【摘 要】本文主要介紹了國內(nèi)首次使用山砂進行鋼纖維混凝土的選材、拌制、澆筑與檢驗的全部過程，通過對考察鋼纖維在混凝土中的分布狀況、利用山砂中所固有的石粉對混凝土和易性的正面影響、設(shè)計合理的攪拌和澆筑流程，成功使用山砂來配制鋼纖維混凝土來完成了貴州省畢節(jié)地區(qū)倒天河整治一號路大橋的施工，拓展了鋼纖維混凝土的配料范圍，可供其它類似工程施工作參考。

【關(guān)鍵詞】山砂 鋼纖維混凝土 設(shè)計 應(yīng)用

1 前言

鋼纖維混凝土或纖維混凝土，是一種滿足于特殊需求的建筑材料，常用于具有抗腐蝕、抗震動、高耐久性、高疲勞性等部位。如大跨度橋梁、承重型地面、大壩、鐵道預(yù)制結(jié)構(gòu)、特殊工藝處理結(jié)構(gòu)等，對于材料的選擇具有極其嚴(yán)格的要求，也造成了其工程成本相對較大，有時可能為了達到工藝或質(zhì)量要求，不得不采取特殊措施來滿足，致使工程成本成倍增加。其中，《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38-2004）第14.2.2條明確規(guī)定：配置鋼纖維高強混凝土宜選用質(zhì)地堅硬、級配良好的河沙，其細(xì)度模數(shù)不宜小于2.4，以確保其工作性能和和易性。山砂與河沙比較，具有級配較差，細(xì)度模數(shù)偏高，粉塵含量超標(biāo)等眾多不足，對混凝土施工質(zhì)量具有很大影響，尤其是橋梁的重點部位可能帶來諸多風(fēng)險。

雖然因纖維混凝土所處環(huán)境的特殊性，在整個工程行業(yè)中使用量并不大。但針對單項工程來說，單一材料的挑剔意味著在建設(shè)方不得不大幅增加工程投資。

2 工程背景

畢節(jié)市倒天河綜合治理三期工程一號路大橋為梁拱組合橋。大橋長467m，寬34m，橋面高35m，采用2×37m+88m +180m+88m+25m=455m的連續(xù)剛架鋼管混凝土梁拱組合橋，中間3跨為鋼管混凝土系桿拱與預(yù)應(yīng)力混凝土V型剛構(gòu)組合而成的飛雁式拱橋（詳見圖1）。為了延長橋梁使用壽命，防止鋼混結(jié)合面開裂，增強結(jié)構(gòu)抗沖擊和耐磨性能，大橋主拱及邊拱拱腳預(yù)埋段設(shè)計均采用C50鋼纖維混凝土，設(shè)計工程量為2800m3。

在貴州地區(qū)，天然河砂資源的嚴(yán)重匱乏，要嚴(yán)格按照規(guī)范要求配制纖維混凝土混凝土，必須要進行長距離采購。根據(jù)實際測算，采用從湖南或廣西采購優(yōu)質(zhì)河砂，采購成本約需500元/m3，加上運輸損耗等，比使用當(dāng)?shù)厣缴懊苛⒎皆黾映杀?35元。鋼纖維混凝土需砂總量為1634m3，需多投入成本約80萬元。

為了合理利用資源，節(jié)約工程投資，降低工程成本，縮短工程工期，對以山砂代替河砂配制纖維混凝土進行了設(shè)計研制。

3 工程難題

鋼纖維高強混凝土，其特點是高強混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。對于混凝土這樣的脆性材料，由于其內(nèi)部的水泥漿——細(xì)骨料界面區(qū)、砂漿——粗骨料界面區(qū)薄弱環(huán)節(jié)的存在，盡管各組分材料都有較高的抗拉強度，但容易發(fā)生斷裂破壞，宏觀抗拉強度很低。加入亂向分布鋼纖維能較好地跨越裂縫兩邊，使鋼纖維與裂縫兩邊間混凝土產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。但鋼纖維的加入也降低了混凝土的和易性，從而對混凝土本身的和易性和工作性要求比普通混凝土更高。

采用山砂與河砂的根本區(qū)別在于優(yōu)質(zhì)河砂可以較好地控制含泥量，以河砂的清潔度確?；炷恋馁|(zhì)量及其良好的工作性。有人研究了機制砂中小于0.08mm石粉對混凝土拌和物性能的影響，認(rèn)為石粉是一種惰性摻和料，顆粒細(xì)小，補充了混凝土中缺少的細(xì)顆粒，增大了固體表面積對水體積的比例，從而減少了泌水和離析，而且石粉能和水泥及水形成柔軟的漿體，增加了混凝土的漿量，從而改善了混凝土的和易性。在用去除石粉的山砂拌制的混凝土，其保水性與和易性反倒變差。當(dāng)石粉所占比例在10%以下時，對于混凝土的和易性和強度影響不大。在低強度混凝土中，石粉對于混凝土甚至有增強作用。

陳家瓏的研究也表明：石粉中70%顆粒分布集中在16um以上，平均粒徑為36.9um.該石粉的粒度分布，不但不會阻礙水泥與骨料的結(jié)合，還填補了混凝土骨料之間的空隙，在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性，改善了離析泌水現(xiàn)象，使得混凝土易于成型振搗，改善了混凝土工作性。

因此，只要合理控制山砂石粉含量，用山砂替代河砂進行鋼纖維混凝土具有較好的可行性。

4 試驗方法

4.1材料選用

（1）采用貴州大方永貴建材水泥廠的普通硅酸鹽水泥。有產(chǎn)品合格證、出廠檢驗報告，符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50204-2002的要求，強度等級52.5MPa，進場復(fù)驗合格。

（2）采用畢節(jié)松圣采石場生產(chǎn)的山砂。質(zhì)量指標(biāo)符合貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)《山砂混凝土技術(shù)規(guī)程》DB24/016-2010要求，細(xì)度模數(shù)小于3.3，粉塵含量8.1%，現(xiàn)場遮蓋保存。

（3）采用畢節(jié)松圣采石場生產(chǎn)的碎石。公稱粒徑為5～25mm級配均勻。最大粒徑26.5mm，含泥量≤1%，符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52-2006）的規(guī)定。

（4）拌制砼的水質(zhì)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ63-2006《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》。

（5）鋼纖維采用冷拉端鉤型鋼纖維（詳見圖2），分散均勻，避免攪拌和施工過程中鋼纖維結(jié)團，鋼纖維的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值700MPa。

（6）粉煤灰采用四川瀘州地博牌優(yōu)質(zhì)II級粉煤灰。其質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》等的規(guī)定，優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有物理減水作用且增加和易性，摻入后對混凝土也有增強作用，有利于控制混凝土裂縫。

（7）外加劑采用四川吉龍牌高效復(fù)合減水劑，其質(zhì)量符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》（GB8076-2008）、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119-2011）、《混凝土泵送劑》和《預(yù)拌混凝土》的有關(guān)規(guī)定。

4.2配合比設(shè)計

本工程采用試驗-計算法進行配合比設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計強度要求及施工可行性前提下，適度控制成本，選取最優(yōu)設(shè)計配合比，具體步驟如下：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計強度標(biāo)準(zhǔn)值及施工配置強度的提高系數(shù)，確定試配抗壓強度與抗拉強度；

（2）根據(jù)試配抗壓強度計算水灰比；

（3）根據(jù)試配抗拉強度的要求，計算或通過已有資料確定鋼纖維體積率；

（4）根據(jù)施工要求的稠度通過試驗或已有資料確定單位體積用水量，考慮外加劑的影響；

（5）通過試驗或有關(guān)資料確定合理的砂率；

（6）按絕對體積法或假定質(zhì)量密度法計算材料用量，確定試配配合比；

（7）按試配配合比進行拌合物性能試驗，調(diào)整單位體積用水量和砂率，確定強度試驗用基準(zhǔn)配合比；詳見表1.

（8）根據(jù)強度試驗結(jié)果調(diào)整水灰比和鋼纖維體積率，確定施工配合比。

其中： 配置山砂高強混凝土?xí)r，水灰比不大于0.45。配合比設(shè)計較普通鋼纖維混凝土塌落度適當(dāng)放大，以滿足泵送施工條件。實際選取的配合比為：

實際試配抗壓強度為59.9MPa，抗拉強度為4.0MPa。設(shè)計理論配合比為水泥：水：山砂：碎石=1：0.4：2.28：2.47。（詳見表1）

4.3混凝土施工

4.3.1攪拌

攪拌山砂鋼纖維混凝土的各材料重量，按施工配合比設(shè)計準(zhǔn)確計量，其稱量偏差控制在表2規(guī)定的范圍內(nèi)。

（1）為了保證鋼纖維在混凝土中均勻分布，防止產(chǎn)生鋼纖維結(jié)團、鋼纖維產(chǎn)生彎曲或折斷、攪拌機因超負(fù)荷而停止運轉(zhuǎn)，出料口堵塞等現(xiàn)象，嚴(yán)格設(shè)計原料添加程序和攪拌程序。

（2）先將鋼纖維、水泥、摻合料、粗骨料、山砂均勻干拌，干拌時間不小于2分鐘。若干拌不能達到鋼纖維均勻分散時，增加干拌時間，減少一次拌合數(shù)量。干拌均勻后再加水、外加劑濕拌。濕拌時間不小于90秒。

（3）鋼纖維在投料前進行分散處理，并設(shè)置鋼纖維專用進料口，均勻、緩慢投入。

4.3.2運輸、澆筑與養(yǎng)護

（1）采用混凝土罐車運輸，運輸過程中均勻、連續(xù)轉(zhuǎn)動，運輸時間與澆筑時間累計不超過30分鐘。

（2）泵送混凝土連續(xù)不間斷地、均衡地供應(yīng)，保證混凝土泵送施工順利進行。

（3）施工采用機械振搗，除保證混凝土密實外，確保鋼纖維均勻分布。

（4）采用與普通混凝土相同的養(yǎng)護方法，養(yǎng)護時間14天。

4.4質(zhì)量檢驗

（1）按國家現(xiàn)行有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范進行。

（2）檢驗鋼纖維混凝土的軸心抗拉強度時，采用劈裂法試驗，將其強度系數(shù)乘以0.85后換算成軸心抗拉強度。

（3）實測平均抗拉強度為4.45MPa，達到設(shè)計強度的125%；實測平均抗壓強度為61.3MPa，達到設(shè)計強度的122.6%。

5 結(jié)語

通過為期3個月的山砂鋼纖維高強混凝土泵送技術(shù)研究，2013年11月11日，正式開始投入施工，首次順利完成3號墩三角剛架4個拱腳預(yù)埋段C50山砂鋼纖維高強混凝土澆筑。

其后依次完成2號墩2個拱腳預(yù)埋段，4號墩三角剛架4個拱腳預(yù)埋段和5號墩拱腳預(yù)埋段C50山砂鋼纖維高強混凝土施工。

施工過程中按照經(jīng)多次試驗優(yōu)選的施工配合比和施工工藝并嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)程要求有序進行，混凝土試件28d強度普遍達到60Mpa以上，實體外觀質(zhì)量良好，混凝土的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能和表觀質(zhì)量都達到了設(shè)計及規(guī)范要求，質(zhì)量一次性驗收合格。

經(jīng)過對可行性分析、原材料的合理選用、攪拌方法及過程的嚴(yán)格控制，重點控制鋼纖維在攪拌與澆筑過程中的投入、分散等因素，本工程實現(xiàn)了山砂鋼纖維混凝土的正常澆筑。

6 探討

（1）山砂中粉末含量對結(jié)構(gòu)耐久性的影響還沒有數(shù)據(jù)可供參考。在加入鋼纖維后的耐久性如何評判需要更長時間的考察和研究。

（1）根據(jù)前人研究，山砂中的粉末在混凝土中主要呈惰性填充作用，但也會發(fā)生少量堿集料反應(yīng)。在加入鋼纖維后，粉末與鋼纖維之間的作用機理需要進一步研究。

（1）本工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大，澆筑時的難度較小。在小尺寸結(jié)構(gòu)中的澆筑情況有待進一步探討。

參考文獻：

[1]《機制砂對高強混凝土體積穩(wěn)定性的影響》.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007年10期.

作者簡介：席利萍（1975—），女，本科，重慶大學(xué)，土木工程專業(yè)，工程師。