钢纤维混凝土配合比设计与质量控制技术分析

2020-11-06刘鹏飞

商品与质量 2020年42期

刘鹏飞

昆山市交通科技研究中心有限公司江苏昆山 215300

混凝土是目前工程领域应用最为广泛、用量最大的建筑材料，据相关部门统计，当前，全世界每年生产使用的混凝土已经超过100亿吨，而且这个数量还在不断增加。同时有专家预测，混凝土材料今后有四大发展趋势：①混凝土技术进入了高科学技术时代，正向着高强度、高工作性和高耐久性等方向发展；②混凝土科学技术的任务从过去的最大限度向自然索要财富，向合理利用、节约能源、保护生态平衡发展，以至于成为科学、节能、绿色、友好型的建筑材料；③混凝土能不能适应特殊环境及条件需求，特殊材料、特殊性能、特殊工艺是未来混凝土发生的趋势和方向之一；④混凝土如何科学合理的进行配合比设计，满足良好的使用性能和技术要求，也是今后混凝土需要发展和研究的重要内容之一。

钢纤维混凝土作为一种特种混凝土，属于一种新型的多相复合材料，既可以浇灌，也可以喷射施工。掺入钢纤维可以有效改善混凝土的性能，提高混凝土的抗弯、抗拉、抗冲击强度等，具有抗弯拉强度高、耐磨性良好、不易开裂、不易疲劳、和韧性优良的优点。因此，钢纤维在道路工程、桥梁工程、隧道衬砌等工程领域广泛应用，特别是在需要薄的断面或者不规则形状的断面工程中，以及不易配置钢筋的构件中，具有独特的应用价值。

1 混凝土配合比确定原则

进行混凝土配合比设计和质量控制，首先应了解工程结构的设计要求、施工条件及使用过程中的情况，如使用条件、使用年限、使用的部位、设计强度、外部环境、荷载的性质、以及运输条件、施工工艺及方法等。其次，需要熟悉有关配合比的相关规范和规程，以便于可以深刻透彻的理解明确混凝土配合比的相关要求。同时，混凝土的配合比对混凝土的造价以及性能影响较大，对于混凝土的生产来讲，是一项非常重要的依据。另外，组成混凝土的各种原材料的性能差别很大，如水泥的品种很多，不同的水泥其性能指标存在差异；不同材料之间的适应性也需要一并考虑，如水泥与外加剂可能存在不适应的问题。所以在设计混凝土配合比时，在充分了解各方面要求的基础上，结合自身的经验能力水平，根据原材料的种类及具体性能指标，提出多种配合比设计方案，并根据试验结果不断进行优化方能设计出满足工作性、耐久性、经济性的配合比。混凝土配合比一般应遵循以下几项原则：

1.1 符合设计要求

符合设计要求，是混凝土配合比设计需要遵循的首要原则。不满足设计要求，设计出来的配合比是没有意义的，也是没有价值的。在工程中，很多结构物因其使用功能不同，对混凝土的性能要求差异很大，尤其是对于耐久性方面的要求。例如：有的工程结构物，对抗渗性能、抗冻性能、抗裂性都要求较高，而有的工程对抗侵蚀、低热性能要求较高，因此，我们在设计配合比的时候，就要充分考虑这些性能指标的特殊要求。同时要均衡把握，统筹兼顾，不能顾此失彼，合理、科学、可行的配合比，往往是在满足设计要求的同时，也不造成浪费[1]。

1.2 满足施工需要

设计是为施工服务，好的设计一定是可以满足施工需要，便于施工操作。对于混凝土配合比来讲，最突出、最重要的两个指标就是，和易性是否满足要求，在施工过程中是否容易振捣密实。如果和易性不满足施工要求，就可能造成在运输过程中需要加水，对混凝土的质量和效果影响都较大，而根据规范是不允许随意加水的。同时，由于试验室的环境条件和工地现场的环境条件存在一定程度的差别，因此，需要根据施工现场环境条件而不断调整，因此，混凝土配合比设计也是一个动态的过程，需要考虑各种不确定因素的影响，而做好合理，有效的调整，以满足施工操作。确定混凝土配合比需要充分发掘、探索运用其内在的规律，尽量减小人为和经验方面因素的干扰。

1.3 降低经济成本

一种好的配合比，往往经济成本不是最高的，好的配合比，往往也是性价比比较高的。大量试验表明，水灰比是影响混凝土强度以及耐久性最重要的因素，在一定范围内适当降低水胶比可以提高强度及耐久性。因此，混凝土的用水量和水泥用量决定了混凝土的水灰比的同时，也决定了其经济性。很多混凝土配合比往往存在一定的矛盾，例如，为了施工的方便操作，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，为了保持水灰比不变，就需要提高水泥的用量，这就无形中增加了混凝土的经济成本，所以一种合理的配合比，需要在经济和各种性能之间寻求一个理想的平衡点[2]。

2 钢纤维混凝土配合比设计

与普通混凝土不同的是，钢纤维混凝土性能主要取决于钢纤维材料和水泥混凝土基体材料的性能。两者的质量和配合比决定了钢纤维混凝土的性能和质量，也在很大程度上影响施工的可行性以及混凝土的造价。

钢纤维材料属于一种低碳钢，在特殊工程中，也采用不锈钢材料。钢纤维混凝土一般对钢纤维的强度、尺寸、形状、长径比要求较高。对于混凝土基体，需要其具备高强度、具有较好的密实性。这样可以保证两者之间的粘结性能，同时也可以最大限度发挥钢纤维的增强功能。另外，对于钢纤维混凝土来讲，需要适量添加一定的掺合料，一般来讲，主要可选用粉煤灰、硅粉、高炉矿渣等材料，比表面积不低于450m2/kg。特殊情况下，也会掺入一定量的聚合物，可以进一步发挥其增强作用。外加剂主要采用高效减水剂和缓凝剂[3]。

目前最常用的配合比设计方法有：①等体积替代骨料法；②以抗压强度为控制参数法；③二次合成设计法。钢纤维混凝土的配合比参数一般需要考虑以下几个方面：①钢纤维的掺入量：混凝土的抗拉强度和抗弯强度，主要取决于钢纤维的含量，根据工程实践研究，一般情况下，钢纤维的体积率在1%～2%左右。②混凝土的水灰比：一般情况，在满足设计要求的同时，配合比尽量选用较小的水灰比，钢纤维混凝土优先选用强度等级高的水泥，当配制高强度等级的混凝土时候，需要选用52.5MPa以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。水灰比往往在0.30～0.40较为合理。③粗骨料最大粒径：国外有关机构及工程实践研究表明，钢纤维混凝土在骨料最大粒径为15mm，可以取得最优的强度，当粒径最大值超过25mm，强度在一定程度上将被弱化。④混凝土的砂率：砂率的主要作用在于，它是钢纤维材料在混凝土的载体，对钢纤维的强度在一定程度上起着支配作用，同时对混凝土的稠度也起着一定影响作用，一般砂率在50%作用是最优的，但要根据具体材料以试验结果为准。⑤单位用水量主要取决与粗骨料的品种，以及最大骨料的粒径，其单位体积用水量一般在205～235kg范围内。⑥外加剂用量：合理使用高效减水剂，不仅可以降低水泥用量，也可以减小工程的经济造价。研究表明，高效减水剂，可以减小15%左右的水泥用量。某工程使用的一种经济、合理、可行的钢纤维混凝土配合比如下表所示：

表1 典型钢纤维混凝土的配合比及28天强度

3 钢纤维混凝土质量控制

进行钢纤维混凝土的质量控制，首先是控制好原材料质量，确保工程中使用的各种原材料是进行配合比设计时的同厂家同规格材料，其相关技术指标满足相应的规范要求；然后，在钢纤维混凝土生产过程中，加强质量管控，准确计算施工配合比，合理安排投料顺序及搅拌时间，检测钢纤维体积率，加强和易性检测尤其是施工现场的和易性检测，确保所生产的混凝土满足设计及施工要求；最后，在运输和浇注过程中，严格按照规范及施工前制定的各项方案进行，混凝土到达现场后及时进行浇注，浇注后及时进行养护。

按照钢纤维混凝土生产的特点，质量控制的目的是要保证各项性能达到设计要求；质量控制的目标是使生产配合比和试验室确定的配合比“尽量相近”（包括组成材料的质量和数量），越相近说明质量控制得越好，因为实际情况（材料、机械、人员、方法、环境）不是恒定不变的，所以难以做到“相同”。质量控制的主要内容是组成材料质量检验和和保证配料称量准确；质量控制的任务是防止发生错误和尽量减小误差，使生产保持在一个高的、稳定的质量水平上。混凝土的组成材料质量，在合格的基础上还应确保稳定性，才能生产出合格而均匀的混凝土。因此做好事前，事中，事后三重质量控制，才能保证混凝土配合比的质量，避免人为因素造成质量事故，减少经济损失[4]。