚羧酸系外加剂对C60 自密实混凝土进行配合比设计，采取同时掺加机制砂和天然砂的措施保证了钢纤维自密实混凝土拌和物的自密实性能和泵送性能，而且也得到了满足型钢柱施工要求的力学变形性能。本文对于钢纤维自密实混凝土配合比的设计思路可供有关技术人员参考。

[关键词]自密实混凝土；钢纤维；配合比设计；机制砂

0 前言

　　自密实混凝土技术的发展已有20 年的历史，在国内也已应用10 多年。近几年自密实混凝土在我国发展应用速度加快，应用领域也进一步的拓展。自密实混凝土，是具有高流动度、不离析、良好的均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土。所谓的自密实性能，即混凝土浇筑时，不加振捣施工也能依靠其自重均匀地填充到模板各处的性能。因具有许多优点，自密实混凝土技术在近几年得到了积极的研究和全面的发展，也被越来越多的工程所采用[1]。

　　钢纤维混凝土是将短的、不连续的钢纤维随机乱向地分布于混凝土中形成的复合材料。与普通混凝土相比，加入一定量的钢纤维后，不仅可以提高混凝土的抗拉强度、抗折强度和韧性，而且能够明显地提高混凝土的抗裂性能、抗收缩性能和极限拉应变，因此受到国内外学术界和工程界的极大重视。目前，钢纤维混凝土的应用领域涉及道路桥梁工程、建筑工程、水利工程、港口工程、铁路工程、矿山工程和军事工程等。在使用过程中，钢纤维混凝土因为能够充分满足工程所要求的高拉应力、复杂受力、抗裂、增强和增韧等普通混凝土难以达到的受力性能要求，而具有良好的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。

　　钢纤维自密实混凝土则是集两种混凝土的优点于一身，即在混凝土施工浇筑过程中利用自密实混凝土拌和物的易浇筑密实特点，在混凝土硬化后利用钢纤维混凝土独有的力学与变形性能。

1 工程概况

新建设的中央电视台新台址工程，是北京市重点工程之一，也是北京市重要的标志性建筑之一，其主楼为两座斜塔楼，两座斜塔楼顶部采用14 层高的悬臂结构进行连接，如图1 所示。这种设计结构对混凝土施工过程控制和混凝土性能等

提出了较高的要求。该工程部分型钢柱混凝土标号为C60，泵送高度超过200 米，而且这部分型钢柱在受力时，属于偏心受压，因此要求型钢柱在整个施工过程中和建成后因受力发生一定挠度变形的同时，所出现的裂缝在控制范围之内。为此，必须在混凝土中掺加钢纤维以增加混凝土的韧性。由于型钢混凝土柱设计受力复杂，钢筋密集，对掺入的钢纤维要求较高，并且由于施工、振捣困难等原因，必须使用自密实混凝土，即C60 钢纤维自密实混凝土。

　　但是，设计单位仅对钢纤维本身的性能和掺量提出了粗略的要求，并未对本工程拟采用的C60 钢纤维混凝土的具体性能指标进行详细说明。为了优化钢纤维自密实混凝土的组成，评价钢纤维自密实混凝土的性能，确定钢纤维的种类和厂家，确定钢纤维自密实混凝土的配合比、生产质量控制指标与实验方法，需要进行系统的试验研究，使其各项性能指标达到施工要求，即所配制的混凝土加入钢纤维后，即要满足钢纤维混凝土施工过程中的变形指标要求，又要满足自密实混凝土的指标要求，具有高流动性、抗离析性强和自填充性的特点，这也是混凝土生产控制过程中的关键所在。

2 原材料

　　本工程所用的原材料是北京地区常用的混凝土材料，水泥为北京琉璃河水泥厂生产的普通硅酸盐42.5 水泥；粉煤灰为河北衡水电厂生产的I 级粉煤灰；砂子为河北潮河水洗天然中砂和河北三河产机制砂，细度模数均不小于2.3；石子采用三河机碎石，连续级配，粒径5mm～10mm 和5mm～20mm；泵送剂为天津雍阳外加剂厂生产的聚羧酸型UNF-5AST 高效泵送剂。具体指标分别见表1 至表5。

设计要求使用冷拉切断型钢纤维，其抗拉强度大于1000MPa，长径比大于50，长度35mm～50mm，掺量20kg/m3～50kg/m3。试验检测后通过综合考虑，决定采用上海贝卡尔特—二钢有限公司生产的Dramix 钢纤维和上海哈瑞克斯公司生产的Harex 钢纤维两种冷拉钢丝切断型钢纤维展开进一步的试验研究，具体指标如表6 所示。两种钢纤维的质量也符合标准[2]所规定的有关钢纤维自密实混凝土对钢纤维指标的要求。

3 配合比设计

　　随着钢纤维混凝土使用范围的扩大，关于配合比设计的研究也越来越多，如等体积代替集料法、以抗压强度为主控参数的设计法和二次合成法等多种方法。在参考有关资料的基础上，确定本工程钢纤维自密实的配合比设计思路是，首先通过试验调整混凝土中的粉体比例、外加剂品种和掺量等，确定出满足施工指标要求的不掺加钢纤维的自密实混凝土的配比，为基准配比；然后在此基准配比的基础上掺加不同掺量的钢纤维，检测钢纤维混凝土的抗拉强度、抗弯强度和韧度指数等，确定满足力学与变形指标要求的钢纤维的品种和最小掺量；接着再对满足要求的钢纤维掺量最小的配合比进行微调，使混凝土拌和物的状态达到自密实的要求，并复验检测抗拉强度、抗弯强度和韧度指数等，以得到最佳试验室配合比；最后，对所确定的最佳配合比进行现场混凝土泵送试验，判断是否满足工程需要，最终得到满足施工生产要求的钢纤维自密实混凝土。

　　应说明的是，为充分保证钢纤维抗拉强度与混凝土强度相适应，在前期大量试验的基础上，并结合设计要求，控制混凝土的28d 抗压强度不能过高，具体在120%左右，最大不超过130%。

　　3.1 自密实混凝土配合比的确定配合比的设计依据自密实混凝土的规定指标要求，并参照相关国家标准规程进行。在试验室进行配合比优化设计和试配工作，确认合格后方能使用。在进行自密实混凝土的配合比设计调整时应注意，水胶比的改变会影响自密实混凝土的设计强度，水粉比的改变则影响自密实混凝土的黏度特性。

　　自密实性能包括：流动性、抗离析性和自填充性，分别通过坍落扩展度试验、V 漏斗试验、栉形环试验和U 型箱试验检测自密实性能指标。自密实性能根据结构物的结构形状、尺寸、配筋状态等进行设定，分为三个等级[3]。当钢筋最小净间距为35mm～60mm 时，为一级，此时，要求坍落扩展度为700mm±50mm、V 漏斗通过时间为10s～25s、U 型箱试验填充高度300mm 以上，栉形环试验中心无骨料堆积、边缘无泌浆、目测环内外无高差。参照标准[3]所述方法进行配比设计，具体过程如下：

　　①确定单位粗骨料体积用量

　　根据自密实混凝土等级选取0.30，单位粗骨料体积用量为300L，因单一品种石子的空隙率大于标准[3]要求，故同时掺加两种品种的石子，表观密度平均值为2840kg/m3，质量为852.0kg。

　　②确定单位用水量、水粉比和粉体体积

　　考虑到掺入粉煤灰配制C60 等级的自密实混凝土，而且粗骨料粒型级配良好，选择较低的单位用水量170L 和水粉比0.80，通过Vp=Vw/(w/p)=170/0.80=212.5L，计算得到粉体体积用量，粉体体积比为0.2125，介于推荐值0.16～0.23 之间。

　　③确定含气量

　　根据经验以及所使用外加剂的性能设定自密实混凝土的含气量为1.5%，即15L。

　　④计算单位细骨料量

　　因为天然砂中含有9.0%的粉体，所以根据Vg+Vp+Vw+Va+(1-9.0%)Vs=1000L，可以计算出单位细骨料体积用量Vs=(1000-300-212.5-170-15)/91.0%=332.4L，质量为844.3kg。

　　⑤计算单位胶凝材料体积用量

　　因为未使用其它惰性掺合料，所以单位胶凝材料体积用量通过Vce=Vp-9%×Vs=212.5-9%×332.4=182.6L。

　　⑥计算水灰比与理论水泥用量

　　按照《普通混凝土配合比设计规程》进行水灰比的设计计算，选定σ=7，则可计算出w/c=0.345。已知用水量为170kg，所以水泥用量为492.7kg，即159.0L。

　　⑦计算单位掺合料量和实际水泥用量

　　通过计算可知单位水泥体积为159.0L，不能满足通过自密实性能计算出的182.6L 的要求，综合考虑强度要求和粉煤灰性能，采用超量取代的方法，超量取代系数为1.3，设取代水泥率为X，可根据下式计算出取代水泥质量和粉煤灰掺入量：

式中，Mfa、ρc、ρfa 分别为实际粉煤灰用量、水泥表观密度和粉煤灰表观密度。

　　通过上述计算得到水泥的实际用量和掺合料用量。

　　⑧通过试验确定聚羧酸高性能减水剂用量为胶凝材料用量的1.4%，即7.4kg。

　　⑨试验验证与调整。依据标准[3]进行试验，得到自密实混凝土基准配合比，有关数据如表7 所示。

3.2 钢纤维的品种和最小掺量的确定

　　钢纤维混凝土配合比在调整时应考虑的主要方面是：拌和物的工作性、强度的双控和钢纤维体积率的确定等[4]。要提高钢纤维在混凝土中的增强效果，一是提高钢纤维的长径比；二是提高钢纤维与基体之间的粘结强度。但是，长径比过大，会使纤维混凝土的和易性降低，纤维结球现象发生的可能性也会增加。同时，钢纤维混凝土的集料最大粒径直接影响到钢纤维的握裹力，一般最大粒径不宜超过钢纤维长度的2/3。同一基体而言，两端带弯钩的钢纤维较平直型钢纤维的界面粘结强度高。

　　钢纤维的掺量规范要求[2]不低于20kg/m3，并依据厂家推荐数据进行配比设计试验。所有试件均按照CECS13:89 标准[5]规定进行，采用标准尺寸试模，并在注模24h 后脱模，在标准养护条件下养护相应龄期后进行试验检测。配比设计和部分检测结果如表8 所示。

　　在试验过程中发现，掺加钢纤维后，混凝土拌和物的坍落度和流动性较空白混凝土明显降低，且随着掺量的增加，坍落度和坍落流动度的降低程度也变大。这一现象表明，钢纤维在混凝土拌和物中所形成的网状结构，使拌和物内部摩擦阻力增加，加上纤维自身面积较大，加剧了阻碍拌和物流动的程度，引起混凝土坍落度降低与和易性变差。

　　从试验现象来看，立方抗压试验时，素混凝土破坏时侧面出现典型的受压剥落现象，而钢纤维混凝土破坏后完整性较好，表面只有少许剥落。劈裂抗拉试验时，素混凝土直接沿劈裂面断开，断面比较平整，并伴有较大的响声，呈明显的脆性破坏；而钢纤维混凝土破坏时，只在表面出现一条沿劈裂面的细裂纹，整体完整性很好，而且需要较大力量才能将其分为两块。以上现象与有关资料所述相一致[6]。同时也发现，钢纤维混凝土在劈拉破坏时，绝大多数是钢纤维的拨出而不是拉断，因此，改善钢纤维与混凝土基体的粘结力是提高劈拉强度的关键。

　　从试验数据来看，加入钢纤维后，抗压强度、劈裂抗拉强度均有明显提高，但提高幅度与钢纤维掺量的关系因试验组数较少而规律不十分明显。众多文献资料[7][8]也表明，钢纤维掺入混凝土后，能否提高抗压强度及提高的幅度，主要取决于混凝土基体强度、基体与钢纤维的粘结强度和钢纤维本身抗拉强度。对于低强度混凝土，钢纤维与基体粘结强度低，钢纤维的掺入增多了整个体系的界面薄弱区，受压时，该薄弱区可能首先导致材料破坏，纤维起不到增强作用。对于高强混凝土，钢纤维与胶凝体的界面粘结强度高，减小了界面薄弱区所带来的不利影响，

　　当试件受压时，纵横交错的纤维网状结构对试件横向变形的约束作用较强，使其近似于三向受压状态，导致材料的抗压强度提高。

　　同样，当劈裂抗拉试验时，在拉伸荷载作用下，试件受力之初，应变很小，钢纤维所承担的拉应力也小，基体起主要受力作用；随着应变增大，钢纤维承担应力越大，混凝土基体达到极限应变的时间推迟；基体开裂后，裂缝应力重分布，原先由基体承担的应力向钢纤维转移，跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的两侧表面，使裂缝处材料仍能够继续承受荷载，裂缝扩展速度得到延缓，并呈稳定扩展状态，如果跨越裂缝的纤维越多，则裂缝稳定扩展持续时间越长，导致最终达到的峰值拉应力越高，即钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度越大。

　　通过试验数据分析，这几组钢纤维混凝土的配合比均能满足钢纤维混凝土的力学性能指标要求，

综合考虑成本控制、施工方式等因素，并为了充分保证混凝土拌和物的状态能够达到自密实的要求，最终确定钢纤维的掺量采用最低掺量，即20kg/m3。并在此掺量的前提下，进行混凝土和易性的调整，为增加混凝土中粉体的比例，掺加了50%的机制砂，最终得到各项性能均满足钢纤维自密实混凝土的指标要求的混凝土，配合比和检测结果如表9 所示，试验情况如图2 所示，该配合比的荷载挠度-曲线如图3 所示。

4 现场摸拟与施工

　　钢纤维混凝土在生产时，除钢纤维与砂石一起加入搅拌机外，其它材料的投料、搅拌与普通混凝土相同，搅拌时间延长50%。在现场制作与结构形状相同的模具，并采用振捣和不振捣两种方式进行对比试验模拟，模拟生产时仅对混凝土的凝结时间进行了调整。通过现场泵送试验，得到了较好的效果。在模拟泵送时也发现，钢纤维混凝土在泵送过程中，除按常规泵送操作外，还应注意以下几点：

　　①泵送过程中宜保持混凝土供应的连续性，如较长时间不能泵送混凝土，则会出现钢纤维混凝土粘管现象，尤其是在泵管的接口处，而且增大了再次泵送阻力且很难清洗干净。

　　②尽量减少泵管弯头，以减少泵送阻力和钢纤维混凝土在管内的淤积。如确实需要弯头，应尽量采用135°弯管。而且，泵管的接口处要对接紧密，不能留有缝隙。

　　③台北101 大厦和香港国际金融中心等施工经验和试验证明，长距离、大高度泵送自密实混凝土时，配制混凝土所用的粗骨料的最大粒径不宜大于16mm，为实现最大泵送高度提供可能。

　　该钢纤维自密实混凝土柱浇筑折模后，混凝土色泽均匀、无明显气泡，外观质量较好。采用塑料薄膜围裹的方式进行自生养护。实际工程应用至今，已浇筑3000 余m3，成型28d 立方抗压强度80 余组，强度在67.0MPa～77.8MPa 之间，平均为72.3MPa。泵送高度在100m 以下时，采用常用的HBT80 型混凝土地泵，泵送效果较好，泵送压力在17MPa～26MPa。

5 结论与体会

　　在钢纤维品种选择试验中发现，混凝土的强度等级和石子粒径要与纤维强度、长度等纤维特性相协调，否则可能出现掺加优质钢纤维的混凝土其性能并不比掺加普通钢纤维混凝土的性能明显。

　　聚羧酸系高效外加剂减水率较高，保塑时间长，经过微调就能满足自密实混凝土的要求。因此，使用经优化外加剂成份比例和掺量的聚羧酸外加剂可以配制满足施工工艺要求和高强度要求的自密实混凝土，尤其适宜配制长距离泵送的高强混凝土，而且混凝土的生产质量也比较稳定。

　　为保证高强度的钢纤维混凝土的高层长距离泵送，应控制石子粒径和级配。当泵送高度大于100m时最大料径不宜超过16mm；当泵送高度超过200m 时，最大粒径宜控制在10mm 左右。

　　在配制自密实混凝土时，若混凝土拌和物的和易性尤其是黏度不能满足，需通过调整配合比中的粉体比例来实现，而利用机制砂中所含的石粉是一种较为方便的方法，但应充分掌握其比例含量和机制砂的适宜掺量。

[参考文献]

　　[1]赵筠.自密实混凝土的研究和应用[J].混凝土,2003,164(6):9-17.

　　[2]CECS38:2004,纤维混凝土结构设计与施工规程[S].

　　[3]CECSXX:2005,自密实混凝土应用技术规程[S].

　　[4]DG/TJ08-011-2002,切断型钢纤维混凝土应用技术规程[S].

　　[5]CECS13:89,钢纤维混凝土试验方法[S].

　　[6]杨润年等.钢纤维再生混凝土力学性能的试验研究[J].混凝土,2006,195(1):27-29.

　　[7]杨兰友等.钢纤维混凝土施工配合比的试验研究[J].四川建筑,2005,25(9):184-186.

　　[8]焦楚杰等.钢纤维高强混凝土力学性能研究[J].混凝土与水泥制,2005,143(3):35-38.