钢纤维高强度混凝土配合比的研究与应用

李志勇，田永刚

（1.漯河市公路管理局工程处，河南 漯河 462000；2.漯河市召陵区建设局，河南 漯河 462000）

0 引言

随着国民经济建设和公路交通事业的飞速发展，汽车工业技术突飞猛进，各级公路上的车辆荷载吨位及车流量越来越大，行驶速度越来越快，致使桥梁结构物的损坏也日益严重。考虑上述因素，当前在桥梁的上部结构设计中梁板等主要承载构件的混凝土设计强度基本上采用大于或等于C50的高标号混凝土，在此基础上又对关键分项工程采用新的施工材料和施工工艺，如桥面铺装层采用钢筋网片C50混凝土，桥面系伸缩缝采用C50钢纤维混凝土，以提高桥梁的整体承载力和结构的耐久性。

南水北调中线工程总干渠潮河段交通桥由河南省水利第一工程局承建，共有桥梁19座，桥面系伸缩缝分项工程的混凝土全部为C50钢纤维混凝土。本文主要从C50钢纤维混凝土的原材料选择、配合比设计、混凝土施工等方面入手，结合南水北调中线工程总干渠潮河段交通桥第三标段的实际应用来研究C50钢纤维混凝土的配合比试验及施工中需注意的事项。

1 原材料选择

C50钢纤维混凝土所用原材料的质量和类别的选择，对混凝土拌和物的性能有显著的影响。以下对南水北调中线工程总干渠潮河段交通桥第三标段实例工程所使用的C50钢纤维混凝土原材料做简要阐述。集料中砂为平顶山市鲁山县红旗砂厂销售的河砂，河砂比较干净，含泥量少，砂中石英颗粒含量较多，天然级配一般都能符合要求。工程所用碎石由郑州市荥阳福存石料场生产。水泥为河南省太阳石水泥集团有限公司生产的P.O 52.5级普通硅酸盐水泥。本次工程实例中使用的外加剂为山西黄腾化工有限公司生产的HT—HPC型高性能减水剂，选用减水剂应着重从以下几个方面考虑：延缓混凝土的初凝时间、减少混凝土坍落度的损失、与水泥的相容性及减水剂的稳定性等。

粉煤灰为郑州金龙源粉煤灰综合利用有限公司生产的F类I级，用优质的粉煤灰等量或超量取代水泥，一方面可以降低企业的生产成本，另一方面可以改善混凝土的工作性、耐久性。本次工程实例中使用的钢纤维由天津市无极科技发展有限公司生产，长度为36mm，材料光洁、无油污。

2 配合比试验研究

2.1 配合比的计算

2.1.1 配制强度（fcu，0）的确定

根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011），取σ=6，则：

fcu，0=fcu，k+1.645σ=50+1.645×6=59.87≈59.9 （MPa）式中：fcu，0为混凝土配制强度 （MPa）；fcu，k为设计混凝土强度等级值（MPa）；σ为混凝土强度标准差（MPa），如无近期同一品种混凝土的统计资料取6MPa。

2.1.2 水胶比（W/B）的确定

依据历史实测数据，河南太阳石水泥有限公司生产的P.O 52.5水泥，水泥富余系数γc取1.05，故

式中：fb为胶凝材料（水泥与矿物掺合料按使用比例混合）28d胶砂强度（MPa）；fce，g为水泥强度等级值（MPa）；aa、ab为回归系数，且aa=0.53，ab=0.20。

根据经验及砂、石材料及施工控制水平、耐久性等因素C50混凝土水胶比宜在0.30～0.34范围浮动，实际水胶比取0.31。

2.1.3 用水量（mw0）的确定

（1）确定不加外加剂时1m3混凝土拌和物的用水量mw0′

根据施工要求，混凝土拌和物出机坍落度SL宜为120～160mm，依《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）查表5.2.1-2并计算取mw0′=210kg。

（2）确定1m3混凝土拌和物掺加外加剂后的用水量mw0

实测山西黄腾化工有限公司生产的HT—HPC型高性能减水剂掺量为1.2%时的减水率达到28%，mw0按下式计算：

mw0=mw0′（1-β）=210×（1-28%）=151.2（kg）式中：β为外加剂的减水率（%）。

利用山西黄腾化工有限公司生产的HT—HPC型高性能减水剂，估算其他材料用量后，经过反复试拌，确定减水剂掺量为1.2%时最终满足坍落度SL为120～160mm值的1m3用水量为mw0=150kg。

2.1.4 胶凝材料用量（mb0）的确定

计算1m3混凝土的胶凝材料用量mb0=mw0/（W/B）=150/0.31≈485（kg）

2.1.5 减水剂用量（ma0）的确定

计算减水剂的用量为：

ma0=mb0βa=485×1.2%=5.82（kg）

式中：βa为外加剂掺量（%），经混凝土试拌试验确定。

2.1.6 砂用量（ms0）与碎石用量（mg0）的确定

首先确定砂率，依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）表5.4.2，同时参考以往的经验，确定砂率βs为35%。按质量法计算：砂用量 ms0=（mcp-mw0-mb0-ma0）βs=（2450-150-485-5.82）×35%=1809.18×0.35=633.2≈633（kg）；碎石用量mg0=mcp-mw0-mb0-ma0-ms0=2450-150-485-5.82-633=1176.18≈1176（kg）。其中，mcp为每立方米混凝土拌和物的假定质量（单位为kg/m3），假定质量为2 450kg/m3。

2.1.7 基准配合比的确定

以上数据均符合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）要求，所以确定混凝土基准配合比为：W∶B∶S∶G∶A外=150∶485∶633∶1176∶5.82。

2.1.8 粉煤灰用量（mf0）和不同粒径碎石的掺配比例的确定

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）表3.0.5-1，同时参考以往经验，确定每立方米混凝土的粉煤灰掺合比例βf为12%，则粉煤灰用量为：mfo=mb0βf=485×12%=58（kg）。

根据伸缩缝位置的钢筋密度确定碎石的最大粒径为20mm，采用5～10mm与10～20mm两种筛分粒径级的碎石。利用5～10mm与10～20mm两种碎石的单集料筛分数据，绘制混合料筛分曲线，计算两种集料的掺配比例，并用混合料最大堆积密度的方法，经试验确定两种不同粒径碎石的掺配比例为：5～10mm碎石∶10～20mm碎石=40%∶60%。

2.2 试拌调整

确定混凝土基准配合比后必须进行试拌，以确定实际的混凝土容重与假定容重的差别大小，并检验按此配比拌和的混凝土各项技术指标是否满足设计要求。试拌时应进行混凝土拌和物的强度试验，采用三个不同的配比进行试拌和强度试验，一个基准配比，其他两个配比的水胶比在基准配比的基础上分别增加和减少0.05，用水量与基准配比相同，砂率分别减少和增加1%。即：

W∶B∶S∶G∶A外=150∶536∶597∶1159∶6.43 W∶B∶S∶G∶A外=150∶441∶667∶1187∶5.29

使用搅拌机前，应采用与试配时混凝土配合比相同水胶比的水泥浆进行涮膛。本次试验试拌量为30L，混凝土的搅拌及加料方式与生产时使用的方法相同，外加剂采用后掺法，先投砂子碎石等集料，再投水泥粉煤灰，干拌后水与减水剂以混合液的形式最后同时投料。湿拌的时间不能少于120s，由于C50混凝土的胶凝材料含量较大，采用的最终搅拌时间为180s。

试拌后要立即检测拌和物的坍落度，检验混凝土拌和物的棍度、含砂情况、黏聚性、保水性等性能是否满足施工需求。从试拌的情况来看，0.28水胶比组的拌和物的和易性较差，坍落度较小，棍度为下，做坍落度试验时捣棒很难插捣，0.31、0.34水胶比组的坍落度等性能指标能满足设计要求，坍落度适中，保水性好无水从底部析出，且标准抗压强度试块的28d强度值均满足试配强度值的要求，考虑到工程施工过程中的不确定性因素太多，决定采用强度富裕较大一点的0.31水胶比组作为C50混凝土的最终配比。三个不同的配合比（无钢纤维）各项试验指标统计结果如表1所示。

表1 三个不同的配合比（无钢纤维）各项试验指标统计表

以笔者的实际经验来看，加减水剂试拌混凝土是一个繁琐与复杂的过程。由于聚羧酸减水剂减水率峰值突变的特点，减水剂掺量不足时，混凝土拌和物坍落度小，拌和物的各项性能指标不能满足施工的要求；减水剂的掺量在混凝土拌和物最佳状态的峰值时，混凝土拌和物的坍落度适中，和易性好，棍度为上，保水性好，无水从底部析出，各项试验性能指标能够满足施工要求；当减水剂的掺量如果超过其峰值掺量时，哪怕仅仅是多出0.5%的掺量，混凝土拌和物的各项试验性能指标就像抛物线一样下滑，混凝土拌和物马上就会发生离析现象，坍落度过大，砂浆下沉不包裹碎石，棍度为下，和易性很差，拌和物的底部有泌水现象，所以在混凝土拌和物试拌过程中找到减水剂峰值掺量是一项关键的工作，特别是对于高标号混凝土，有时在前期配比计算的基础上要经过多达10～20次的试拌才能成功确定适宜的减水剂掺量，以及混凝土拌和物各项试验性能指标满足施工要求的基准配合比。试拌时最好邀请减水剂厂家的代表到现场参与试拌，如果减水剂的峰值掺量非常不稳定，混凝土拌和物的各项试验性能指标没有良好稳定的表现，则要考虑重新选择水泥或外加剂，或要求减水剂生产厂家调整好减水剂与水泥的适配性，并要求初拌混凝土的坍落度损失不能过快，否则在实际的混凝土施工过程中就会有很多不利于施工的情况发生。

2.3 钢纤维混凝土配合比的确定

采用基准配合比的拌和物实测的表观密度为2 440kg/m3，比计算值2 450kg/m3小0.4%，基准配合比材料用量可不调整。当表观密度实测值与计算值之差的绝对值超过计算值的2%时，应按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）规定进行相应调整。

基准配合比确定后，就可以掺入钢纤维，进行C50钢纤维混凝土配合比的试拌与确定。设计文件要求钢纤维的掺量为混凝土质量的2%，即每立方米混凝土加入49kg的钢纤维，采用小型60L的拌和机进行试拌，与生产时使用的拌和投料方法相同，搅拌时间仍为180s。试拌后立即进行坍落度试验，并成型标准抗压试块，其相关试验性能指标见表2。从试拌的结果看，混凝土拌和物的和易性良好，无泌水现象，实测坍落度为155mm，虽然由于钢纤维的原因坍落度有所降低，但拌和物的和易性良好，满足现场施工要求，而且其28d强度有明显提高，从压破碎的试块来看，钢纤维在内部分布均匀，与混凝土握裹良好。

表2 C50钢纤维混凝土相关试验性能指标统计表

经过试拌验证最终确定的C50钢纤维混凝土配合比为：水∶胶凝材料（粉煤灰+水泥）∶河砂∶碎石∶减水剂=150∶（58+427）∶633∶1176∶5.82。

3 结语

配制C50钢纤维混凝土应选用优质的原材料，以笔者的实际经验来看，减水剂对温度比较敏感，同样的一批减水剂夏季与冬季的减水率有十分明显的差别，低温减水率高、高温减水率低是聚羧酸减水剂的直观表现，而且随着温度的增加坍落度损失也随之增大，所以在施工中除了施工单位要采取夏季降温冬季升温的措施外，同时要求减水剂厂家根据季节温度来调整减水剂中各种化学成分的掺量，以满足现场施工的需要。

在实际施工中一定要注意C50钢纤维混凝土拌和与入模后的振捣作业。由于钢纤维的长絮性，拌和时一定要充分搅拌，以保证钢纤维在混凝土中分布均匀。钢纤维混凝土入模后的振捣同样十分重要，由于钢纤维的密度相对较大，钢纤维混凝土严禁长时间超振，超振的情况下钢纤维容易下沉，形成结构物部位下部钢纤维分布多，上部分布少的情况，振捣以混凝土表面已经泛桨，无气泡冒出为宜。

[1] JGJ 55—2011，普通混凝土配合比设计规程[S].

[2] JTG E30—2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[3] GBJ 146—90，粉煤灰混凝土应用技术规范[S].