鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制技術(shù)分析

劉鵬飛

昆山市交通科技研究中心有限公司 江蘇昆山 215300

混凝土是目前工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、用量最大的建筑材料，據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前，全世界每年生產(chǎn)使用的混凝土已經(jīng)超過(guò)100億噸，而且這個(gè)數(shù)量還在不斷增加。同時(shí)有專家預(yù)測(cè)，混凝土材料今后有四大發(fā)展趨勢(shì)：①混凝土技術(shù)進(jìn)入了高科學(xué)技術(shù)時(shí)代，正向著高強(qiáng)度、高工作性和高耐久性等方向發(fā)展；②混凝土科學(xué)技術(shù)的任務(wù)從過(guò)去的最大限度向自然索要財(cái)富，向合理利用、節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)平衡發(fā)展，以至于成為科學(xué)、節(jié)能、綠色、友好型的建筑材料；③混凝土能不能適應(yīng)特殊環(huán)境及條件需求，特殊材料、特殊性能、特殊工藝是未來(lái)混凝土發(fā)生的趨勢(shì)和方向之一；④混凝土如何科學(xué)合理的進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，滿足良好的使用性能和技術(shù)要求，也是今后混凝土需要發(fā)展和研究的重要內(nèi)容之一。

鋼纖維混凝土作為一種特種混凝土，屬于一種新型的多相復(fù)合材料，既可以澆灌，也可以噴射施工。摻入鋼纖維可以有效改善混凝土的性能，提高混凝土的抗彎、抗拉、抗沖擊強(qiáng)度等，具有抗彎拉強(qiáng)度高、耐磨性良好、不易開(kāi)裂、不易疲勞、和韌性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。因此，鋼纖維在道路工程、橋梁工程、隧道襯砌等工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，特別是在需要薄的斷面或者不規(guī)則形狀的斷面工程中，以及不易配置鋼筋的構(gòu)件中，具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

1 混凝土配合比確定原則

進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制，首先應(yīng)了解工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求、施工條件及使用過(guò)程中的情況，如使用條件、使用年限、使用的部位、設(shè)計(jì)強(qiáng)度、外部環(huán)境、荷載的性質(zhì)、以及運(yùn)輸條件、施工工藝及方法等。其次，需要熟悉有關(guān)配合比的相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，以便于可以深刻透徹的理解明確混凝土配合比的相關(guān)要求。同時(shí)，混凝土的配合比對(duì)混凝土的造價(jià)以及性能影響較大，對(duì)于混凝土的生產(chǎn)來(lái)講，是一項(xiàng)非常重要的依據(jù)。另外，組成混凝土的各種原材料的性能差別很大，如水泥的品種很多，不同的水泥其性能指標(biāo)存在差異；不同材料之間的適應(yīng)性也需要一并考慮，如水泥與外加劑可能存在不適應(yīng)的問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，在充分了解各方面要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰λ剑鶕?jù)原材料的種類及具體性能指標(biāo)，提出多種配合比設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不斷進(jìn)行優(yōu)化方能設(shè)計(jì)出滿足工作性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性的配合比?；炷僚浜媳纫话銘?yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則：

1.1 符合設(shè)計(jì)要求

符合設(shè)計(jì)要求，是混凝土配合比設(shè)計(jì)需要遵循的首要原則。不滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的配合比是沒(méi)有意義的，也是沒(méi)有價(jià)值的。在工程中，很多結(jié)構(gòu)物因其使用功能不同，對(duì)混凝土的性能要求差異很大，尤其是對(duì)于耐久性方面的要求。例如：有的工程結(jié)構(gòu)物，對(duì)抗?jié)B性能、抗凍性能、抗裂性都要求較高，而有的工程對(duì)抗侵蝕、低熱性能要求較高，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)配合比的時(shí)候，就要充分考慮這些性能指標(biāo)的特殊要求。同時(shí)要均衡把握，統(tǒng)籌兼顧，不能顧此失彼，合理、科學(xué)、可行的配合比，往往是在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，也不造成浪費(fèi)[1]。

1.2 滿足施工需要

設(shè)計(jì)是為施工服務(wù)，好的設(shè)計(jì)一定是可以滿足施工需要，便于施工操作。對(duì)于混凝土配合比來(lái)講，最突出、最重要的兩個(gè)指標(biāo)就是，和易性是否滿足要求，在施工過(guò)程中是否容易振搗密實(shí)。如果和易性不滿足施工要求，就可能造成在運(yùn)輸過(guò)程中需要加水，對(duì)混凝土的質(zhì)量和效果影響都較大，而根據(jù)規(guī)范是不允許隨意加水的。同時(shí)，由于試驗(yàn)室的環(huán)境條件和工地現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件存在一定程度的差別，因此，需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件而不斷調(diào)整，因此，混凝土配合比設(shè)計(jì)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需要考慮各種不確定因素的影響，而做好合理，有效的調(diào)整，以滿足施工操作。確定混凝土配合比需要充分發(fā)掘、探索運(yùn)用其內(nèi)在的規(guī)律，盡量減小人為和經(jīng)驗(yàn)方面因素的干擾。

1.3 降低經(jīng)濟(jì)成本

一種好的配合比，往往經(jīng)濟(jì)成本不是最高的，好的配合比，往往也是性價(jià)比比較高的。大量試驗(yàn)表明，水灰比是影響混凝土強(qiáng)度以及耐久性最重要的因素，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)降低水膠比可以提高強(qiáng)度及耐久性。因此，混凝土的用水量和水泥用量決定了混凝土的水灰比的同時(shí)，也決定了其經(jīng)濟(jì)性。很多混凝土配合比往往存在一定的矛盾，例如，為了施工的方便操作，往往需要大一些的坍落度，但是大的坍落度，就需要用水量在一定程度上增加，為了保持水灰比不變，就需要提高水泥的用量，這就無(wú)形中增加了混凝土的經(jīng)濟(jì)成本，所以一種合理的配合比，需要在經(jīng)濟(jì)和各種性能之間尋求一個(gè)理想的平衡點(diǎn)[2]。

2 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

與普通混凝土不同的是，鋼纖維混凝土性能主要取決于鋼纖維材料和水泥混凝土基體材料的性能。兩者的質(zhì)量和配合比決定了鋼纖維混凝土的性能和質(zhì)量，也在很大程度上影響施工的可行性以及混凝土的造價(jià)。

鋼纖維材料屬于一種低碳鋼，在特殊工程中，也采用不銹鋼材料。鋼纖維混凝土一般對(duì)鋼纖維的強(qiáng)度、尺寸、形狀、長(zhǎng)徑比要求較高。對(duì)于混凝土基體，需要其具備高強(qiáng)度、具有較好的密實(shí)性。這樣可以保證兩者之間的粘結(jié)性能，同時(shí)也可以最大限度發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)功能。另外，對(duì)于鋼纖維混凝土來(lái)講，需要適量添加一定的摻合料，一般來(lái)講，主要可選用粉煤灰、硅粉、高爐礦渣等材料，比表面積不低于450m2/kg。特殊情況下，也會(huì)摻入一定量的聚合物，可以進(jìn)一步發(fā)揮其增強(qiáng)作用。外加劑主要采用高效減水劑和緩凝劑[3]。

目前最常用的配合比設(shè)計(jì)方法有：①等體積替代骨料法；②以抗壓強(qiáng)度為控制參數(shù)法；③二次合成設(shè)計(jì)法。鋼纖維混凝土的配合比參數(shù)一般需要考慮以下幾個(gè)方面：①鋼纖維的摻入量：混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，主要取決于鋼纖維的含量，根據(jù)工程實(shí)踐研究，一般情況下，鋼纖維的體積率在1%～2%左右。②混凝土的水灰比：一般情況，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，配合比盡量選用較小的水灰比，鋼纖維混凝土優(yōu)先選用強(qiáng)度等級(jí)高的水泥，當(dāng)配制高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r候，需要選用52.5MPa以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水灰比往往在0.30～0.40較為合理。③粗骨料最大粒徑：國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)及工程實(shí)踐研究表明，鋼纖維混凝土在骨料最大粒徑為15mm，可以取得最優(yōu)的強(qiáng)度，當(dāng)粒徑最大值超過(guò)25mm，強(qiáng)度在一定程度上將被弱化。④混凝土的砂率：砂率的主要作用在于，它是鋼纖維材料在混凝土的載體，對(duì)鋼纖維的強(qiáng)度在一定程度上起著支配作用，同時(shí)對(duì)混凝土的稠度也起著一定影響作用，一般砂率在50%作用是最優(yōu)的，但要根據(jù)具體材料以試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。⑤單位用水量主要取決與粗骨料的品種，以及最大骨料的粒徑，其單位體積用水量一般在205～235kg范圍內(nèi)。⑥外加劑用量：合理使用高效減水劑，不僅可以降低水泥用量，也可以減小工程的經(jīng)濟(jì)造價(jià)。研究表明，高效減水劑，可以減小15%左右的水泥用量。某工程使用的一種經(jīng)濟(jì)、合理、可行的鋼纖維混凝土配合比如下表所示：

表1 典型鋼纖維混凝土的配合比及28天強(qiáng)度

3 鋼纖維混凝土質(zhì)量控制

進(jìn)行鋼纖維混凝土的質(zhì)量控制，首先是控制好原材料質(zhì)量，確保工程中使用的各種原材料是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)的同廠家同規(guī)格材料，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足相應(yīng)的規(guī)范要求；然后，在鋼纖維混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，加強(qiáng)質(zhì)量管控，準(zhǔn)確計(jì)算施工配合比，合理安排投料順序及攪拌時(shí)間，檢測(cè)鋼纖維體積率，加強(qiáng)和易性檢測(cè)尤其是施工現(xiàn)場(chǎng)的和易性檢測(cè)，確保所生產(chǎn)的混凝土滿足設(shè)計(jì)及施工要求；最后，在運(yùn)輸和澆注過(guò)程中，嚴(yán)格按照規(guī)范及施工前制定的各項(xiàng)方案進(jìn)行，混凝土到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后及時(shí)進(jìn)行澆注，澆注后及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

按照鋼纖維混凝土生產(chǎn)的特點(diǎn)，質(zhì)量控制的目的是要保證各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；質(zhì)量控制的目標(biāo)是使生產(chǎn)配合比和試驗(yàn)室確定的配合比“盡量相近”（包括組成材料的質(zhì)量和數(shù)量），越相近說(shuō)明質(zhì)量控制得越好，因?yàn)閷?shí)際情況（材料、機(jī)械、人員、方法、環(huán)境）不是恒定不變的，所以難以做到“相同”。質(zhì)量控制的主要內(nèi)容是組成材料質(zhì)量檢驗(yàn)和和保證配料稱量準(zhǔn)確；質(zhì)量控制的任務(wù)是防止發(fā)生錯(cuò)誤和盡量減小誤差，使生產(chǎn)保持在一個(gè)高的、穩(wěn)定的質(zhì)量水平上?；炷恋慕M成材料質(zhì)量，在合格的基礎(chǔ)上還應(yīng)確保穩(wěn)定性，才能生產(chǎn)出合格而均勻的混凝土。因此做好事前，事中，事后三重質(zhì)量控制，才能保證混凝土配合比的質(zhì)量，避免人為因素造成質(zhì)量事故，減少經(jīng)濟(jì)損失[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維混凝土作為一種高效優(yōu)良的復(fù)合材料，合理的配合比具有較高的技術(shù)含量，如何設(shè)計(jì)出合理、科學(xué)、可行的混凝土，需要從混凝土原材料的品種及性能、混凝土配合比的確定方法及優(yōu)化、混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量控制等多方面著手探索研究。