透水框架自密实钢纤维混凝土制备试验研究

耿海彬 廖一鸣 冯蒙 李晓克

摘要：针对传统护岸固脚结构物——四面六边透水框架的端部钢筋易腐蚀问题，采用自密实钢纤维混凝土取代现有普通混凝土，并取消框架内部钢筋，进行了透水框架自密实钢纤维混凝土制备试验研究。采用工程现场原材料，通过基体自密实混凝土配合比设计与试验，确定了水胶比计算公式中系数的取值，得到了预测早龄期不同混凝土强度水胶比的计算公式;然后采用配合比直接计算方法，确定了钢纤维体积率分别为0.4%，0.8%和1.2%的C25自密实钢纤维混凝土的配合比，试验测定了拌和物工作性能和养护龄期为7，28 d的抗压强度。采用整体成型技术进行了四面六边自密实钢纤维混凝土透水框架试制生产，验证了该技术的实用性和可靠性。

关 键 词：四面六边透水框架;自密实钢纤维混凝土;制备技术;配合比;抗压强度;工作性能

中图法分类号：TV431

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0198-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.032

0 引 言

作为一种具有消能、防冲促淤功能的护岸固脚结构物，四面六边透水框架在我国江河生态航道建设工程中得到了广泛应用[1-3]，在对已建护滩带边缘冲刷破坏部位修复和维护、丁坝坝头护底排边缘的防护、促进淤积和巩固滩体等方面发挥了重要作用[2-4]。四面六边透水框架是由6根长度相等的预制钢筋混凝土杆件相互连接，组成一个三棱锥式的四面体结构。每根杆件截面尺寸为100 mm×100 mm，长度一般为600～1 000 mm，中间配置1根直径10 mm的钢筋，两端各预留长150 mm的钢筋。3个杆件为一组通过端部钢筋焊接或绑扎而成的三角锥体结构[4-5]。实际工程应用中发现，端部钢筋外露易受腐蚀而失去连接作用，降低了透水框架的使用年限。因此通过制作工艺改进，研制了一次焊接钢筋骨架并浇筑混凝土成型的整体式透水框架[3，6]。整体式透水框架采用组合式钢模板，但由于浇筑混凝土需要振捣成型，因而容易产生漏浆、不密实、杆件裂缝等现象，同时钢筋骨架焊接和定位增加了施工的复杂程度，降低了生产效率[3，7]。

为解决上述问题，笔者基于自密实钢纤维混凝土具有的自密实成型和增强增韧作用机理[8-12]，提出了以自密实钢纤维混凝土取代传统普通混凝土和取消内部钢筋，实现一次性整体浇筑成型的技术方案。为此，本文根据工程需要，开展了透水框架自密实钢纤维混凝土制备技术试验研究，并进行了四面六边自密实钢纤维混凝土透水框架试制工作。

1 自密實混凝土的制备

1.1 原材料

水泥为P.P.32.5火山灰质硅酸盐水泥，矿物掺和料为Ⅱ级粉煤灰，其物理性能指标见表1～2。细骨料为天然河砂，粗骨料为粒径5～10 mm的碎石，其物理性能指标见表3，级配曲线见图1。减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为30%。拌和水为自来水。

1.2 水泥粉煤灰胶砂强度

为了确定粉煤灰合理掺量，进行了不同粉煤灰掺量（0，10%，20%，30%）的水泥胶砂强度试验。测得的抗折强度和抗压强度见表4。当粉煤灰掺量为10%时，抗折强度和抗压强度均有所提升，其中3，28 d抗折强度分别提升了11.6%和3.0%，3d、28d抗压强度分别提升了12.6%和22.4%，这主要是由于粉煤灰掺量比较少，一方面促进了水泥熟料的水化，另外一方面由于粉煤灰的填充效应，增加了混凝土的密实程度，从而提高了混凝土的强度。但当粉煤灰掺量增加到20%和30%时，抗折强度和抗压强度均下降。考虑到自密实混凝土强度等级按C25设计，粉煤灰掺量为30%时水泥胶砂强度为29.9 MPa，对比不掺加粉煤灰的胶砂强度，强度的折减系数为0.8，仍满足胶凝材料强度要求。

为了最大化减少水泥用量，并且能使混凝土强度达到设计标准，

综合考虑粉煤灰对节约水泥和增大混凝土拌和物流动性的有利作用，在自密实混凝土配合比设计时，粉煤灰掺量采用30%。

1.3 配合比设计

为了配制适合工程用的自密实钢纤维混凝土，根据透水框架所用混凝土强度要求，设计了7种不同水胶比。粉煤灰掺量为30%，粗骨料体积比为0.27，砂率为53%。考虑工程用粗细骨料的吸水性，增加拌和附加用水量，经试配试验，确定附加用水量为27.36 kg/m3。采用绝对体积法得到各材料用量见表5，其中水的用量包含附加用水量。

试验龄期为3 d，7 d，14 d和28 d。每种水胶比和龄期分别浇筑3个边长为100 mm的立方体试块，然后移入标准养护室进行养护。龄期达到设定值后，在万能试验机上进行抗压试验，按照系数0.95进行换算，得到边长150 mm标准立方体的抗压强度值（见表6）。

不同水胶比的混凝土拌和物坍落扩展度D=555～675 mm，满足工作性能基本要求。

根据水胶比与混凝土配制强度计算模型[10，13-14]，经过变换得到：

1.4 混凝土早龄期强度预测

根据表6各龄期混凝土强度试验结果，经过数据拟合分析[15]（见图3），得到如下公式：

根据透水框架吊运要求，混凝土强度需要达到设计强度的75%，由式（3）计算得出养护龄期约为8.5 d。

2 自密实钢纤维混凝土的制备

2.1 配合比设计

钢纤维为上海哈瑞克斯钢纤维科技有限公司生产的钢锭铣削型钢纤维，长度为32 mm，等效直径为0.8 mm。

根据公式（2），计算不同配制强度混凝土的水胶比。通过绝对体积法和直接设计法计算自密实钢纤维混凝土的配合比。直接设计法基于自密实混凝土，在保持工作性能和抗压强度前提下，修正用水量和砂率[8-10]，计算公式为

式中：mw，mw，f分别为自密实混凝土和自密实钢纤维混凝土的用水量;βs，βs，f分别为自密实混凝土和自密实钢纤维混凝土的砂率，λf为钢纤维含量特征值。

以透水框架用自密实钢纤维混凝土的设计强度C25为例，根据式（2）计算得到水胶比为0.32。取钢纤维体积率为0.4%，0.8%和1.2%，由式（4）～（5）计算，可得到自密实钢纤维混凝土配合比见表7。同时，为了性能对比，表7也给出了水胶比为0.32的自密实混凝土的配合比。

2.2 拌和物自密实性能

根据表7配合比拌制自密实钢纖维混凝土，进行坍落扩展度、流动时间T500和J环试验，试验结果见表8。不同纤维掺量下，坍落扩展度D=670～690 mm，T500=3.8～8.1 s，J环扩展度DJ=660～690 mm，J环内外高差Δ=4.8～7.8 mm。拌合物填充性达到SF2和VS1等级，间隙通过性达到PA2等级，具有优良的密实性能[16]。

2.3 抗压强度

对每种配合比的自密实钢纤维混凝土，制作2组边长为100 mm的立方体试块，在标准养护室进行养护，测试其7 d和28 d抗压强度。根据ECS 13-2009《纤维混凝土试验方法标准》[17]规定，非标准边长100 mm试件的立方体抗压强度乘以换算系数0.9后，得到边长150 mm标准立方体的抗压强度，结果见表8。随着钢纤维体积率增加，自密实钢纤维混凝土抗压强度有所增加[9]。钢纤维体积率为0.8%和1.2%时，满足C25配制强度为33.2 MPa的要求。利用式（3），由7 d抗压强度推算28 d抗压强度，试验值与推测值之比的平均值为1.006，变异系数为0.023，表明式（3）同样适用于自密实钢纤维混凝土。这是因为钢纤维对自密实混凝土抗压强度的提高作用有限，混凝土强度发展主要依赖于胶凝材料的水化反应随时间的发展[9，15]。

3 四面六边透水框架的制备

选取钢纤维体积率为0.8%和1.2%的自密实钢纤维混凝土，进行了四面六边自密实钢纤维混凝土透水框架的试制工作。框架模板由内外模组合而成。将拌制的自密实纤维混凝土由2个斜支杆灌入，待剩余的1个支杆基本灌满后，再一并浇筑水平支杆（见图4）。浇筑完成后，立即抹光浇筑水平面。洒水养护24 h后拆模。四面六边透水框架的成品见图4（c），框架表面未见裂纹和孔洞，质量满足制作要求。

4 结 论

（1）通过不同掺量粉煤灰的水泥胶砂强度试验，确定了采用P.P.32.5火山灰质硅酸盐水泥配制C25混凝土的合理粉煤灰掺量。

（2）采用工程实际原材料，研究了自密实混凝土抗压强度随水胶比和养护龄期的变化规律。根据试验数据拟合分析，确定了自密实混凝土配合比的水胶比计算公式中的系数取值，得到了28 d抗压强度的早龄期预测公式。

（3）在保持自密实性和抗压强度与自密实混凝土一致的前提下，采用直接计算法确定了自密实纤维混凝土的配合比。试验结果表明：配制的自密实钢纤维混凝土具有优良自密实性，在钢纤维体积率为0.8%和1.2%时抗压强度满足C25混凝土配制强度要求。

试制了四面六边自密实纤维混凝土透水框架，产品成型质量满足要求。

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（编辑：胡旭东）