山砂钢纤维混凝土的设计与应用

【摘 要】本文主要介绍了国内首次使用山砂进行钢纤维混凝土的选材、拌制、浇筑与检验的全部过程，通过对考察钢纤维在混凝土中的分布状况、利用山砂中所固有的石粉对混凝土和易性的正面影响、设计合理的搅拌和浇筑流程，成功使用山砂来配制钢纤维混凝土来完成了贵州省毕节地区倒天河整治一号路大桥的施工，拓展了钢纤维混凝土的配料范围，可供其它类似工程施工作参考。

【关键词】山砂 钢纤维混凝土 设计 应用

1 前言

钢纤维混凝土或纤维混凝土，是一种满足于特殊需求的建筑材料，常用于具有抗腐蚀、抗震动、高耐久性、高疲劳性等部位。如大跨度桥梁、承重型地面、大坝、铁道预制结构、特殊工艺处理结构等，对于材料的选择具有极其严格的要求，也造成了其工程成本相对较大，有时可能为了达到工艺或质量要求，不得不采取特殊措施来满足，致使工程成本成倍增加。其中，《纤维混凝土结构技术规程》（CECS38-2004）第14.2.2条明确规定：配置钢纤维高强混凝土宜选用质地坚硬、级配良好的河沙，其细度模数不宜小于2.4，以确保其工作性能和和易性。山砂与河沙比较，具有级配较差，细度模数偏高，粉尘含量超标等众多不足，对混凝土施工质量具有很大影响，尤其是桥梁的重点部位可能带来诸多风险。

虽然因纤维混凝土所处环境的特殊性，在整个工程行业中使用量并不大。但针对单项工程来说，单一材料的挑剔意味着在建设方不得不大幅增加工程投资。

2 工程背景

毕节市倒天河综合治理三期工程一号路大桥为梁拱组合桥。大桥长467m，宽34m，桥面高35m，采用2×37m+88m +180m+88m+25m=455m的连续刚架钢管混凝土梁拱组合桥，中间3跨为钢管混凝土系杆拱与预应力混凝土V型刚构组合而成的飞雁式拱桥（详见图1）。为了延长桥梁使用寿命，防止钢混结合面开裂，增强结构抗冲击和耐磨性能，大桥主拱及边拱拱脚预埋段设计均采用C50钢纤维混凝土，设计工程量为2800m3。

在贵州地区，天然河砂资源的严重匮乏，要严格按照规范要求配制纤维混凝土混凝土，必须要进行长距离采购。根据实际测算，采用从湖南或广西采购优质河砂，采购成本约需500元/m3，加上运输损耗等，比使用当地山砂每立方增加成本435元。钢纤维混凝土需砂总量为1634m3，需多投入成本约80万元。

为了合理利用资源，节约工程投资，降低工程成本，缩短工程工期，对以山砂代替河砂配制纤维混凝土进行了设计研制。

3 工程难题

钢纤维高强混凝土，其特点是高强混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。对于混凝土这样的脆性材料，由于其内部的水泥浆——细骨料界面区、砂浆——粗骨料界面区薄弱环节的存在，尽管各组分材料都有较高的抗拉强度，但容易发生断裂破坏，宏观抗拉强度很低。加入乱向分布钢纤维能较好地跨越裂缝两边，使钢纤维与裂缝两边间混凝土产生粘结应力，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。但钢纤维的加入也降低了混凝土的和易性，从而对混凝土本身的和易性和工作性要求比普通混凝土更高。

采用山砂与河砂的根本区别在于优质河砂可以较好地控制含泥量，以河砂的清洁度确保混凝土的质量及其良好的工作性。有人研究了机制砂中小于0.08mm石粉对混凝土拌和物性能的影响，认为石粉是一种惰性掺和料，颗粒细小，补充了混凝土中缺少的细颗粒，增大了固体表面积对水体积的比例，从而减少了泌水和离析，而且石粉能和水泥及水形成柔软的浆体，增加了混凝土的浆量，从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，其保水性与和易性反倒变差。当石粉所占比例在10%以下时，对于混凝土的和易性和强度影响不大。在低强度混凝土中，石粉对于混凝土甚至有增强作用。

陈家珑的研究也表明：石粉中70%颗粒分布集中在16um以上，平均粒径为36.9um.该石粉的粒度分布，不但不会阻碍水泥与骨料的结合，还填补了混凝土骨料之间的空隙，在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性，改善了离析泌水现象，使得混凝土易于成型振捣，改善了混凝土工作性。

因此，只要合理控制山砂石粉含量，用山砂替代河砂进行钢纤维混凝土具有较好的可行性。

4 试验方法

4.1材料选用

（1）采用贵州大方永贵建材水泥厂的普通硅酸盐水泥。有产品合格证、出厂检验报告，符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002的要求，强度等级52.5MPa，进场复验合格。

（2）采用毕节松圣采石场生产的山砂。质量指标符合贵州省地方标准《山砂混凝土技术规程》DB24/016-2010要求，细度模数小于3.3，粉尘含量8.1%，现场遮盖保存。

（3）采用毕节松圣采石场生产的碎石。公称粒径为5～25mm级配均匀。最大粒径26.5mm，含泥量≤1%，符合国家现行标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）的规定。

（4）拌制砼的水质符合国家现行标准JGJ63-2006《混凝土拌合用水标准》。

（5）钢纤维采用冷拉端钩型钢纤维（详见图2），分散均匀，避免搅拌和施工过程中钢纤维结团，钢纤维的抗拉强度标准值700MPa。

（6）粉煤灰采用四川泸州地博牌优质II级粉煤灰。其质量符合现行国家标准GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》等的规定，优质粉煤灰具有物理减水作用且增加和易性，掺入后对混凝土也有增强作用，有利于控制混凝土裂缝。

（7）外加剂采用四川吉龙牌高效复合减水剂，其质量符合国家现行标准《混凝土外加剂》（GB8076-2008）、《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2011）、《混凝土泵送剂》和《预拌混凝土》的有关规定。

4.2配合比设计

本工程采用试验-计算法进行配合比设计，在保证结构设计强度要求及施工可行性前提下，适度控制成本，选取最优设计配合比，具体步骤如下：

（1）根据结构设计强度标准值及施工配置强度的提高系数，确定试配抗压强度与抗拉强度；

（2）根据试配抗压强度计算水灰比；

（3）根据试配抗拉强度的要求，计算或通过已有资料确定钢纤维体积率；

（4）根据施工要求的稠度通过试验或已有资料确定单位体积用水量，考虑外加剂的影响；

（5）通过试验或有关资料确定合理的砂率；

（6）按绝对体积法或假定质量密度法计算材料用量，确定试配配合比；

（7）按试配配合比进行拌合物性能试验，调整单位体积用水量和砂率，确定强度试验用基准配合比；详见表1.

（8）根据强度试验结果调整水灰比和钢纤维体积率，确定施工配合比。

其中： 配置山砂高强混凝土时，水灰比不大于0.45。配合比设计较普通钢纤维混凝土塌落度适当放大，以满足泵送施工条件。实际选取的配合比为：

实际试配抗压强度为59.9MPa，抗拉强度为4.0MPa。设计理论配合比为水泥：水：山砂：碎石=1：0.4：2.28：2.47。（详见表1）

4.3混凝土施工

4.3.1搅拌

搅拌山砂钢纤维混凝土的各材料重量，按施工配合比设计准确计量，其称量偏差控制在表2规定的范围内。

（1）为了保证钢纤维在混凝土中均匀分布，防止产生钢纤维结团、钢纤维产生弯曲或折断、搅拌机因超负荷而停止运转，出料口堵塞等现象，严格设计原料添加程序和搅拌程序。

（2）先将钢纤维、水泥、掺合料、粗骨料、山砂均匀干拌，干拌时间不小于2分钟。若干拌不能达到钢纤维均匀分散时，增加干拌时间，减少一次拌合数量。干拌均匀后再加水、外加剂湿拌。湿拌时间不小于90秒。

（3）钢纤维在投料前进行分散处理，并设置钢纤维专用进料口，均匀、缓慢投入。

4.3.2运输、浇筑与养护

（1）采用混凝土罐车运输，运输过程中均匀、连续转动，运输时间与浇筑时间累计不超过30分钟。

（2）泵送混凝土连续不间断地、均衡地供应，保证混凝土泵送施工顺利进行。

（3）施工采用机械振捣，除保证混凝土密实外，确保钢纤维均匀分布。

（4）采用与普通混凝土相同的养护方法，养护时间14天。

4.4质量检验

（1）按国家现行有关混凝土结构工程施工与质量验收规范进行。

（2）检验钢纤维混凝土的轴心抗拉强度时，采用劈裂法试验，将其强度系数乘以0.85后换算成轴心抗拉强度。

（3）实测平均抗拉强度为4.45MPa，达到设计强度的125%；实测平均抗压强度为61.3MPa，达到设计强度的122.6%。

5 结语

通过为期3个月的山砂钢纤维高强混凝土泵送技术研究，2013年11月11日，正式开始投入施工，首次顺利完成3号墩三角刚架4个拱脚预埋段C50山砂钢纤维高强混凝土浇筑。

其后依次完成2号墩2个拱脚预埋段，4号墩三角刚架4个拱脚预埋段和5号墩拱脚预埋段C50山砂钢纤维高强混凝土施工。

施工过程中按照经多次试验优选的施工配合比和施工工艺并严格按照规范规程要求有序进行，混凝土试件28d强度普遍达到60Mpa以上，实体外观质量良好，混凝土的力学性能、结构性能和表观质量都达到了设计及规范要求，质量一次性验收合格。

经过对可行性分析、原材料的合理选用、搅拌方法及过程的严格控制，重点控制钢纤维在搅拌与浇筑过程中的投入、分散等因素，本工程实现了山砂钢纤维混凝土的正常浇筑。

6 探讨

（1）山砂中粉末含量对结构耐久性的影响还没有数据可供参考。在加入钢纤维后的耐久性如何评判需要更长时间的考察和研究。

（1）根据前人研究，山砂中的粉末在混凝土中主要呈惰性填充作用，但也会发生少量碱集料反应。在加入钢纤维后，粉末与钢纤维之间的作用机理需要进一步研究。

（1）本工程结构断面尺寸较大，浇筑时的难度较小。在小尺寸结构中的浇筑情况有待进一步探讨。

参考文献：

[1]《机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响》.武汉理工大学学报，2007年10期.

作者简介：席利萍（1975—），女，本科，重庆大学，土木工程专业，工程师。