鋼纖維摻量對CF50鋼纖維微膨混凝土性能的影響

張龍 王模弼 張亞峰

摘要：混凝土中摻入鋼纖維和膨脹劑，其復合效應可以有效提高混凝土的抗裂、抗凍等耐久性能，論文開展了鋼纖維摻量分別為0、30kg、60kg、90kg、120kg時對混凝土工作性、力學性及耐久性能的影響試驗，結(jié)果表明：隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的工作性逐漸降低，抗壓強度逐漸增高，而混凝土的抗開裂和抗凍能力則呈先提高后下降的趨勢，當鋼纖維摻量為60kg時，混凝土的綜合性能最優(yōu)，其坍落度為200mm，28d抗壓強度為62.6MPa，抗裂等級達到Ⅴ級，抗凍等級為F600。

Abstract： Concrete was mixed with steel fiber and expansion agent， and its composite effect can effectively improve the durability of concrete against cracking and frost resistance. The paper carried out an experiment on the influence of steel fiber content of 0， 30kg， 60kg， 90kg and 120kg on the workability， mechanical properties and durability of concrete. The results show that with the increase of steel fiber content， the workability of concrete is gradually reduced， the compressive strength was gradually increased， and the anti-cracking and anti-freezing ability of concrete increased first and then decreased. When the steel fiber content was 60kg， the comprehensive performance of the concrete was optimal， the slump was 200mm， the 28d compressive strength was 62.6MPa， the crack resistance grade was V grade， and the anti-freeze grade was F600.

關鍵詞：鋼纖維;膨脹劑;凍融循環(huán);開裂

Key words： steel fiber;expansion agent;freeze-thaw cycle;cracking

中圖分類號：TU528.572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0198-03

0? 引言

鋼纖維微膨混凝土是充分利用鋼纖維和膨脹劑復合效應的一種混凝土，其一方面利用開裂前膨脹劑的抗裂防滲作用和開裂后期鋼纖維的阻裂增強作用，反映了“層次抗裂、階段抗裂”的新概念。另一方面，在混凝土中三維亂向分布鋼纖維，可為混凝土提供均勻的內(nèi)部約束，使膨脹劑的作用實現(xiàn)最大化發(fā)揮;同時膨脹劑的反應物可將鋼纖維周圍的孔隙填充滿，大大增加了混凝土致密性，客觀上增強了鋼纖維與混凝土之間的界面結(jié)合力，有助于改善混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。綜上，鋼纖維和膨脹劑的復合使用，能夠充分發(fā)揮兩者的協(xié)同耦合作用，相互促進、相互激發(fā)、相互匹配，達到“1+1>2”的效果[1-6]。

以云南某鋼混疊合橋為依托，其橋面鋪裝層以及伸縮縫均采用CF50鋼纖維微膨混凝土，泵送施工，且泵送高度高、距離遠，泵管布置總長為145m，其中垂直泵管40m，因此對混凝土的工作性能要求較高，論文基于此問題，分析了不同鋼纖維摻量對混凝土工作性，抗壓強度，早期開裂及限制收縮率的影響，以探索出合適的鋼纖維摻量，既能滿足混凝土的泵送施工要求，又具有良好的力學性及耐久性能。

1? 試驗材料

水泥采用P·O 52.5級水泥，具體物理力學性能如表1;采用4.75～25mm連續(xù)級配碎石作為粗骨料;采用S75級?；郀t礦渣粉（簡稱礦渣粉）為其礦物摻合料，具體技術(shù)指標如表2;選用細度模數(shù)為2.7～2.8的河砂作為細骨料;采用聚羧酸高性能減水劑作為其外加劑，具體技術(shù)指標如表3;水為自來水，鋼纖維采用云南凱瑞建材有限公司生產(chǎn)的端鉤型鋼纖維，型號規(guī)格為長38mm，直徑0.8mm，抗拉強度為670MPa，長徑比偏差為0.4%，膨脹劑為云南特亞建材有限公司生產(chǎn)的UEA高效低堿膨脹劑，限制膨脹率水中7d為0.037%，空氣中21d為-0.011%。

2? 配合比設計

參照JGJ55-2010《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，JG/T472-2015《鋼纖維混凝土》所規(guī)定的內(nèi)容，鋼纖維采用外摻法、膨脹劑采用內(nèi)摻法，同時考慮泵送的施工要求，設計不同鋼纖維摻量的試驗配合比，如表4所示。

3? 鋼纖維摻量對混凝土性能的影響

3.1 鋼纖維摻量對混凝土工作性及力學性能的影響

分析圖1發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量的逐步增加，CF50鋼纖維微膨混凝土的坍落度和擴展度會逐漸降低，倒提時間逐漸增大。未添加鋼纖維的混凝土，其坍落度為220mm，擴展度為500mm，當鋼纖維摻量為30kg時，混凝土的坍落度為210mm，擴展度為470mm，鋼纖維摻量增加至60kg時，混凝土的坍落度為200mm，擴展度為430mm，可知在鋼纖維摻量較低時，混凝土的工作性變化不大，而繼續(xù)增加鋼纖維摻量至90kg時，混凝土的坍落度為150mm，擴展度為350mm，混凝土的工作性出現(xiàn)較大幅度的下降，相對于未添加鋼纖維的混凝土，坍落度降低了32%，擴展度降低了30%，當鋼纖維摻量為120kg時，坍落度和擴展度僅為130mm和280mm，坍落度降低了41%，擴展度降低了44%，而且容易造成混凝土的離析及鋼纖維的團聚，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為一方面鋼纖維微膨混凝土的工作性與摻入的鋼纖維總比面積的大小有關，鋼纖維摻量越高，總比表面積越大，需要包裹鋼纖維的水泥漿體隨之增加，而起到流動作用的水泥漿體相應減小，最終導致混凝土的工作性降低，另一方面，鋼纖維的“棚架效應”也會造成混凝土的工作性降低。

由圖2可知，未添加鋼纖維的基準組混凝土3d和28d抗壓強度分別為44.5MPa，54.3MPa，而通過加入鋼纖維，可大大提高混凝土的抗壓強度，且隨著逐漸提高鋼纖維摻量，抗壓強度也會越來越強，相較于基準組，不同鋼纖維摻量下28d抗壓強度分別提高7%，15%，20%，23%，而且從圖中還可以看出，混凝土的抗壓強度在0～60kg范圍內(nèi)增長速率較快，但隨著鋼纖維摻量繼續(xù)增加，在60～120kg范圍內(nèi)，混凝土的抗壓強度增長幅度逐漸降低，這是因為隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的工作性變差，且鋼纖維在混凝土中難以分布均勻，局部孔隙率增加，抑制了混凝土抗壓強度的增長速率。

3.2 鋼纖維摻量對混凝土早期開裂性能的影響

根據(jù)表4配合比，參照相關規(guī)范流程標準，選用平板刀口約束法來評價混凝土的開裂，試模裝置采用CABR-BEC刀口約束混凝土早期開裂試驗設備，試件尺寸為800mm×600mm×100mm。試件成型30min后，將其置于特定環(huán)境中進行必要的吹風干縮處理，特定環(huán)境需滿足相對濕度保持在60±5%、溫度控制在20±2℃，風速為5m/s。試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，基準組混凝土的最大裂縫寬度為0.25mm，單位面積上的總開裂面積為289.36mm2/m2，這是由于在膨脹劑的單獨作用下，混凝土的早期收縮會被抑制，并且水泥與膨脹劑發(fā)生水化反應，會生成膨脹性鈣礬石，大大增強了混凝土的致密性，從而使得混凝土的抗裂性能增強，而隨著鋼纖維的加入，混凝土早期收縮的最大裂縫寬度與單位面積上的最大開裂面積均明顯降低，當鋼纖維摻量為60kg時，混凝土的最大裂縫寬度和單位面積總開裂面積最小，繼續(xù)增加鋼纖維的摻量，在60～120kg的范圍內(nèi)，混凝土單位面積上的總開裂面積與最大裂縫寬度有所上升，但均低于基準組，造成以上變化的主要原因是鋼纖維與膨脹劑的復合效應，一方面膨脹劑通過對混凝土的早期收縮進行補償而防止開裂，另一方面適量的摻入鋼纖維，可以限制混凝土的收縮與膨脹，改善混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其阻裂作用，兩方面因素的協(xié)同耦合作用下，最終有效提高混凝土的抗裂能力，而過多的摻入鋼纖維，易造成其在混凝土中分布不均勻，鋼纖維之間搭接重疊的幾率增加，在搭接重疊的界面處就容易形成孔隙，孔隙周圍則易萌生微裂紋，造成混凝土的抗裂能力降低。

3.3 鋼纖維摻量對混凝土抗凍性能的影響

根據(jù)表4配合比，參考相關規(guī)范流程標準，采用快凍法評定混凝土的抗凍性能，試件尺寸為100mm×100mm×400mm棱柱體，試件先標養(yǎng)24d，之后水中浸泡4d，在28d進行快速凍融試驗，混凝土破壞前的最大凍融循環(huán)次數(shù)如圖4所示。

由圖4可知，相較于單摻膨脹劑的基準組，通過加入鋼纖維可大大提高混凝土的抗凍性能，并且逐漸增加鋼纖維摻量，混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)趨勢為先升高后降低，在鋼纖維摻量為60kg時，混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)最大為600次，可見在這一摻量下混凝土的抗凍性能最好。這是因為適量的鋼纖維摻量，能充分發(fā)揮鋼纖維與膨脹劑的復合效應，鋼纖維限制了膨脹和收縮，微膨脹又補償了收縮，從而提高混凝土的致密性，而且鋼纖維的摻入能改善混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，其阻裂、橋接的作用，可以有效提高混凝土抵抗侵蝕、凍融破壞的能力，而鋼纖維摻量過高時，使其在混凝土中的分布不均勻，增加混凝土內(nèi)部的孔隙率，從而降低了混凝土的抗凍性能。

4? 結(jié)論

①當鋼纖維的摻量為60kg時，鋼纖維與膨脹劑的復合效應最優(yōu)，混凝土的工作性和抗壓強度在滿足泵送施工要求的前提下，同時還具備優(yōu)異的抗裂性能和抗凍性能。

②CF50鋼纖維微膨混凝土成功應用于云南某橋的橋面鋪裝層及伸縮縫，施工期間混凝土工作性良好，適宜泵送，澆筑過程連續(xù)，未發(fā)生堵管的情況，可見論文優(yōu)化出的鋼纖維摻量為60kg是合理可靠的。

參考文獻：

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作者簡介：張龍（1985-），男，云南昆明人，本科，工程師，研究方向為混凝土材料;王模弼 （1987-），男，湖北紅安人，碩士研究生，工程師，研究方向為混凝土材料;張亞峰（1990-），男，河南洛陽人，碩士研究生，助理工程師，研究方向為混凝土材料。