钢纤维高性能混凝土配合比设计研究.pdf

第 54 卷第 23 期 2023 年 12 月Vol.54 No.23 Dec.20232899 建 筑 技 术 Architecture Technology钢纤维高性能混凝土配合比设计研究陈忠章1，王晓妍2，段木子1，蔡升宇1，朱克东1（1.广州市市政集团有限公司，510060，广州；2.重庆交通大学，400074，重庆）摘要：将水泥、硅粉、粉煤灰、石英砂、钢纤维、石子等作为原材料，以抗压强度 100 MPa、抗折强度 11.5 MPa 和流动度 600 mm 为标准进行试验，研究了 3 种不同尺寸的钢纤维对衬砌混凝土力学性能的影响。结果表明，3 种不同尺寸的钢纤维都满足高强混凝土性能，但长径比为 65 的钢纤维性能更好，且当钢纤维掺量为 2%时，纤维沿裂缝面顺向分布，具有较好的增韧作用。加入粗骨料后其抗压强度显著提高，但是抗折性能会减弱。同时石子粒径较大会降低纤维和整个体系的粘结度，进而显著降低混凝土的流变性能，经综合评估，以总骨料质量的 30%为上限。关键词：衬砌混凝土；抗开裂性能；钢纤维；高性能混凝土中图分类号：TV 431+.3 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)23-2899-04RESEARCH ON THE MIX DESIGN OF HIGH PERFORMANCE CONCRETE WITH STEEL FIBERCHEN Zhong-zhang1,WANG Xiao-yan2,DUAN Mu-zi1,CAI Sheng-yu1,ZHU Ke-dong1(1.Guangzhou Municipal Group Co.,Ltd.,510060,Guangzhou,China;2.Chongqing Jiaotong University,400074,Chongqing,China)Abstract:Cement,silica fume,fly ash,quartz sand,steel fiber and stones were used as raw materials,and the tests were carried out with compressive strength of 100 MPa,flexural strength of 11.5 MPa and fluidity of 600 mm as standards.The influence of three kinds of steel fibers with different sizes on the mechanical properties of lining concrete was studied through experiments.The results show that three kinds of steel fibers with different sizes meet the performance of high-strength concrete,but the steel fiber with length-diameter ratio of 65 has better performance,and when the fiber content is 2%,the fibers are distributed along the crack surface,which has better toughening effect.It is found that the compressive strength is significantly improved after adding coarse aggregate,but the flexural performance will decrease.At the same time,due to the large particle size of stones,the adhesion between fibers and the whole system will be reduced,which will significantly reduce the rheological properties of concrete.After comprehensive evaluation,the upper limit is 30%of the total aggregate quality.Keywords:lining concrete;anti-cracking performance;steel fiber;high performance concrete隧洞工程一般作为基础设施工程项目中的控制性工程，安全、快速、经济和绿色的施工是整体建设项目实施的关键因素。近年来，随着隧洞工程数量的增多，穿越的地质条件、地下水条件越来越复杂，隧洞支护衬砌混凝土受力状态也越来越复杂。隧洞衬砌混凝土的抗开裂性能是隧洞安全运行的重要指标12，因此采用更高性能的混凝土是非常有必要的。纤维作为一种具备高韧性和高抗拉强度的材料，其加入混凝土之后会产生桥接作用3。通过纤维的桥接作用，混凝土的抗开裂能力和极限抗拉性能均会得到不同程度的提升。高强混凝土以致密堆积实现自身的高抗压强度，在抗拉强度层面，主要通过掺入纤维实现性能的提升46。目前工程中使用过的纤维种类包括聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、抗碱玻璃纤维、木纤维、碳纤维和钢纤维等78。鉴于目前高强混凝土普遍采用短直钢纤维作为原材料9，故将短直钢纤维作为高强混凝土的原材料，并对不同钢纤维尺寸进行试验研究10。同时在目前的研究中，高性能混凝土主要将细砂等作为细骨料11，然而粗骨料的加入可以有效提高高性能混凝土的抗压强度和弹性模量12，针对粗骨料的影响的研究较少，因此其力学性能的影响有待进一步研究。本研究首先对 3 种不同尺寸的钢纤维进行力学性能试验，确定纤维尺寸，在此基础上，进行钢纤维不同掺量的试验，确定钢纤维最佳掺量，最后掺加粗细骨料，改变粗细骨料比例来测试骨料对高性能混凝土收稿日期：20230728作者简介：陈忠章（1967），男，福建南安人，教授级高级工程师，硕士，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 23 期2900性能的影响。研究结果可为隧洞工程中衬砌混凝土配合比设计提供参考。1 试验方案1.1 原材料高性能混凝土主要是通过胶凝材料、掺合料、细集料、高强短细纤维和减水剂等加水拌和，经凝结硬化后形成的一种高强度、高韧性、高耐久性能的水泥基复合材料。考虑到隧洞结构混凝土的受力特点，本研究配备的高性能混凝土使用的粉体掺合料如下：PO 52.5 普通硅酸盐水泥、级粉煤灰、超细硅粉及粒径为 2 000 目（0.006 5 mm）的石灰石粉。细骨料采用4070目（0.20.4 mm）、70120目（0.10.2 mm）两种级配的石英砂，配合粗石英砂（0.54.75 mm）形成连续性级配；粗骨料采用 510 mm 的石子。试验采用的外加剂为高性能减水剂，其固含量为20%。采用筛分法、激光粒度仪等方法对本试验的原材料进行粒径的系统测量，粉体材料的粒径分布如图 1所示。100806040200累积百分率/%0.1 1 10 100 1 000水泥 硅粉 粉煤灰颗粒粒径/m图 1 粉体材料粒径分布1.2 配合比设计按照 GB/T 313872015活性粉末混凝土中对高性能混凝土的最低强度（100 MPa）要求，本研究以水胶比为 0.20、硅粉掺量为 10%、粉煤灰掺量为 20%、砂胶比为 1.1，测试不同尺寸钢纤维对高性能混凝土的力学性能影响。配合比设计见表 1，其中，A、B、C 3 组钢纤维种类不同，F1F4 4 组钢纤维掺量不同，D1D9 9 组骨料比例不同，各组掺入的水泥均为 700 kg/m3，硅粉为 100 kg/m3，粉煤灰为 200 kg/m3，水为 200 kg/m3。1.3 试验方法试 验 采 用 100 mm100 mm100 mm 试 件 和100 mm100 mm400 mm 试件，根据标准养护方式 表 1 配合比设计 kg/m3编号细 中石英砂粗石英砂石子钢纤维A5505500157B5505500157C5505500157F155055000.0F2550550078.5F35505500157.0F45505500235.5D1001 100157D20400700157D30550550157D40700400157D501 1000157D6385385330157D7385385330157D81 10000157D95500550157养护至相应龄期，按照 GB/T 500812002普通混凝土力学性能试验方法标准进行抗压和抗折强度测试。测试仪器为2 000 kN微机控制电液伺服压力试验机和万能试验机。2 试验结果与分析2.1 不同种类钢纤维对高性能混凝土的影响选用 3 种不同尺寸的钢纤维进行试验，A 类钢纤维：长度 8 mm，等效直径 0.16 mm，抗拉强度2 800 MPa，长径比 50；B 类钢纤维：长度 13 mm，等效直径 0.2 mm，抗拉强度 2 800 MPa，长径比 65；C 类钢纤维：长度 20 mm，等效直径 0.36 mm，抗拉强度 2 800 MPa，长径比 56。不同类别钢纤维的力学性能试验结果如图 2 所示。根据试验流动性结果：A 类钢纤维扩展度为 620 mm，B 类钢纤维扩展度为680 mm，C 类钢纤维扩展度为 420 mm，从扩展度反映的流动性能可以得出，纤维长度越长、直径越大，其在搅拌过程中的覆盖面越大，形成的整个体系空隙大，不易于被粉体包裹，导致其流动性能差。从图 2 可以看出，3 种不同尺寸的钢纤维都能满足高抗拉强度和高抗压强度的力学性能指标要求（抗压强度100 MPa，抗折强度 11.5 MPa），尤其是 B 类钢纤维，其力学性能和流变性均优于另外两种尺寸的钢纤维，同时许多学者在研究中采用的也是长径比为 65 的直2023 年 12 月2901钢纤维1314，因此确定将 B 类钢纤维作为试验用钢纤维。130120110100171615141312抗压强度/MPa抗折强度/MPa抗压强度 抗折强度A B C钢纤维类别图 2 不同钢纤维类别的力学性能试验结果2.2 不同钢纤维掺量对高性能混凝土的影响确定采用 B 类钢纤维后，通过改变钢纤维掺量进行性能试验。不同钢纤维掺量的力学性能试验结果如图 3 所示。13012011010090151413121110抗压强度/MPa抗折强度/MPa抗压强度 抗折强度0 1 2 3钢纤维掺量/%图 3 不同钢纤维掺量的力学性能试验结果从图 3 可以看出，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度逐渐提升，加入钢纤维显著改善了混凝土的脆性且提高了整个体系的韧性。但当钢纤维掺量从 2%提升至 3%时，其抗折强度仅从 14.1 MPa 提升至 14.3 MPa，提升幅度较小，考虑是由于钢纤维掺量存在一个临界点，当超过这个临界点后，增加掺量对混凝土整体性能的提升就不明显了。从破坏界面（图 4）可以看出，当试件承受荷载加载的破坏过程中产生竖向裂缝，且裂缝贯穿于试件上下的加载面时，钢纤维呈现拔出破坏但没有被拉断，钢纤维沿裂缝面的分布和走向对其桥接作用具有重要影响，这主要是由于加入钢纤维后，混凝土与钢纤维之间存在一种粘结力，这种粘结力阻碍了裂缝的进一步发展，且约束了横向变形15。但是当钢纤维掺量过大时，混凝土拌和时钢纤维无法充分分散，沿裂缝面呈现杂乱状态，未充分发挥其增韧作用。当钢纤维掺量为1%2%时，钢纤维沿裂缝面顺向分布，具有较好的增韧作用。因此研究选定 B 类钢纤维、掺量为 2%进行超高性能自密实混凝土材料的研发和制备。图 4 混凝土破坏后钢纤维分布2.3 不同骨料掺量对高性能混凝土的影响不同骨料掺量的配合比及性能测试结果见表 2。为了更直观地反映不同骨料掺量对高性能混凝土的影响，采用软件 MiniTab 输入数据后在三角形坐标系内得到三角形等值线图，如图 5 所示。表 2 不同骨料掺量的配合比及性能测试结果编号抗压强度/MPa抗折强度/MPa扩展度/mm通过 V 形漏斗的时间/sD1133.310.2300阻塞D2138.613.3300阻塞D3126.913.6300阻塞D4124.112.140055D5113.211.071518D6115.014.865015D7100.115.262521D882.211.266023D9128.613.630052由表 2 可知，只添加一种骨料时，添加粗骨料（即石子）对抗压强度性能的提升优于砂，其可以显著提高混凝土的抗压强度，即编号为 D1 的 28 d 抗压强度为 133.3 MPa，优于编号 D5（只掺加粗石英砂）和 D8（只掺加细中石英砂）的 28 d 抗压强度：113.2 MPa 和 82.8 MPa。从图 5（a）可以看出，粗骨料是影响抗压强度的关键变量，随着石子掺量的提高，抗压强度随之提高，这是因为粗骨料会在混凝土内部产生空间骨架作用，因此随着粗骨料的加入，混凝土的力学性能会显著提升；从图 5（b）可以看出，粗骨料的加入会导致混凝土内部的匀质性降低，同时在界面过渡区形成软弱带，因此，加入粗骨料后其抗折性能会呈现减小的趋势。同时，抗折强度最高的区域为粗、中、细石英砂掺配为连续级配的情况，连续级配的石英砂会增加混凝土的密实性；粗骨料的加入会显著降低混凝土的流动度，由于粗骨料的粒型较大，需要用砂浆对其进行包裹以实现共同流动。可以看出，陈忠章，等：钢纤维高性能混凝土配合比设计研究建 筑 技 术第 54 卷第 23 期2902细 中石英砂/kg 1 1000001 100 粗石英砂/kg1 100 石子/kg28 d 抗压强度035.535.539.339.3100.0100.0110.0110.0120.0 120.0细 中石英砂/kg 1 1000001 100 粗石英砂/kg1 100 石子/kg28 d 抗折强度 04.74.710.010.011.511.513.013.015.0 15.0细 中石英砂/kg 1 1000001 100 粗石英砂/kg1 100 石子/kg扩展度0500.00500.00600.00600.00700.00700.00800.00 800.00（a）（b）（c）图 5 等值线图（a）抗压强度等值线图；（b）抗折强度等值线图；（c）扩展度等值线图限制粗骨料用量的关键因素是混凝土的流变性能。同时可以看出，填入粗骨料后，部分混凝土的通过V形漏斗的时间也满足了525 s的要求。通过对等值线图的分析，为了保证高性能混凝土良好的和易性，建议石子掺量不超过总骨料质量的30%。3 结论本研究将水泥、硅粉、粉煤灰作为原始胶凝材料，通过研究不同钢纤维掺量对超高性能混凝土力学性能的影响，确定最佳钢纤维掺量。并在此基础上，研究粒径为 04.95 mm 的粗石英砂和粒径为 510 mm 石子的不同掺量对超高性能混凝土力学性能及流变性能的影响。（1）针 对 钢 纤 维（长 度 13 mm，等 效 直 径0.2 mm，抗拉强度 2 800 MPa，长径比 65）进行不同掺量（0%、1%、2%、3%）的试验发现，钢纤维掺量过大时会出现纤维凝结成团的现象，对实际工程施工不利。因此确定钢纤维掺量为 2%。（2）粗骨料的加入会导致混凝土内部的匀质性降低，其抗折性能会呈现减小的趋势。同时抗折强度最高是粗、中、细石英砂掺配为连续级配的情况，连续级配的石英砂会增加混凝土的密实性。（3）粗骨料的加入在一定限值内可以提升混凝土的抗压强度，但会显著降低混凝土的流变性能，经综合评估，粗骨料的掺量应以总骨料质量的 30%为上限。参考文献1 宁晓娜,刘忠富,龙翔.水工隧洞混凝土衬砌裂缝成因的调查与分析 J.东北水利水电,2021,39(5):6768.2 田振华,李宝石,王经臣.水工隧洞混凝土衬砌裂缝监测与成因分析 J.水力发电,2017,43(9):4548.3 姚武,蔡江宁,陈兵,等.混杂纤维增韧高性能混凝土的研究 J.三峡大学学报(自然科学版),2002(1):4244.4 张欢欢.高性能纤维混凝土力学性能试验研究 J.成都工业学院学报,2022,25(3):610.5 徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用 J.土木工程学报,2008(6):4560.6 韩嵘,赵顺波,曲福来.钢纤维混凝土抗拉性能试验研究 J.土木工程学报,2006(11):6367.7 陈润锋,张国防,顾国芳.我国合成纤维混凝土研究与应用现状J.建筑材料学报,2001(2):167173.8 王兵,林泽桦,闵金伟.不同种类钢纤维对混凝土轴心抗压性能的影响 J.四川建材,2022,48(9):89,11.9 冯霄,张腾元,吴佳明,等.钢纤维再生骨料混凝土力学性能研究J.科学技术创新,2022(34):117120.10 赵宇,曹鑫,陈翠翠.钢纤维对超高性能混凝土性能的影响 J.江苏建材,2022(6):1113.11 李信,陈露一,黄有强,等.含粗骨料超高性能混凝土的制备及其性能研究 J.混凝土与水泥制品,2019(11):68.12 LIU J Z,HAN F Y,CUI G,et al.Combined effect of coarse aggregate and fiber on tensile behavior of ultra-high performance concreteJ.Construction and Building Materials,2016,121:310318.13 MENG W,VALIPOUR M,KHAYAT K H.Optimization and performance of cost-effective ultra-high performance concreteJ.Materials and Structures,2017,50:116.14 YU R,SPIESZ P,BROUWERS H J H.Mix design and properties assessment of ultra-high performance fibre reinforced concrete(UHPFRC)J.Cement and Concrete Research,2014,56:2939.15 陈从春,冯毅,陈晓冬.钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响 J.新型建筑材料,2016,43(5):5456.