原材料與配合比

　　鋼纖維增強普通混凝土的拌和料是由水泥、水、粗細集料、鋼纖維及必要時摻入化學外加劑或摻合料，按一定比例配制而成的。拌和料中各組成材料的正確選擇，對鋼纖維增強混凝土的物理力學性能和施工有重要的影響。

　　鋼纖維增強普通混凝土的組成材料，除鋼纖維外，其它材料與普通混凝土有共同點，也有許多不同的特點，在此著重闡明組成鋼纖維增強普通混凝土的原材料及其配合比設計問題。

一、原材料

1．鋼纖維

　　(1)鋼纖維的分類  鋼纖維的分類，可按鋼纖維的生產(chǎn)工藝、外形、斷面形狀、材質、抗拉強度及施工用途劃分。

　?、侔瓷a(chǎn)工藝可分為鋼絲切斷型(a)、鋼板剪切型(b)、鋼錠銑削型(c)和熔抽型(d)四類。如圖11．1所示。

圖11．1鋼纖維生產(chǎn)工藝

1鋼絲；2一胎具；3一薄鋼板；4一切削刀輪；5一鋼纖維

6一鋼錠；7一運送；8一熔鋼；9一熔抽輪

　　a．鋼絲切斷型鋼絲切斷型鋼纖維的截面有圓形和矩形。切斷形鋼纖維是將冷拔至一定直徑的鋼絲按一定長度切斷而成。這種纖維的抗拉強度一般為800～2000MPa，因表面較平直光滑，與混凝土的黏結強度較差。為了增加鋼纖維與混凝土的黏結，可加工成大頭纖維或彎鉤纖維。國內也有用廢鋼絲切斷加工而成鋼纖維的，價格便宜。

　　b．鋼板剪切型鋼板剪切型鋼纖維是將一定厚度的帶鋼用旋轉的刀具剪切成矩形斷面的鋼纖維。一般帶鋼厚度要求在O．4～0．8mm之間，進刀量為0．4～0．6mn·。因剪切時刀具與帶鋼成一定角度，因此，剪切鋼纖維一般都扭成1～2周的角度。剪切鋼纖維抗拉強度一般在500～1000MPa。

　　c．鋼錠銑削型鋼錠銑削型鋼纖維是用旋轉的平削刀將鋼錠或厚鋼板銑削制成的。在銑削過程中，纖維產(chǎn)生較大的塑性變形，其斷面呈現(xiàn)三角形，強度比母材有較大的提高，與混凝土的黏結強度也有所增強。

　　d．熔抽型  熔抽型鋼纖維是在溫度1500～1600℃的點爐中將鋼熔化成鋼液，然后在鋼液上面安裝一個帶有刻痕且能高速旋轉的熔抽輪，接近鋼液面。當熔抽輪旋轉時，將鋼液甩出，由于熔抽輪內有保持一定流速的冷卻水，故可使鋼液迅速冷卻，成為斷面不規(guī)則的鋼纖維。

　?、诎雌渫庑畏譃槠街毙?a)和異型。異型指變截面或非直形的鋼纖維，異型鋼纖維主要有壓痕形(b)、波浪形(c)、端鉤形(d、e)、鐓頭形(f、g)、扭曲形(h)等，如圖11．2所示。

　?、郯磾嗝嫘螤罘譃閳A形、矩形、月牙形及不規(guī)則形等。如圖11．3所示。

　?、馨床馁|可分為碳鋼型、低合金鋼型和不銹鋼型。

　　⑤按抗拉強度可分為以下三級(依據(jù)《纖維混凝土結構技術規(guī)程》CECS38：2004的規(guī)定)：

　　a．380級(抗拉強度≥380MPa，<600MPa)；

　　b．600級(抗拉強度≥600MPa，<1000MPa)；

　　c．1000級(抗拉強度≥1000MPa)。

　　(2)鋼纖維的幾何參數(shù)和體積率  鋼纖維的幾何參數(shù)有鋼纖維長度、直徑(或等效直徑)及長徑比。

　?、黉摾w維長度(或標稱長度)  鋼纖維的長度為單根鋼纖維兩端點間的直線距離，用l_f表示。l_f不能太短，否則影響其增強效果；也不能過長，否則纖維在攪拌過程中容易結團，難以在混凝土中均勻分散。

　?、阡摾w維截面的直徑或等效直徑和長徑比  鋼纖維截面的直徑或等效直徑用df表示。等效直徑系指鋼纖維為非圓形截面時，其截面積相當于圓形截面面積時，計算所得到的直徑(計算方法見本書第二章)。鋼纖維的長徑比即指鋼纖維的長度與直徑或等效直徑之比，用l_f／d_f表示。

　?、垆摾w維體積率鋼纖維體積率指鋼纖維所占鋼纖維增強混凝土體積的百分數(shù)，用 表示。

　　(3)鋼纖維增強混凝土結構對鋼纖維幾何參數(shù)和體積率的選用范圍  鋼纖維的增強效果與鋼纖維的長度、直徑(或等效直徑)、長徑比有關。鋼纖維增強作用隨長徑比增大而提高。鋼纖維過細易在拌和過程中被彎折，過粗，則在同樣體積率時，其增強效果較差。

　　試驗研究和工程實踐表明，鋼纖維的長度為20～60mm，直徑或等效直徑宜為O．3～O．9mm，長徑比在30～100范圍選用，其增強效果和工藝性能可滿足要求。如超出上范圍，經(jīng)試驗，在增強效果和工作性能方面能滿足要求時，也可根據(jù)需要采用。根據(jù)國內外工程應用經(jīng)驗，對一般澆筑、抗震框架節(jié)點及鐵路軌枕等類結構的鋼纖維增強混凝土，常用鋼纖維幾何參數(shù)選用范圍如表11．1所示。

表11．1  鋼纖維幾何參數(shù)選用范圍

　　通常情況下，鋼纖維增強混凝土的鋼纖維體積率不宜小于O．5％，也不宜大于3％，以1％～2％為宜。

　　鋼纖維增強混凝土中鋼纖維的體積率小到一定程度時將不起增強作用，對于不同品種、不同長徑比的鋼纖維，其最小體積率略有不同，國內外一般以O．5％為最小體積率。鋼纖維體積率超過2％時，拌和料的和易性變差，施工較困難，質量難以保證。但在特殊需要時，經(jīng)試驗和采取必要的措施，在保證質量和增強效果情況下，可將鋼纖維體積率適當增大。

　　當鋼纖維的性能較好或結構對增強要求較低時，可選用低值，結構對增強要求較高或鋼纖維性能較差時可選高值。

2．水泥

　　目前在鋼纖維增強混凝土中常用的水泥是強度等級42．5和52．5的普通硅酸鹽水泥。鋼纖維增強混凝土中水泥用量比普通混凝土用量要大，一般為360～450kg／m。。

3．細集料

　　砂的細度模數(shù)對鋼纖維增強混凝土強度與和易性有一定影響，相同數(shù)量的粗砂與細砂相比，粗砂的比表面積較小，因而，在保證鋼纖維增強}昆凝土強度相同時，粗砂需要的水泥用量較細砂少。顯然，當水泥用量相同時，用粗砂配制成的鋼纖維混凝土強度要比用細砂配制的鋼纖維增強混凝土強度高。此外，當鋼纖維增強混凝土的拌和料和易性相同時，細砂混凝土的拌和料需水量較多，但如用過粗的砂拌制，容易產(chǎn)生離析和泌水現(xiàn)象；若用過細的砂拌制，雖不產(chǎn)生離析和泌水現(xiàn)象，卻需要較多的水泥漿才能包裹砂的表面，水泥用量大。為此，砂的細度模數(shù)要適中，配制鋼纖維增強混凝土的砂宜用中粗砂。砂的級配應符合要求。砂的密度一般為2．5～2．7g／cm。。

4．粗集料

　　鋼纖維增強混凝土所用石料，通常選用碎石。因碎石的顆粒表面較粗糙，富有棱角，能產(chǎn)生良好的機械嵌鎖作用，與水泥漿有較強的黏結力。因此，在同樣條件下，用碎石比用礫石所配制成的鋼纖維增強混凝土強度高，但需水泥漿較多。

　　鋼纖維增強混凝土所用石料粒徑不宜大于鋼纖維長度的2／3，一般為5～20mm，最大粒徑不宜大于20mm，如果石料粒徑過大，削弱了鋼纖維的增強作用，并易于集中于大石料周圍，不便于鋼纖維的分散。

　　石料的級配應符合要求，否則會影響鋼纖維增強混凝土混合料的流動性和水泥用量。

5．水

　　凡能飲用的水和潔凈的天然水，均可用于鋼纖維增強混凝土，因海水對鋼纖維有銹蝕作用，一般不允許用海水拌制鋼纖維增強混凝土。

6．外加劑

　　在鋼纖維增強混凝土拌和過程中，為了改善拌和料的和易性，減少水泥用量或提高強度，可摻入一定量的外加劑。

　　外加劑按使用效果分為減水劑、引氣劑、防凍劑、膨脹劑、促凝劑等。在鋼纖維增強混凝土中，使用較多的是減水劑(普通減水劑和高效減水劑)，以提高其和易性。

　　在使用外加劑時應注意的事項是：

　?、俑鶕?jù)使用目的，選擇品種，并根據(jù)技術經(jīng)濟效益進行比較確定。

　?、趽搅繎此闷贩N，并根據(jù)使用要求、施工條件、拌和的原材料等因素經(jīng)試驗確定。摻量以水泥質量的百分率表示。

　?、蹞搅繛? 9／6以下的外加劑(如高效減水劑)應以水溶液摻入為宜。

　　④注意外加劑與水泥的適應性。    ．

　?、萃饧觿┑男阅軕犀F(xiàn)行標準《混凝土外加劑應用規(guī)程》的規(guī)定。

7．摻合料

　　根據(jù)需要和可能，在鋼纖維增強混凝土中還可摻入一定量的粉煤灰或硅粉等摻合料，以改善拌和料的和易性，節(jié)約水泥用量以及提高強度。其拌和材料性能應符合現(xiàn)行標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和《用于水泥中的火山灰質混合材料》的規(guī)定，其摻量可通過試驗確定。

二、配合比

　　應根據(jù)對鋼纖維增強混凝土的使用要求和鋼纖維增強混凝土配合比的特點進行合理的設計。

1．鋼纖維增強混凝土配合比設計的要求和特點

　　(1)鋼纖維增強混凝土配合比設計的要求  所配制的鋼纖維增強混凝土應滿足下列要求：

　?、贊M足工程所需要的強度和耐久性。對建筑工程，一般應滿足抗壓強度和抗拉強度的要求；對路(道)面工程，一般應滿足抗壓強度和彎拉強度的要求。

　?、谂渲瞥傻匿摾w維增強混凝土拌和料的和易性應滿足施工要求。

　?、墼跐M足工程要求的條件下，充分發(fā)揮鋼纖維的增強和增韌作用，合理確定鋼纖維和水泥用量，降低鋼纖維增強混凝土的成本。

　　(2)鋼纖維增強混凝土配合比設計的特點  鋼纖維增強混凝土配合比設計與普通水泥混凝土相比，其主要特點是：

　　①在水泥混凝土拌和料中摻入鋼纖維，主要是為了提高混凝土的抗彎、抗拉、抗疲勞的能力和韌性。當有抗壓強度要求時，除按抗壓強度控制外，還應根據(jù)工程性質和要求，分別按彎拉強度或抗拉強度控制，確定拌和料的配合比，以充分發(fā)揮鋼纖維增強混凝土的增強作用，而普通水泥混凝土一般以抗壓強度控制(道路混凝土以彎拉強度控制)來確定拌和料的配合比。

　?、谂浜媳仍O計時，應考慮摻入拌和料中的鋼纖維能分散均勻并使鋼纖維的表面包滿砂漿，以保證鋼纖維增強混凝土的質量。

　?、墼诎韬土现屑尤脘摾w維后，其和易性有所降低，為了獲得適宜的和易性，應適當增加單位用水量或減水劑。

2．鋼纖維增強混凝土配合比設計的原理與方法

　　鋼纖維增強混凝土配合比設計的基本方法是建立在鋼纖維增強混凝土拌和料的特性及其硬化后的強度基礎上的，其主要目的是根據(jù)使用要求，合理確定拌和料的水灰比、鋼纖維體積率、單位用水量和砂率等四個基本參數(shù)，由此，即可算出各組成材料的用量，在確定基本參數(shù)時，既要滿足抗壓強度要求，又要符合彎拉強度或抗拉強度要求以及和易性、經(jīng)濟性的要求。

　　由于配制鋼纖維增強混凝土材料品種、類型的差異和施工條件的不同，在實際工程中，其配合比的設計一般是在初步計算的基礎上，通過試驗和結合施工現(xiàn)場的條件再進行必要的調整確定。

　　(1)水灰比的確定  由于鋼纖維增強混凝土的抗壓強度主要取決于基體混凝土的強度，鋼纖維對抗壓強度影響不大，因此，鋼纖維增強混凝土的水灰比，可按普通水泥混凝土抗壓強度與水泥強度等級、水灰比的關系求得。

　　通常在滿足抗壓強度要求時，其耐久性也能滿足。但對于嚴寒冰凍地區(qū)，其最大水灰比、最小水泥用量等應按有關規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。在最后確定水灰比時，應將強度或耐久性要求的水灰比作比較，選定較小者為設計水灰比。鋼纖維增強混凝土的水灰比一般為0．45～0．50，對于有耐久性要求時，一般不大干0．5。

　　(2)鋼纖維體積率的確定

　　①對于有抗壓強度和彎拉強度(抗折強度)要求時，鋼纖維體積率的確定

　　a．根據(jù)彎拉強度和由抗壓強度確定的水灰比及水泥彎拉強度確定鋼纖維體積率。據(jù)王璋水的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合回歸分析，鋼纖維增強混凝土彎拉強度與水灰比、鋼纖維體積率、長徑比及水泥彎拉強度的關系，由式(11．1)表示：

     (11.1)

　　式中 ——鋼纖維增強混凝土試配彎拉強度，MPa；

     R_tm——實測28d水泥彎拉強度，MPa，可由水泥廠提供的水泥試驗報告查得，當無實測數(shù)據(jù)時，可按水泥的抗折強度等級乘以富裕系數(shù) 1.13計；

      ——鋼纖維增強混凝土的灰水比；

      ——品種不同的鋼纖維對彎拉強度的影響系數(shù)，根據(jù)試驗回歸分析結 果， 值列于表11．2。

表11．2 系數(shù)表

　　式(11·2)適用于強度等級為42．5和52．5的水泥，水灰比o．4～O．6，砂率為40％～60％，碎石粒徑為5~20mm，鋼纖維體積率0．5％～2．5Z，長徑比為40～100。

　　鋼纖維增強混凝土試配彎拉強度可按式(11．2)計算：

　　式中 ——鋼纖維增強混凝土設計彎拉強度，MPa；

　　Z——保證率系數(shù)；

　　——鋼纖維增強混凝土彎拉強度的標準差，MPa。

　　試配彎拉強度也可以根據(jù)有關規(guī)定，由設計彎拉強度乘以提高系數(shù)1．10～

1．15計算。

　　由式(11·3)可知，當已知鋼纖維增強混凝土的試配彎拉強度、水灰比、水泥彎拉強度及鋼纖維的品種后，即可求得鋼纖維的體積率。確定體積率時，在滿足強度要求的原則下，必須考慮經(jīng)濟性和便于施工，盡量減少鋼纖維的用量，必要時可適當調整水灰比，以求得合適的體積率。

　　b·根據(jù)彎拉強度和由抗壓強度確定的水灰比及水泥抗壓強度，也可按式(11·3)確定剪切鋼纖維的體積率。根據(jù)孫偉等的試驗結果，剪切鋼纖維增強混凝土的彎拉強度與水灰比、體積率、長徑比以及水泥抗壓強度有如下關系：

     (11．3)

　　式中 ——鋼纖維增強混凝土試配彎拉強度，MP。；

　　Rc——實測28d水泥抗壓強度，MPa；

　　C／W——鋼纖維增強混凝土的灰水比。

　　若已知鋼纖維增強混凝土的彎拉強度、水灰比、水泥抗壓強度及鋼纖堆長徑比，按式(11．4)代即可求得剪切鋼纖維的體積率。

　　②對有抗壓強度和抗拉強度要求時，鋼纖維體積率的確定  鋼纖維增強混凝土抗拉強度與其基體混凝土抗拉強度、鋼纖維體積率、長徑比有下列關系：

      (11．4)

　　式中 ——鋼纖維增強混凝土設計抗拉強度，MPa；

　　——根據(jù)鋼纖維增強混凝土強度等級，按現(xiàn)行有凝土結構設計規(guī)范確定的設計抗拉強度(MPa)；

　　——鋼纖維對抗拉強度的影響系數(shù)。當無試驗資料時，可參考文獻CECS 38：2004選用。

　　(3)鋼纖維增強混凝土單位體積用水量和水泥用量的確定  在水灰比保持一定的條件下，單位體積用水量和鋼纖維體積率是控制拌和料和易性的主要因素，用水量的確定應使拌和料達到要求的和易性，便于施工為準。鋼纖維增強混凝土的和易性按維勃稠度控制，一般以15～30s為宜。

　　由于影響單位體積用水量的因素較多，選用的原材料有差異，因而用水量變化較大。在實際應用中，可通過試驗或根據(jù)已有經(jīng)驗確定。

　　當拌和料中摻人外加劑或摻合料時，其摻量和單位體積用水量應通過試驗確定。

　　鋼纖維增強混凝土中，由于包裹鋼纖維和粗細集料表面的水泥漿用量較普通混凝土多，因而單位體積水泥用量較大。鋼纖維增強混凝土單位體積水泥用量為360～450kg，根據(jù)強度和鋼纖維體積率而定，當體積率較大時，單位體積水泥用量也適當增加，但一般不應大于500kg。

　　(4)鋼纖維增強混凝土砂率的確定  砂率是砂的質量占砂石總質量的百分率。由于砂的粒徑遠比石料小，砂率的變化會使集料的總表面積有較大的變化，對拌和料的和易性和質量有較大的影響，因此必須選好砂率。影響砂率的主要因素有：

　?、俅旨掀贩N和最大粒徑的影響，碎石比卵石需要砂率大，石料最大粒徑小，則全部石料的空隙率就大，砂率需要大。

　　②鋼纖維體積率和長徑比大，則鋼纖維的表面積大，需要砂率也大。

　　③砂的細度模數(shù)較小時，因砂中細顆粒較多，拌和料的黏聚性容易得到保證，故砂率采用較小值。

　?、芩冶容^小，水泥漿較稠時，可采用較小砂率。

　?、菔┕ひ蟀韬土系牧鲃有暂^大時，粗集料常易出現(xiàn)離析，可采用較大砂率。

　　⑥在拌和料中，若摻入減水劑、加氣劑時，可適量減小砂率。

　　由于影響砂率的因素較多，因此砂率可通過試驗或根據(jù)已有經(jīng)驗確定，也可根據(jù)所用材料的品種規(guī)格、鋼纖維體積率、水灰比等因素，參考有關資料選用，然后再通過拌和物和易性試驗確定。試驗表明，當使用中砂時(細度模數(shù)2．3～3．0)，鋼纖維增強混凝土的砂率一般為40％～50％。砂率在此范圍內變化，對強度影響不大，對和易性有一定的影響。

　　(5)單位體積內砂、石用量的確定在上述基本參數(shù)確定后，可用絕對體積法或假定密度法求得單位體積的砂、石用量。

　　(6)配合比調整和強度檢驗  以上確定的材料配合比為計算配合比，由于在實際工程中所用材料情況往往有變化，影響鋼纖維增強混凝土性能的因素又較多，因此按照上述方法得到的配合比僅是初步確定的配合比，為了符合實際，還需要經(jīng)試驗進行調整以及通過強度檢驗。通過試樣進行拌和料的性能試驗，檢查其稠度、黏聚性、保水性是否滿足施工要求，若不滿足則應在基本保持水灰比和鋼纖維體積率不變的條件下，調整單位體積用水量或砂率，直到滿足要求為止，并據(jù)此確定用于強度試驗的基準配合比。

　　鋼纖維增強混凝土的強度試驗應根據(jù)工程要求，分別進行抗壓強度與彎拉強度或抗壓強度與抗拉強度(或劈拉強度)的試驗。每種強度試驗至少應采用三種不同配合比，其中一種為基準配合比，當進行抗壓強度試驗時，另兩種配合比的水灰比應比基準配合比分別各增減O．05；當進行彎拉強度或抗拉強度試驗時，另兩種配合比的鋼纖維體積率應比基準配合比分別各增減0．2％。改變水灰比或鋼纖維體積率時，單位體積用水量應保持不變，可通過調整砂率來保持拌和料的稠度不變。共配制三種配合比，經(jīng)過試拌后制作三組試塊。制作試塊時，應測定其拌和料的稠度、黏聚性、保水性和質量密度。

　　根據(jù)強度試驗測得水灰比與抗壓強度的關系，可求得與試配抗壓強度對應的水灰比，根據(jù)鋼纖維體積率與彎拉強度或抗拉強度的關系，可求得試配彎拉強度或抗拉強度相對應的鋼纖維體積率。由此確定的配合比為試驗室配合比。如有抗凍、抗?jié)B等性能要求，還需另做專用試驗檢查。

　　試驗室配合比一般是以干燥材料為主，而工地現(xiàn)場的砂、石材料大都含有一定的水分，因此試驗室配合比還需根據(jù)現(xiàn)場材料情況加以調整，調整后的配合比稱為施工配合比，以此配合比指導和控制現(xiàn)場施工。