山砂鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【摘 要】本文主要介紹了國(guó)內(nèi)首次使用山砂進(jìn)行鋼纖維混凝土的選材、拌制、澆筑與檢驗(yàn)的全部過程，通過對(duì)考察鋼纖維在混凝土中的分布狀況、利用山砂中所固有的石粉對(duì)混凝土和易性的正面影響、設(shè)計(jì)合理的攪拌和澆筑流程，成功使用山砂來配制鋼纖維混凝土來完成了貴州省畢節(jié)地區(qū)倒天河整治一號(hào)路大橋的施工，拓展了鋼纖維混凝土的配料范圍，可供其它類似工程施工作參考。

【關(guān)鍵詞】山砂 鋼纖維混凝土 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

1 前言

鋼纖維混凝土或纖維混凝土，是一種滿足于特殊需求的建筑材料，常用于具有抗腐蝕、抗震動(dòng)、高耐久性、高疲勞性等部位。如大跨度橋梁、承重型地面、大壩、鐵道預(yù)制結(jié)構(gòu)、特殊工藝處理結(jié)構(gòu)等，對(duì)于材料的選擇具有極其嚴(yán)格的要求，也造成了其工程成本相對(duì)較大，有時(shí)可能為了達(dá)到工藝或質(zhì)量要求，不得不采取特殊措施來滿足，致使工程成本成倍增加。其中，《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38-2004）第14.2.2條明確規(guī)定：配置鋼纖維高強(qiáng)混凝土宜選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好的河沙，其細(xì)度模數(shù)不宜小于2.4，以確保其工作性能和和易性。山砂與河沙比較，具有級(jí)配較差，細(xì)度模數(shù)偏高，粉塵含量超標(biāo)等眾多不足，對(duì)混凝土施工質(zhì)量具有很大影響，尤其是橋梁的重點(diǎn)部位可能帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)。

雖然因纖維混凝土所處環(huán)境的特殊性，在整個(gè)工程行業(yè)中使用量并不大。但針對(duì)單項(xiàng)工程來說，單一材料的挑剔意味著在建設(shè)方不得不大幅增加工程投資。

2 工程背景

畢節(jié)市倒天河綜合治理三期工程一號(hào)路大橋?yàn)榱汗敖M合橋。大橋長(zhǎng)467m，寬34m，橋面高35m，采用2×37m+88m +180m+88m+25m=455m的連續(xù)剛架鋼管混凝土梁拱組合橋，中間3跨為鋼管混凝土系桿拱與預(yù)應(yīng)力混凝土V型剛構(gòu)組合而成的飛雁式拱橋（詳見圖1）。為了延長(zhǎng)橋梁使用壽命，防止鋼混結(jié)合面開裂，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗沖擊和耐磨性能，大橋主拱及邊拱拱腳預(yù)埋段設(shè)計(jì)均采用C50鋼纖維混凝土，設(shè)計(jì)工程量為2800m3。

在貴州地區(qū)，天然河砂資源的嚴(yán)重匱乏，要嚴(yán)格按照規(guī)范要求配制纖維混凝土混凝土，必須要進(jìn)行長(zhǎng)距離采購(gòu)。根據(jù)實(shí)際測(cè)算，采用從湖南或廣西采購(gòu)優(yōu)質(zhì)河砂，采購(gòu)成本約需500元/m3，加上運(yùn)輸損耗等，比使用當(dāng)?shù)厣缴懊苛⒎皆黾映杀?35元。鋼纖維混凝土需砂總量為1634m3，需多投入成本約80萬元。

為了合理利用資源，節(jié)約工程投資，降低工程成本，縮短工程工期，對(duì)以山砂代替河砂配制纖維混凝土進(jìn)行了設(shè)計(jì)研制。

3 工程難題

鋼纖維高強(qiáng)混凝土，其特點(diǎn)是高強(qiáng)混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。對(duì)于混凝土這樣的脆性材料，由于其內(nèi)部的水泥漿——細(xì)骨料界面區(qū)、砂漿——粗骨料界面區(qū)薄弱環(huán)節(jié)的存在，盡管各組分材料都有較高的抗拉強(qiáng)度，但容易發(fā)生斷裂破壞，宏觀抗拉強(qiáng)度很低。加入亂向分布鋼纖維能較好地跨越裂縫兩邊，使鋼纖維與裂縫兩邊間混凝土產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。但鋼纖維的加入也降低了混凝土的和易性，從而對(duì)混凝土本身的和易性和工作性要求比普通混凝土更高。

采用山砂與河砂的根本區(qū)別在于優(yōu)質(zhì)河砂可以較好地控制含泥量，以河砂的清潔度確?；炷恋馁|(zhì)量及其良好的工作性。有人研究了機(jī)制砂中小于0.08mm石粉對(duì)混凝土拌和物性能的影響，認(rèn)為石粉是一種惰性摻和料，顆粒細(xì)小，補(bǔ)充了混凝土中缺少的細(xì)顆粒，增大了固體表面積對(duì)水體積的比例，從而減少了泌水和離析，而且石粉能和水泥及水形成柔軟的漿體，增加了混凝土的漿量，從而改善了混凝土的和易性。在用去除石粉的山砂拌制的混凝土，其保水性與和易性反倒變差。當(dāng)石粉所占比例在10%以下時(shí)，對(duì)于混凝土的和易性和強(qiáng)度影響不大。在低強(qiáng)度混凝土中，石粉對(duì)于混凝土甚至有增強(qiáng)作用。

陳家瓏的研究也表明：石粉中70%顆粒分布集中在16um以上，平均粒徑為36.9um.該石粉的粒度分布，不但不會(huì)阻礙水泥與骨料的結(jié)合，還填補(bǔ)了混凝土骨料之間的空隙，在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性，改善了離析泌水現(xiàn)象，使得混凝土易于成型振搗，改善了混凝土工作性。

因此，只要合理控制山砂石粉含量，用山砂替代河砂進(jìn)行鋼纖維混凝土具有較好的可行性。

4 試驗(yàn)方法

4.1材料選用

（1）采用貴州大方永貴建材水泥廠的普通硅酸鹽水泥。有產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告，符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50204-2002的要求，強(qiáng)度等級(jí)52.5MPa，進(jìn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)合格。

（2）采用畢節(jié)松圣采石場(chǎng)生產(chǎn)的山砂。質(zhì)量指標(biāo)符合貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)《山砂混凝土技術(shù)規(guī)程》DB24/016-2010要求，細(xì)度模數(shù)小于3.3，粉塵含量8.1%，現(xiàn)場(chǎng)遮蓋保存。

（3）采用畢節(jié)松圣采石場(chǎng)生產(chǎn)的碎石。公稱粒徑為5～25mm級(jí)配均勻。最大粒徑26.5mm，含泥量≤1%，符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52-2006）的規(guī)定。

（4）拌制砼的水質(zhì)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ63-2006《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》。

（5）鋼纖維采用冷拉端鉤型鋼纖維（詳見圖2），分散均勻，避免攪拌和施工過程中鋼纖維結(jié)團(tuán)，鋼纖維的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值700MPa。

（6）粉煤灰采用四川瀘州地博牌優(yōu)質(zhì)II級(jí)粉煤灰。其質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》等的規(guī)定，優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有物理減水作用且增加和易性，摻入后對(duì)混凝土也有增強(qiáng)作用，有利于控制混凝土裂縫。

（7）外加劑采用四川吉龍牌高效復(fù)合減水劑，其質(zhì)量符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》（GB8076-2008）、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119-2011）、《混凝土泵送劑》和《預(yù)拌混凝土》的有關(guān)規(guī)定。

4.2配合比設(shè)計(jì)

本工程采用試驗(yàn)-計(jì)算法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求及施工可行性前提下，適度控制成本，選取最優(yōu)設(shè)計(jì)配合比，具體步驟如下：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及施工配置強(qiáng)度的提高系數(shù)，確定試配抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度；

（2）根據(jù)試配抗壓強(qiáng)度計(jì)算水灰比；

（3）根據(jù)試配抗拉強(qiáng)度的要求，計(jì)算或通過已有資料確定鋼纖維體積率；

（4）根據(jù)施工要求的稠度通過試驗(yàn)或已有資料確定單位體積用水量，考慮外加劑的影響；

（5）通過試驗(yàn)或有關(guān)資料確定合理的砂率；

（6）按絕對(duì)體積法或假定質(zhì)量密度法計(jì)算材料用量，確定試配配合比；

（7）按試配配合比進(jìn)行拌合物性能試驗(yàn)，調(diào)整單位體積用水量和砂率，確定強(qiáng)度試驗(yàn)用基準(zhǔn)配合比；詳見表1.

（8）根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整水灰比和鋼纖維體積率，確定施工配合比。

其中： 配置山砂高強(qiáng)混凝土?xí)r，水灰比不大于0.45。配合比設(shè)計(jì)較普通鋼纖維混凝土塌落度適當(dāng)放大，以滿足泵送施工條件。實(shí)際選取的配合比為：

實(shí)際試配抗壓強(qiáng)度為59.9MPa，抗拉強(qiáng)度為4.0MPa。設(shè)計(jì)理論配合比為水泥：水：山砂：碎石=1：0.4：2.28：2.47。（詳見表1）

4.3混凝土施工

4.3.1攪拌

攪拌山砂鋼纖維混凝土的各材料重量，按施工配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)確計(jì)量，其稱量偏差控制在表2規(guī)定的范圍內(nèi)。

（1）為了保證鋼纖維在混凝土中均勻分布，防止產(chǎn)生鋼纖維結(jié)團(tuán)、鋼纖維產(chǎn)生彎曲或折斷、攪拌機(jī)因超負(fù)荷而停止運(yùn)轉(zhuǎn)，出料口堵塞等現(xiàn)象，嚴(yán)格設(shè)計(jì)原料添加程序和攪拌程序。

（2）先將鋼纖維、水泥、摻合料、粗骨料、山砂均勻干拌，干拌時(shí)間不小于2分鐘。若干拌不能達(dá)到鋼纖維均勻分散時(shí)，增加干拌時(shí)間，減少一次拌合數(shù)量。干拌均勻后再加水、外加劑濕拌。濕拌時(shí)間不小于90秒。

（3）鋼纖維在投料前進(jìn)行分散處理，并設(shè)置鋼纖維專用進(jìn)料口，均勻、緩慢投入。

4.3.2運(yùn)輸、澆筑與養(yǎng)護(hù)

（1）采用混凝土罐車運(yùn)輸，運(yùn)輸過程中均勻、連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)輸時(shí)間與澆筑時(shí)間累計(jì)不超過30分鐘。

（2）泵送混凝土連續(xù)不間斷地、均衡地供應(yīng)，保證混凝土泵送施工順利進(jìn)行。

（3）施工采用機(jī)械振搗，除保證混凝土密實(shí)外，確保鋼纖維均勻分布。

（4）采用與普通混凝土相同的養(yǎng)護(hù)方法，養(yǎng)護(hù)時(shí)間14天。

4.4質(zhì)量檢驗(yàn)

（1）按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行。

（2）檢驗(yàn)鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度時(shí)，采用劈裂法試驗(yàn)，將其強(qiáng)度系數(shù)乘以0.85后換算成軸心抗拉強(qiáng)度。

（3）實(shí)測(cè)平均抗拉強(qiáng)度為4.45MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的125%；實(shí)測(cè)平均抗壓強(qiáng)度為61.3MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的122.6%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過為期3個(gè)月的山砂鋼纖維高強(qiáng)混凝土泵送技術(shù)研究，2013年11月11日，正式開始投入施工，首次順利完成3號(hào)墩三角剛架4個(gè)拱腳預(yù)埋段C50山砂鋼纖維高強(qiáng)混凝土澆筑。

其后依次完成2號(hào)墩2個(gè)拱腳預(yù)埋段，4號(hào)墩三角剛架4個(gè)拱腳預(yù)埋段和5號(hào)墩拱腳預(yù)埋段C50山砂鋼纖維高強(qiáng)混凝土施工。

施工過程中按照經(jīng)多次試驗(yàn)優(yōu)選的施工配合比和施工工藝并嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)程要求有序進(jìn)行，混凝土試件28d強(qiáng)度普遍達(dá)到60Mpa以上，實(shí)體外觀質(zhì)量良好，混凝土的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能和表觀質(zhì)量都達(dá)到了設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，質(zhì)量一次性驗(yàn)收合格。

經(jīng)過對(duì)可行性分析、原材料的合理選用、攪拌方法及過程的嚴(yán)格控制，重點(diǎn)控制鋼纖維在攪拌與澆筑過程中的投入、分散等因素，本工程實(shí)現(xiàn)了山砂鋼纖維混凝土的正常澆筑。

6 探討

（1）山砂中粉末含量對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響還沒有數(shù)據(jù)可供參考。在加入鋼纖維后的耐久性如何評(píng)判需要更長(zhǎng)時(shí)間的考察和研究。

（1）根據(jù)前人研究，山砂中的粉末在混凝土中主要呈惰性填充作用，但也會(huì)發(fā)生少量堿集料反應(yīng)。在加入鋼纖維后，粉末與鋼纖維之間的作用機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

（1）本工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大，澆筑時(shí)的難度較小。在小尺寸結(jié)構(gòu)中的澆筑情況有待進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]《機(jī)制砂對(duì)高強(qiáng)混凝土體積穩(wěn)定性的影響》.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007年10期.

作者簡(jiǎn)介：席利萍（1975—），女，本科，重慶大學(xué)，土木工程專業(yè)，工程師。