C50钢纤维混凝土试验研究

张盛，许珊珊，吴帅，卢传泰

（江苏诚意工程技术研究院，江苏 徐州 221131）

C50钢纤维混凝土试验研究

张盛，许珊珊，吴帅，卢传泰

（江苏诚意工程技术研究院，江苏 徐州 221131）

为配制徐州市某重点高架工程 C50 钢纤维混凝土，采用正交试验方法研究不同水胶比、掺合料掺量、钢纤维体积率及砂率对混凝土力学性能的影响。在正交试验得出的最优配合比参数下进行钢纤维掺量优化，得到满足工程设计要求的配合比。研究结果表明：钢纤维掺量从 0～100kg/m3，混凝土坍落度变化不大，扩展度逐渐降低，抗压强度略微增长，劈拉和抗折强度明显提高；水胶比 0.32、掺合料掺量 30%、钢纤维掺量 40kg/m3、砂率38% 时，C50 钢纤维混凝土各项性能指标满足工程设计及规范要求。

钢纤维；正交试验；力学性能

0 前言

钢纤维混凝土优良的抗弯拉、抗疲劳、抗冲击以及耐磨耗、韧性高等性能受到国内外工程界的重视，已被广泛应用于公路路面、桥面、工业建筑地面、交通隧道等工程[1]。近年来，国内外学者和工程技术人员对钢纤维混凝土及其结构的受力性能进行了大量研究：Semsi Yazıcı[2]和 Shan L[3]的研究结果均表明，一定条件下，钢纤维的掺量越大，抗压强度增长幅度越大，而 Khaloo A R 和 Kim N[4]的研究结果没有发现钢纤维对不同强度等级混凝土抗压强度的影响规律；国内学者[5-7]的研究结果表明，钢纤维对混凝土抗压强度的提高幅度并不显著，而有文献[8,9]的研究结果表明，钢纤维混凝土的抗压强度大体上随纤维掺量的增加而增加，呈线性增长趋势，且钢纤维对高强混凝土的增强幅度高于普通强度混凝土；文献研究结果表明，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的劈拉强度也随之增大。综上所述，国内外学者针对各因素对钢纤维混凝土力学性能的影响研究结果不尽相同。

高架工程建设是城市构建现代化城市交通体系的重要部分，2017 年我集团商品混凝土分公司开始承接徐州市某重点高架工程，其中主线桥和匝道的伸缩缝、桥面铺装等均涉及 C50 钢纤维混凝土，抗折要求≥6.0MPa。本课题通过正交试验方法，研究了不同水胶比、掺合料掺量、钢纤维体积率和砂率对混凝土力学性能的影响，得出最优配合比参数，结合高架工程设计要求对钢纤维掺量进一步优化，得出符合工程设计及规范要求的配合比。

1 试验原材料

（1）水泥：江苏诚意 P·O42.5 级水泥，水泥各项技术指标满足现行国家标准 GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的质量要求。

（2）粉煤灰：华润电力 F 类 I 级粉煤灰，粉煤灰各项技术指标满足现行国家标准 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的质量要求。

（3）矿粉：中诚建材 S95 级矿粉，矿粉各项技术指标满足现行国家标准 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的质量要求。

（4）细集料：江砂，细度模数 2.6，含泥量1.1%。砂各项性能指标符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求。

（5）粗集料：徐州明阳生产的 5～31.5mm 连续级配碎石，压碎值为 8.1%，表观密度为 2710kg/m3，其余各项性能均符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求。

（6）外加剂：徐州铸建科技 ZJ-I 泵送减水剂，其性能指标见表 1。

表 1 泵送减水剂性能指标

（7）钢纤维：上海研铂实业有限公司生产的钢锭铣削型钢纤维，如图 1 所示，根据 CECS 13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》要求进行相关性能检测，性能检测结果见表 2。

图 1 试验所用钢纤维

表 2 钢纤维性能检测结果

2 正交试验

2.1 试验影响因素选择

正交试验法是一种高效率、快速、经济的试验设计方法，正交试验中的因素是指可能对试验指标产生影响的原因，水平就是因素在试验中所处的状态和条件。为弄清不同钢纤维掺量、不同水胶比、不同掺合料掺量（矿粉与粉煤灰 1∶1 掺入）以及不同砂率对混凝土力学性能的影响规律，本次试验指标以不同龄期（7d、28d）抗压强度和抗折强度两方面为主、劈拉强度方面为辅进行研究分析，从而获得满足要求的最佳配合比。根据选择的因素及水平，制作因素水平表如表 3 所示。由于特殊原因，不能将全配合比给出。

表 3 因素—水平表

2.2 试验方法及结果

混凝土抗压、劈拉试验成型采用 150mm×150mm×150mm 的立方体试件，混凝土抗折试验成型采用100mm×100mm×400mm 的棱柱体试件。

各组混凝土试件经标准养护 7d 和 28d 后，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土力学性能检测。正交试验法检测结果如表 4 所示。

表 4 正交试验法检测结果

2.3 正交试验法结果分析

通过表 4 正交试验结果进行极差分析，分析结果如表 5 所示。

根据极差 R 大小可以看出：（1）各因素对 7d 抗压强度的影响大小为：A＞B＞D＞C；各因素对 28d 抗压强度的影响大小为：A＞D＞C＞B。（2）各因素对 7d劈拉强度的影响大小为：D＞B＞C＞A；各因素对 28d劈拉强度的影响大小为：D＞A＞C＞B。（3）各因素对 7d 抗折强度的影响大小为：B＞D＞C＞A；各因素对 28d 抗折强度的影响大小为：B＞D＞C＞A。

水胶比 0.32、掺合料掺量 30%、钢纤维体积率1.5%、砂率 38% 时，C50 钢纤维混凝土 28d 力学性能表现优异且均符合工程设计及规范要求，因而本次正交试验的最优配合比为 A1B2C1D3。

为进一步研究各项力学性能指标随钢纤维体积率的变化趋势，以因素水平为横坐标，Ki的平均值为纵坐标，画出趋势图，如图 2～4 所示。

表 5 正交试验的极差分析

图 2 各因素与抗压强度关系图

图 3 各因素与劈拉强度关系图

图 4 各因素与抗折强度关系图

在图 2～4 中，随着钢纤维体积率的增加，抗压强度、劈拉强度、抗折强度均表现出增加的趋势。钢纤维体积率掺量 1% 相对 0.5% 掺量的混凝土抗折强度没有明显的提高，平均在 7.1MPa，当钢纤维体积率掺量达到 1.5% 以后，混凝土抗折强度明显上升很多，达到7.9MPa。从上述图中也可以较直观地看出：四因素水平下，以 A1B2C1D3 为最优组合。

2.4 钢纤维掺量优化

徐州迎宾高架重点工程设计抗折强度≥6.0MPa，根据 JG/T 472—2015《钢纤维混凝土》规范要求，抗折强度应按 1.15 倍设计值配制，即抗折强度≥6.9MPa。通过正交试验分析结果图 4 中可知钢纤维体积率掺量为 0.5%（约40kg/m3）和 1.0%（约 80kg/m3）时混凝土的 28d 抗折强度相近，均在 7.1MPa 左右，符合工程设计和规范要求。实际生产过程中钢纤维掺量最终要量化，结合工程实际成本要求，需要对钢纤维掺量进一步优化分析。设计 C50 钢纤维混凝土容重 2450kg/m3，C50 基准配合比参数如表 6 所示。钢纤维掺量从 10～100kg/m3，每个配合比钢纤维质量相差 10kg，合计 11 个配合比。按照规范要求试验检测结果如表 7 所示，并根据检测结果进行混凝土工作性能、力学性能的分析。

表 6 C50 混凝土配合比

表 7 钢纤维掺量优化检测结果

2.4.1 工作性能分析

根据表 7 可知，C50 钢纤维混凝土随着钢纤维掺量的提高，混凝土的坍落度变化不大，但扩展度逐渐降低，100kg/m3掺量以内 C50 钢纤维混凝土初始状态均能满足泵送要求。

2.4.2 抗压强度分析

如图 5 所示，随着钢纤维掺量的提高，混凝土7d、28d 抗压强度逐渐增长，相对比基准混凝土掺钢纤维混凝土 7d、28d 抗压强度平均分别提高 3%、5%，混凝土抗压强度均符合规范要求；相比基准混凝土钢纤维掺量 90kg/m3时混凝土抗压强度最高，达到 69.8MPa，提升了 14%。

图 5 C50 钢纤维混凝土 7d、28d 抗压强度

2.4.3 劈拉强度分析

如图 6 所示，随着钢纤维掺量的提高，混凝土的 7d、28d 劈拉强度逐渐增长，掺钢纤维混凝土 7d、28d 劈拉强度相对基准混凝土平均分别提升 14.2% 和14.1%；相比基准混凝土钢纤维掺量在 100kg/m3时混凝土劈拉强度最高，达到 5.52MPa，提升了 24.6%；按照Romuldi 理论[13]，将钢纤维掺入混凝土后，粘结应力分布于裂纹端部的钢纤维附近，阻止了裂缝的扩展，从而提高了混凝土的抗裂能力，使混凝土劈拉强度有所增大，且随钢纤维含量的增加而增加。

图 6 C50 钢纤维混凝土 7d、28d 劈拉强度

2.4.4 抗折强度分析

如图 7 所示，随着钢纤维掺量的提高，混凝土的 7d、28d 抗折强度逐渐提高，掺钢纤维混凝土 7d、28d 抗折强度相对基准混凝土平均分别提升 21.2% 和23%。由于普通 C50 混凝土强度相对较高、内部结构密实，所以在未掺钢纤维的情况下，28d 抗折强度已达到高架工程设计要求 6.0MPa，但不符合规范设计要求。当钢纤维掺量在 40kg/m3以上时，混凝土抗折强度均高于 6.9MPa，符合工程设计及规范要求。相比基准混凝土钢纤维掺量在 100kg/m3时混凝土抗折强度最高，达到 7.7MPa，提升了 36.7%。

图 7 C50 钢纤维混凝土 7d、28d 抗折强度

2.5 确定最终配合比及其性能检测结果

通过正交试验及钢纤维掺量优化结果，兼顾混凝土的工作性能、力学性能及成本因素，经过多次试验验证及调整后 C50 钢纤维混凝土最终配合比方案如表 8 所示，其性能检测结果如表 9 所示。

表 8 最终配合比

表 9 混凝土拌合物性能试验结果

3 结论

（1）在设定的参数范围内，通过正交试验结果得出，水胶比 0.32、掺合料掺量 30%、钢纤维（等效直径1.44mm、长径比 22.2）体积率 1.5%、砂率 38% 时，可使 C50 钢纤维混凝土抗压强度、劈拉强度和抗折强度达到最大。

（2）随着钢纤维掺量（100kg/m3以内）的提高，C50 钢纤维混凝土坍落度变化不大，但扩展度逐渐降低，这是由于钢纤维阻碍了混凝土中骨料的移动；随着钢纤维掺量的提高，混凝土抗压强度略微增长，混凝土的劈拉、抗折强度整体逐渐提高。

（3）通过正交试验及钢纤维掺量优化结果，配制出的徐州市某重点高架工程 C50 钢纤维混凝土配合比为水胶比 0.32、掺合料掺量 30%、钢纤维掺量40kg/m3、砂率 38%，混凝土各项性能指标均符合要求，因此上述配合比方案可行。

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Study on C50 steel fiber reinforced concrete

Zhang Sheng, Xu Shanshan, Wu Shuai, Lu Chuantai
(Jiangsu Institute of Engineering Technology, Xuzhou 221131)

In order to prepare C50 steel fiber reinforced concrete for an important elevated project in Xuzhou, the influence of different water cement ratio, admixture content, steel fiber volume fraction and sand ratio on mechanical properties of concrete were studied by orthogonal test. The optimum ratio of steel fiber was obtained by orthogonal test, and the ratio of steel fiber was optimized to meet the requirement of Engineering design. The results showed that the content of steel fiber concrete slump degree from 0～100kg/m3, little change, expansion degree decreased gradually, the compressive strength increased slightly, tensile and flexural strength increased; water cement ratio 0.32, admixture 30%, the content of steel fiber 40kg/m3, sand ratio 38%, and design specification of C50 steel fiber concrete performance indexes meet the requirements of the project.

steel fiber; orthogonal test; mechanical properties

张盛（1985—），男，在职硕士，工程师。现供职于交通部专家付智博士为首的技术工作团队江苏诚意工程技术研究院，担任混凝土科研中心主任。

［通讯地址］江苏省徐州市经济开发区大黄山村 江苏诚意工程技术研究院（221131）