超细短钢纤维与活性掺和体系对自密实混凝土的影响.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202302007开放科学（资源服务）标识码（OSID）超细短钢纤维与活性掺和体系对自密实混凝土的影响杜占涛，吴光进（中交建筑集团有限公司，北京100000）摘要：为同时提高自密实混凝土（SCC）的工作性能和力学性能，引入了超细短钢纤维，探究不同钢纤维和活性矿物掺和体系对 SCC 工作、力学性能的影响。结果表明：超细短钢纤维可实现最大纤维掺量 6.0%；相对于传统 SCC，单一掺和体系下超细短钢纤维 SCC 最大可将 7、28 天的抗压强度分别提升 86.0%、83.9%，最大可将 7、28 天的抗拉强度分别提升 120.0%、82.7%；单一掺和体系下矿渣粉在改善 SCC 抗折和抗压强度方面优于粉煤灰。根据试验结果推荐最佳的 SCC 活性掺和体系，即 20.0%粉煤灰+10.0%矿渣粉、10.0%粉煤灰+20.0%矿渣粉。关键词：混凝土；自密实；超细短钢纤维；不同掺和体系；工作性能；力学性能；单位经济成本中图分类号：TU411文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0074 07 0 引言自密实混凝土具有高流动性、优良的黏聚性和高间隙通过性而保持较高的工作性能，以实现在施工振捣困难的环境下达到规定的密实度，并保持较好的力学性能1。这显著降低了施工的成本，改善了施工环境，适用于桥梁、高层建筑结构2。由于对流动性具有较高的要求，其浆体含量比常规混凝土大，且后期易产生微小裂纹。在此背景下，利用纤维增强技术改善自密实混凝土的力学性能受到了广泛关注3。但纤维的加入会降低其流动性，一些研究也将活性掺和料加入自密实混凝土设计中4。在纤维增强方面，张虎5在自密实轻骨料混凝土的基础上掺入了钢纤维，发现其早期力学性能和抗碳化性能均有显著改善；冯蒙等6研究了不同的钢纤维尺寸和体积掺量（0.4%、0.8%、1.2%）对自密实透水混凝土工作性能和力学性能影响；毕继红等7基于钢纤维取向对其抗弯性能进行了数值模拟，探究了混凝土的开裂特性，其钢纤维的掺量设定为 2.0%。在掺和体系方面，赵云等8分析了矿渣粉掺量对钢纤维自密实混凝土工作和力学性能的影响，其中钢纤维掺量为 0.9%；王圣贤等9分析了粉煤灰和矿渣对自密实混凝土早龄期抗裂性，指出矿物掺合料占总胶凝材料的 30%时效果较好；张鸣等10研究了粉煤灰与矿渣粉复掺及膨胀剂对自密实混凝土的性能影响，指出膨胀剂与掺和料同时使用对改善自密实混凝土收缩性能更好；张艺清等11指出粉煤灰和硅粉对改善自密实混凝土有较好的效果，推荐粉煤灰的掺量不应超过 30.0%。在复合改善方面，王晋浩等12基于正交设计法，研究了不同粉煤灰和不同骨料对聚乙烯醇纤维增强自密实再生混凝土的力学性能，得到了最优的配合比；海然等13制备了钢纤维增强粉煤灰自密实混凝土，发现钢纤维掺量大于 1%时能达到较好的工作性能和力学性能。由此可见，纤维和矿物掺和料在改善自密实混凝土的性能方面具有较好的效果。尽管目前关于纤维和矿物掺和料在自密实混凝土的研究较多，但传统的钢纤维大多采用长径比或长度较大的纤维，提升效果有限。本文从改善传统的钢纤维在自密实混凝土的增强效果，同时考虑活性矿物掺和料在改善混凝土的工作性能方面的效果，开展不同掺和体系下的自密实钢纤维混凝土性能研究，探究不同纤维掺量、活性掺和体系对自密实混凝土工作性能、力学强度的影响及改善效果，为混凝土工程建设的实践应用提供参考。收稿日期：2023 04 06作者简介：杜占涛（1984），男，山东临沂人。高级工程师，硕士，主要从事公路、桥梁、市政、房建施工技术管理工作。E-mail：。路基工程 74 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）1 原材料和试验方法 1.1 原材料本研究基于华东某地区公路工程互通立交项目开展，根据所需混凝土的设计需求和施工难度，拟采用自密实混凝土完成部分桥梁和隧道的施工。本文涉及的自密实混凝土强度等级为 C40，考虑到混凝土的自密实特性，采用 42.5 普通硅酸盐水泥，主要性能技术指标，见表 1。针对自密实混凝土的已有研究主要采用大长径比的钢纤维，长径比为 40120，过大的长径比和纤维长度可能并不利于搅拌以及工作性能。因此，本文试图减少长度和直径，选择超细短钢纤维进行混凝土成型，在保证其流动性的同时，提高其强度。采用了镀铜钢纤维，由于其超细短的特性，使其能够以更大的掺量用于配制混凝土。表1水泥性能技术指标比表面积/（m2kg1）氯离子含量/%烧失量/%凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d7 d3 d7 d3360.0141.2420428022.546.74.68.3 水泥混凝土成型所采用的集料是石灰岩碎石和天然河沙。考虑到自密实的要求，以及在浇筑时可能会遇到的配筋情况，本文在选择碎石时充分考虑了碎石的粒径，分别为 510、1015 mm，且混合比例为 11。碎石的堆积密度为 1.57 g/cm3，空隙率为 41.90%，含泥量为 0.32%，以保证具有足够的间隙供拌合物通过。细集料的粒径太小将影响自密实混凝土的力学性能，因为更多的用水量将降低混凝土的强度，故本文选用的细集料为中砂，堆积密度为 1.42 g/cm3，细度模数为 2.63，含泥量为0.91%。为了减少用水量，采用了聚羧酸减水剂，减水率为 20.00%30.00%，推荐掺量为 0.80%1.20%。考虑到对水泥基材料流动性能的改善，选择了粉煤灰和矿渣粉作为矿物掺和料。粉煤灰，见图 1。矿渣粉，见图 2。图1粉煤灰 图2矿渣粉 粉煤灰能够降低水泥的用量、改善混合料的流动性，本文采用的粉煤灰为级，密度为2.52 g/cm3，比表面积为 4 769 cm2/g，含水量满足小于 1.0%的要求；另一种矿物细掺料是矿渣粉，等级为S95，比表面积为 416 cm2/g，密度为 2.00 g/cm3，含水率为 0.9%。1.2 试验方法本文重点对比不同复合掺和体系对自密实钢纤维混凝土工作性能和力学性能的影响，自密实混凝土的工作性能评估指标包括填充性（塌落度、扩展度、扩展时间）、间隙通过率（扩展差值）、抗离析性（离析率）；此外，力学性能指标包括抗压、抗折、抗拉强度。1.2.1 工作性能试验通过预实验，得出了合理的自密实混凝土拌合物的试验流程及工序时长。首先，将水泥、集料和矿物掺合料拌合均匀，120 秒后，均匀加入钢纤维，同时继续保持低速搅拌，该过程需在 60 秒完成；高速搅拌 120 秒后，加入混有减水剂的水溶液，低速搅拌 120 秒后，再高速搅拌 120 秒，最后形成自密实混凝土拌合物。拌合完成后，分别采用自密实混凝土塌落度仪器、L 型箱，以及 V 型漏斗，以检测其填充性、间隙通过率以及抗离析性。1.2.2 力学性能试验为研究不同掺和体系对自密实纤维混凝土力学性能的影响，分别对所成型的试件在标准养护条件下养护，对其 7、28 天的试件进行抗压、抗拉、抗折强度测试。上述试验方法及数据处理方法均按照水泥混凝土试验相关规定执行。2 自密实混凝土配合比设计采用绝对体积法进行标准自密实混凝土的配合比设计，设计原则及步骤参考自密实混凝土应用杜占涛，等：超细短钢纤维与活性掺和体系对自密实混凝土的影响 75 技术规程（JGT/T 2832012），此时，可获得不掺入任何纤维或活性掺和料的 C40 自密实混凝土配合比。根据之前关于掺和料改善自密实混凝土的研究结论，推荐掺合料总量为 30%，然后对种类进行调整。考虑超细短钢纤维的掺量最大不超过7%，且前期试验表明当掺量大于 6%时，其工作性能将难以得到保障。为此，将纤维的掺量范围设为 0%6%，并结合前期已有研究设置梯度范围。综上，为考察复合活性细掺料对自密实钢纤维混凝土的性能，自密实混凝土配合比设计方案，见表 2。表 2 中，水泥、粉煤灰、矿渣粉、水、粗骨料以及细骨料均为相对于水泥胶凝总量的质量百分比，而钢纤维掺量则为混凝土的体积百分比。表2自密实混凝土配合比设计方案试验编号水泥/%粉煤灰/%矿渣粉/%水/%粗骨料/%细骨料/%减水剂/%钢纤维（体积掺量/%）10.700.300.000.291.181.180.820.020.700.300.000.291.181.180.821.530.700.300.000.290.990.990.803.040.700.300.000.280.830.830.765.050.700.300.000.270.680.680.906.060.700.000.300.291.181.180.820.070.700.000.300.291.181.180.821.580.700.000.300.290.990.990.803.090.700.000.300.280.830.830.765.0100.700.000.300.270.680.680.906.0110.700.200.100.291.181.180.820.0120.700.200.100.291.181.180.821.5130.700.200.100.290.990.990.803.0140.700.200.100.280.830.830.765.0150.700.200.100.270.680.680.906.0160.700.150.150.291.181.180.820.0170.700.150.150.291.181.180.821.5180.700.150.150.290.990.990.803.0190.700.150.150.280.830.830.765.0200.700.150.150.270.680.680.906.0210.700.100.200.291.181.180.820220.700.100.200.291.181.180.821.5230.700.100.200.290.990.990.803.0240.700.100.200.280.830.830.765.0250.700.100.200.270.680.680.906.0注：试验15和610分别表示粉煤灰单掺、矿渣粉与水泥共混的单掺体系，而1115、1620、2125表示粉煤灰和矿渣粉双掺活体系。3 不同矿物掺和体系下自密实混凝土性能分析 3.1 单掺和体系下自密实混凝土工作性能与力学性能单掺粉煤灰或矿渣体系下，不同钢纤维掺量的自密实混凝土工作性能，分别见图 3、图 4，分别表征其流动性、黏聚性和间隙通过性特征。随着钢纤维的掺量增加，流动性能将显著下降，尤其是当掺量超过 3%后，坍落度损失量加快，因为更多的钢纤维限制了骨料的流动，难以随着浆体自由的扩张。在之前的研究中，当钢纤维掺量超过 2%时便难以流动，但本文采用了超细短钢纤维，尽管掺量超过了 6%，坍落度也能保持在 600 mm 以上。从黏聚性来看，拌合物也并没有出现明显的骨料分离和离析现象。尽管流动性受到了损失，但拌合物的通过时间最多达到了 190 秒，也满足了自密实混凝土的要求，黏稠性也明显提高。从间隙通过性可知，当纤维掺量达到 5%时，高度差最高达到了 77 mm，试验发现存在少量的骨料团聚，从而阻碍了相对移动，导致间隙通过性下降。传统的钢纤维由于掺量有限，对自密实混凝土强度的改善效果有限，通常最高能改善强度 30.0%。本文采用的超细短钢纤维能够使得掺量更大，有潜力更大程度改善混凝土强度。因此，单掺粉煤灰或矿渣体系下，不同钢纤维掺量的自密实混凝土力学性能，分别见图 5、图 6，分别表征其抗压强度、抗折强度和抗拉强度。结果表明，随着钢纤维掺量增加，抗压强度也随之提高，7 天强度可以达到 28天强度的 80.0%左右。相对于纤维掺量 0%的试验组，掺入纤维后，7、28 天的强度分别最高可提升 86.0%、83.9%。而且，超过 3.0%掺量后，强度改善的速率明显降低，但仍保持上升趋势。类似地，7 天抗拉强度可达到 28 天的 60.0%，低于抗压强度的提升幅度；与 0%钢纤维实验组相比，7、2