钢纤维掺量对CF50钢纤维微膨混凝土性能的影响

张龙 王模弼 张亚峰

摘要：混凝土中掺入钢纤维和膨胀剂，其复合效应可以有效提高混凝土的抗裂、抗冻等耐久性能，论文开展了钢纤维掺量分别为0、30kg、60kg、90kg、120kg时对混凝土工作性、力学性及耐久性能的影响试验，结果表明：随着钢纤维掺量的增加，混凝土的工作性逐渐降低，抗压强度逐渐增高，而混凝土的抗开裂和抗冻能力则呈先提高后下降的趋势，当钢纤维掺量为60kg时，混凝土的综合性能最优，其坍落度为200mm，28d抗压强度为62.6MPa，抗裂等级达到Ⅴ级，抗冻等级为F600。

Abstract： Concrete was mixed with steel fiber and expansion agent， and its composite effect can effectively improve the durability of concrete against cracking and frost resistance. The paper carried out an experiment on the influence of steel fiber content of 0， 30kg， 60kg， 90kg and 120kg on the workability， mechanical properties and durability of concrete. The results show that with the increase of steel fiber content， the workability of concrete is gradually reduced， the compressive strength was gradually increased， and the anti-cracking and anti-freezing ability of concrete increased first and then decreased. When the steel fiber content was 60kg， the comprehensive performance of the concrete was optimal， the slump was 200mm， the 28d compressive strength was 62.6MPa， the crack resistance grade was V grade， and the anti-freeze grade was F600.

关键词：钢纤维;膨胀剂;冻融循环;开裂

Key words： steel fiber;expansion agent;freeze-thaw cycle;cracking

中图分类号：TU528.572                                 文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0198-03

0  引言

钢纤维微膨混凝土是充分利用钢纤维和膨胀剂复合效应的一种混凝土，其一方面利用开裂前膨胀剂的抗裂防渗作用和开裂后期钢纤维的阻裂增强作用，反映了“层次抗裂、阶段抗裂”的新概念。另一方面，在混凝土中三维乱向分布钢纤维，可为混凝土提供均匀的内部约束，使膨胀剂的作用实现最大化发挥;同时膨胀剂的反应物可将钢纤维周围的孔隙填充满，大大增加了混凝土致密性，客观上增强了钢纤维与混凝土之间的界面结合力，有助于改善混凝土内部组织结构。综上，钢纤维和膨胀剂的复合使用，能够充分发挥两者的协同耦合作用，相互促进、相互激发、相互匹配，达到“1+1>2”的效果[1-6]。

以云南某钢混叠合桥为依托，其桥面铺装层以及伸缩缝均采用CF50钢纤维微膨混凝土，泵送施工，且泵送高度高、距离远，泵管布置总长为145m，其中垂直泵管40m，因此对混凝土的工作性能要求较高，论文基于此问题，分析了不同钢纤维掺量对混凝土工作性，抗压强度，早期开裂及限制收缩率的影响，以探索出合适的鋼纤维掺量，既能满足混凝土的泵送施工要求，又具有良好的力学性及耐久性能。

1  试验材料

水泥采用P·O 52.5级水泥，具体物理力学性能如表1;采用4.75～25mm连续级配碎石作为粗骨料;采用S75级粒化高炉矿渣粉（简称矿渣粉）为其矿物掺合料，具体技术指标如表2;选用细度模数为2.7～2.8的河砂作为细骨料;采用聚羧酸高性能减水剂作为其外加剂，具体技术指标如表3;水为自来水，钢纤维采用云南凯瑞建材有限公司生产的端钩型钢纤维，型号规格为长38mm，直径0.8mm，抗拉强度为670MPa，长径比偏差为0.4%，膨胀剂为云南特亚建材有限公司生产的UEA高效低碱膨胀剂，限制膨胀率水中7d为0.037%，空气中21d为-0.011%。

2  配合比设计

参照JGJ55-2010《普通混凝土配合比设计规程》，JG/T472-2015《钢纤维混凝土》所规定的内容，钢纤维采用外掺法、膨胀剂采用内掺法，同时考虑泵送的施工要求，设计不同钢纤维掺量的试验配合比，如表4所示。

3  钢纤维掺量对混凝土性能的影响

3.1 钢纤维掺量对混凝土工作性及力学性能的影响

分析图1发现，钢纤维掺量的逐步增加，CF50钢纤维微膨混凝土的坍落度和扩展度会逐渐降低，倒提时间逐渐增大。未添加钢纤维的混凝土，其坍落度为220mm，扩展度为500mm，当钢纤维掺量为30kg时，混凝土的坍落度为210mm，扩展度为470mm，钢纤维掺量增加至60kg时，混凝土的坍落度为200mm，扩展度为430mm，可知在钢纤维掺量较低时，混凝土的工作性变化不大，而继续增加钢纤维掺量至90kg时，混凝土的坍落度为150mm，扩展度为350mm，混凝土的工作性出现较大幅度的下降，相对于未添加钢纤维的混凝土，坍落度降低了32%，扩展度降低了30%，当钢纤维掺量为120kg时，坍落度和扩展度仅为130mm和280mm，坍落度降低了41%，扩展度降低了44%，而且容易造成混凝土的离析及钢纤维的团聚，出现这种现象主要是因为一方面钢纤维微膨混凝土的工作性与掺入的钢纤维总比面积的大小有关，钢纤维掺量越高，总比表面积越大，需要包裹钢纤维的水泥浆体随之增加，而起到流动作用的水泥浆体相应减小，最终导致混凝土的工作性降低，另一方面，钢纤维的“棚架效应”也会造成混凝土的工作性降低。

由图2可知，未添加钢纤维的基准组混凝土3d和28d抗压强度分别为44.5MPa，54.3MPa，而通过加入钢纤维，可大大提高混凝土的抗压强度，且随着逐渐提高钢纤维掺量，抗压强度也会越来越强，相较于基准组，不同钢纤维掺量下28d抗压强度分别提高7%，15%，20%，23%，而且从图中还可以看出，混凝土的抗压强度在0～60kg范围内增长速率较快，但随着钢纤维掺量继续增加，在60～120kg范围内，混凝土的抗压强度增长幅度逐渐降低，这是因为随着钢纤维掺量的提高，混凝土的工作性变差，且钢纤维在混凝土中难以分布均匀，局部孔隙率增加，抑制了混凝土抗压强度的增长速率。

3.2 钢纤维掺量对混凝土早期开裂性能的影响

根据表4配合比，参照相关规范流程标准，选用平板刀口约束法来评价混凝土的开裂，试模装置采用CABR-BEC刀口约束混凝土早期开裂试验设备，试件尺寸为800mm×600mm×100mm。试件成型30min后，将其置于特定环境中进行必要的吹风干缩处理，特定环境需满足相对湿度保持在60±5%、温度控制在20±2℃，风速为5m/s。试验结果如图3所示。

由图3可知，基准组混凝土的最大裂缝宽度为0.25mm，单位面积上的总开裂面积为289.36mm2/m2，这是由于在膨胀剂的单独作用下，混凝土的早期收缩会被抑制，并且水泥与膨胀剂发生水化反应，会生成膨胀性钙矾石，大大增强了混凝土的致密性，从而使得混凝土的抗裂性能增强，而随着钢纤维的加入，混凝土早期收缩的最大裂缝宽度与单位面积上的最大开裂面积均明显降低，当钢纤维掺量为60kg时，混凝土的最大裂缝宽度和单位面积总开裂面积最小，继续增加钢纤维的掺量，在60～120kg的范围内，混凝土单位面积上的总开裂面积与最大裂缝宽度有所上升，但均低于基准组，造成以上变化的主要原因是钢纤维与膨胀剂的复合效应，一方面膨胀剂通过对混凝土的早期收缩进行补偿而防止开裂，另一方面适量的掺入钢纤维，可以限制混凝土的收缩与膨胀，改善混凝土内部组织结构，充分发挥其阻裂作用，两方面因素的协同耦合作用下，最终有效提高混凝土的抗裂能力，而过多的掺入钢纤维，易造成其在混凝土中分布不均匀，钢纤维之间搭接重叠的几率增加，在搭接重叠的界面处就容易形成孔隙，孔隙周围则易萌生微裂纹，造成混凝土的抗裂能力降低。

3.3 钢纤维掺量对混凝土抗冻性能的影响

根据表4配合比，参考相关规范流程标准，采用快冻法评定混凝土的抗冻性能，试件尺寸为100mm×100mm×400mm棱柱体，试件先标养24d，之后水中浸泡4d，在28d进行快速冻融试验，混凝土破坏前的最大冻融循环次数如图4所示。

由图4可知，相较于单掺膨胀剂的基准组，通过加入钢纤维可大大提高混凝土的抗冻性能，并且逐渐增加钢纤维掺量，混凝土的抗冻融循环次数趋势为先升高后降低，在钢纤维掺量为60kg时，混凝土的抗冻融循环次数最大为600次，可见在这一掺量下混凝土的抗冻性能最好。这是因为适量的钢纤维掺量，能充分发挥钢纤维与膨胀剂的复合效应，钢纤维限制了膨胀和收缩，微膨胀又补偿了收缩，从而提高混凝土的致密性，而且钢纤维的掺入能改善混凝土内部组织结构，其阻裂、桥接的作用，可以有效提高混凝土抵抗侵蚀、冻融破坏的能力，而钢纤维掺量过高时，使其在混凝土中的分布不均匀，增加混凝土内部的孔隙率，从而降低了混凝土的抗冻性能。

4  结论

①当钢纤维的掺量为60kg时，钢纤维与膨胀剂的复合效应最优，混凝土的工作性和抗压强度在满足泵送施工要求的前提下，同时还具备优异的抗裂性能和抗冻性能。

②CF50钢纤维微膨混凝土成功应用于云南某桥的桥面铺装层及伸缩缝，施工期间混凝土工作性良好，适宜泵送，浇筑过程连续，未发生堵管的情况，可见论文优化出的钢纤维掺量为60kg是合理可靠的。

参考文献：

[1]田稳苓. 钢纤维膨胀混凝土增强机理及其应用研究[D].大连理工大学，1998.

[2]张伟.钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2015（06）.

[3]Zhang siming. Steel fiber content on the influence of the strength of steel fiber reinforced concrete [J]. Building science， 2008， 24 （3） ： 36 -38.

[4]赵志方，赵国藩，刘健，于跃海.新老混凝土粘结抗拉性能的试验研究[J].建筑結构学报，2001（02）.

[5]吴炎海，何雁斌，杨幼华，李占鸿.养护制度对活性粉末混凝土（RPC）强度的影响[J].福州大学学报（自然科学版），2003（05）.

[6]Wang ling， li gang. Fiber concrete in the freeze-thaw cycle， freezing and thawing durability test under the action of chlorine salt research [J]. Concrete， 2002 （12） ： 43-46.

作者简介：张龙（1985-），男，云南昆明人，本科，工程师，研究方向为混凝土材料;王模弼 （1987-），男，湖北红安人，硕士研究生，工程师，研究方向为混凝土材料;张亚峰（1990-），男，河南洛阳人，硕士研究生，助理工程师，研究方向为混凝土材料。