張盛，許珊珊，吳帥，盧傳泰

（江蘇誠(chéng)意工程技術(shù)研究院，江蘇 徐州 221131）

C50鋼纖維混凝土試驗(yàn)研究

張盛，許珊珊，吳帥，盧傳泰

（江蘇誠(chéng)意工程技術(shù)研究院，江蘇 徐州 221131）

為配制徐州市某重點(diǎn)高架工程 C50 鋼纖維混凝土，采用正交試驗(yàn)方法研究不同水膠比、摻合料摻量、鋼纖維體積率及砂率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。在正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)配合比參數(shù)下進(jìn)行鋼纖維摻量?jī)?yōu)化，得到滿足工程設(shè)計(jì)要求的配合比。研究結(jié)果表明：鋼纖維摻量從 0～100kg/m3，混凝土坍落度變化不大，擴(kuò)展度逐漸降低，抗壓強(qiáng)度略微增長(zhǎng)，劈拉和抗折強(qiáng)度明顯提高；水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維摻量 40kg/m3、砂率38% 時(shí)，C50 鋼纖維混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足工程設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

鋼纖維；正交試驗(yàn)；力學(xué)性能

0 前言

鋼纖維混凝土優(yōu)良的抗彎拉、抗疲勞、抗沖擊以及耐磨耗、韌性高等性能受到國(guó)內(nèi)外工程界的重視，已被廣泛應(yīng)用于公路路面、橋面、工業(yè)建筑地面、交通隧道等工程[1]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)鋼纖維混凝土及其結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了大量研究：Semsi Yaz?c?[2]和 Shan L[3]的研究結(jié)果均表明，一定條件下，鋼纖維的摻量越大，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度越大，而 Khaloo A R 和 Kim N[4]的研究結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)鋼纖維對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律；國(guó)內(nèi)學(xué)者[5-7]的研究結(jié)果表明，鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高幅度并不顯著，而有文獻(xiàn)[8,9]的研究結(jié)果表明，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度大體上隨纖維摻量的增加而增加，呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且鋼纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土的增強(qiáng)幅度高于普通強(qiáng)度混凝土；文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度也隨之增大。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各因素對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響研究結(jié)果不盡相同。

高架工程建設(shè)是城市構(gòu)建現(xiàn)代化城市交通體系的重要部分，2017 年我集團(tuán)商品混凝土分公司開始承接徐州市某重點(diǎn)高架工程，其中主線橋和匝道的伸縮縫、橋面鋪裝等均涉及 C50 鋼纖維混凝土，抗折要求≥6.0MPa。本課題通過正交試驗(yàn)方法，研究了不同水膠比、摻合料摻量、鋼纖維體積率和砂率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，得出最優(yōu)配合比參數(shù)，結(jié)合高架工程設(shè)計(jì)要求對(duì)鋼纖維摻量進(jìn)一步優(yōu)化，得出符合工程設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的配合比。

1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：江蘇誠(chéng)意 P·O42.5 級(jí)水泥，水泥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的質(zhì)量要求。

（2）粉煤灰：華潤(rùn)電力 F 類 I 級(jí)粉煤灰，粉煤灰各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的質(zhì)量要求。

（3）礦粉：中誠(chéng)建材 S95 級(jí)礦粉，礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的質(zhì)量要求。

（4）細(xì)集料：江砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，含泥量1.1%。砂各項(xiàng)性能指標(biāo)符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

（5）粗集料：徐州明陽生產(chǎn)的 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值為 8.1%，表觀密度為 2710kg/m3，其余各項(xiàng)性能均符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

（6）外加劑：徐州鑄建科技 ZJ-I 泵送減水劑，其性能指標(biāo)見表 1。

表 1 泵送減水劑性能指標(biāo)

（7）鋼纖維：上海研鉑實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的鋼錠銑削型鋼纖維，如圖 1 所示，根據(jù) CECS 13∶2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)，性能檢測(cè)結(jié)果見表 2。

圖 1 試驗(yàn)所用鋼纖維

表 2 鋼纖維性能檢測(cè)結(jié)果

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)影響因素選擇

正交試驗(yàn)法是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，正交試驗(yàn)中的因素是指可能對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)產(chǎn)生影響的原因，水平就是因素在試驗(yàn)中所處的狀態(tài)和條件。為弄清不同鋼纖維摻量、不同水膠比、不同摻合料摻量（礦粉與粉煤灰 1∶1 摻入）以及不同砂率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，本次試驗(yàn)指標(biāo)以不同齡期（7d、28d）抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度兩方面為主、劈拉強(qiáng)度方面為輔進(jìn)行研究分析，從而獲得滿足要求的最佳配合比。根據(jù)選擇的因素及水平，制作因素水平表如表 3 所示。由于特殊原因，不能將全配合比給出。

表 3 因素—水平表

2.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

混凝土抗壓、劈拉試驗(yàn)成型采用 150mm×150mm×150mm 的立方體試件，混凝土抗折試驗(yàn)成型采用100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件。

各組混凝土試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7d 和 28d 后，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土力學(xué)性能檢測(cè)。正交試驗(yàn)法檢測(cè)結(jié)果如表 4 所示。

表 4 正交試驗(yàn)法檢測(cè)結(jié)果

2.3 正交試驗(yàn)法結(jié)果分析

通過表 4 正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表 5 所示。

根據(jù)極差 R 大小可以看出：（1）各因素對(duì) 7d 抗壓強(qiáng)度的影響大小為：A＞B＞D＞C；各因素對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度的影響大小為：A＞D＞C＞B。（2）各因素對(duì) 7d劈拉強(qiáng)度的影響大小為：D＞B＞C＞A；各因素對(duì) 28d劈拉強(qiáng)度的影響大小為：D＞A＞C＞B。（3）各因素對(duì) 7d 抗折強(qiáng)度的影響大小為：B＞D＞C＞A；各因素對(duì) 28d 抗折強(qiáng)度的影響大小為：B＞D＞C＞A。

水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維體積率1.5%、砂率 38% 時(shí)，C50 鋼纖維混凝土 28d 力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異且均符合工程設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，因而本次正交試驗(yàn)的最優(yōu)配合比為 A1B2C1D3。

為進(jìn)一步研究各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)隨鋼纖維體積率的變化趨勢(shì)，以因素水平為橫坐標(biāo)，Ki的平均值為縱坐標(biāo)，畫出趨勢(shì)圖，如圖 2～4 所示。

表 5 正交試驗(yàn)的極差分析

圖 2 各因素與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖 3 各因素與劈拉強(qiáng)度關(guān)系圖

圖 4 各因素與抗折強(qiáng)度關(guān)系圖

在圖 2～4 中，隨著鋼纖維體積率的增加，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。鋼纖維體積率摻量 1% 相對(duì) 0.5% 摻量的混凝土抗折強(qiáng)度沒有明顯的提高，平均在 7.1MPa，當(dāng)鋼纖維體積率摻量達(dá)到 1.5% 以后，混凝土抗折強(qiáng)度明顯上升很多，達(dá)到7.9MPa。從上述圖中也可以較直觀地看出：四因素水平下，以 A1B2C1D3 為最優(yōu)組合。

2.4 鋼纖維摻量?jī)?yōu)化

徐州迎賓高架重點(diǎn)工程設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度≥6.0MPa，根據(jù) JG/T 472—2015《鋼纖維混凝土》規(guī)范要求，抗折強(qiáng)度應(yīng)按 1.15 倍設(shè)計(jì)值配制，即抗折強(qiáng)度≥6.9MPa。通過正交試驗(yàn)分析結(jié)果圖 4 中可知鋼纖維體積率摻量為 0.5%（約40kg/m3）和 1.0%（約 80kg/m3）時(shí)混凝土的 28d 抗折強(qiáng)度相近，均在 7.1MPa 左右，符合工程設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。實(shí)際生產(chǎn)過程中鋼纖維摻量最終要量化，結(jié)合工程實(shí)際成本要求，需要對(duì)鋼纖維摻量進(jìn)一步優(yōu)化分析。設(shè)計(jì) C50 鋼纖維混凝土容重 2450kg/m3，C50 基準(zhǔn)配合比參數(shù)如表 6 所示。鋼纖維摻量從 10～100kg/m3，每個(gè)配合比鋼纖維質(zhì)量相差 10kg，合計(jì) 11 個(gè)配合比。按照規(guī)范要求試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表 7 所示，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行混凝土工作性能、力學(xué)性能的分析。

表 6 C50 混凝土配合比

表 7 鋼纖維摻量?jī)?yōu)化檢測(cè)結(jié)果

2.4.1 工作性能分析

根據(jù)表 7 可知，C50 鋼纖維混凝土隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的坍落度變化不大，但擴(kuò)展度逐漸降低，100kg/m3摻量以內(nèi) C50 鋼纖維混凝土初始狀態(tài)均能滿足泵送要求。

2.4.2 抗壓強(qiáng)度分析

如圖 5 所示，隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，相對(duì)比基準(zhǔn)混凝土摻鋼纖維混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度平均分別提高 3%、5%，混凝土抗壓強(qiáng)度均符合規(guī)范要求；相比基準(zhǔn)混凝土鋼纖維摻量 90kg/m3時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到 69.8MPa，提升了 14%。

圖 5 C50 鋼纖維混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度

2.4.3 劈拉強(qiáng)度分析

如圖 6 所示，隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的 7d、28d 劈拉強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，摻鋼纖維混凝土 7d、28d 劈拉強(qiáng)度相對(duì)基準(zhǔn)混凝土平均分別提升 14.2% 和14.1%；相比基準(zhǔn)混凝土鋼纖維摻量在 100kg/m3時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度最高，達(dá)到 5.52MPa，提升了 24.6%；按照Romuldi 理論[13]，將鋼纖維摻入混凝土后，粘結(jié)應(yīng)力分布于裂紋端部的鋼纖維附近，阻止了裂縫的擴(kuò)展，從而提高了混凝土的抗裂能力，使混凝土劈拉強(qiáng)度有所增大，且隨鋼纖維含量的增加而增加。

圖 6 C50 鋼纖維混凝土 7d、28d 劈拉強(qiáng)度

2.4.4 抗折強(qiáng)度分析

如圖 7 所示，隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土的 7d、28d 抗折強(qiáng)度逐漸提高，摻鋼纖維混凝土 7d、28d 抗折強(qiáng)度相對(duì)基準(zhǔn)混凝土平均分別提升 21.2% 和23%。由于普通 C50 混凝土強(qiáng)度相對(duì)較高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，所以在未摻鋼纖維的情況下，28d 抗折強(qiáng)度已達(dá)到高架工程設(shè)計(jì)要求 6.0MPa，但不符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。當(dāng)鋼纖維摻量在 40kg/m3以上時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度均高于 6.9MPa，符合工程設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。相比基準(zhǔn)混凝土鋼纖維摻量在 100kg/m3時(shí)混凝土抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到 7.7MPa，提升了 36.7%。

圖 7 C50 鋼纖維混凝土 7d、28d 抗折強(qiáng)度

2.5 確定最終配合比及其性能檢測(cè)結(jié)果

通過正交試驗(yàn)及鋼纖維摻量?jī)?yōu)化結(jié)果，兼顧混凝土的工作性能、力學(xué)性能及成本因素，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證及調(diào)整后 C50 鋼纖維混凝土最終配合比方案如表 8 所示，其性能檢測(cè)結(jié)果如表 9 所示。

表 8 最終配合比

表 9 混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，通過正交試驗(yàn)結(jié)果得出，水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維（等效直徑1.44mm、長(zhǎng)徑比 22.2）體積率 1.5%、砂率 38% 時(shí)，可使 C50 鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。

（2）隨著鋼纖維摻量（100kg/m3以內(nèi)）的提高，C50 鋼纖維混凝土坍落度變化不大，但擴(kuò)展度逐漸降低，這是由于鋼纖維阻礙了混凝土中骨料的移動(dòng)；隨著鋼纖維摻量的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度略微增長(zhǎng)，混凝土的劈拉、抗折強(qiáng)度整體逐漸提高。

（3）通過正交試驗(yàn)及鋼纖維摻量?jī)?yōu)化結(jié)果，配制出的徐州市某重點(diǎn)高架工程 C50 鋼纖維混凝土配合比為水膠比 0.32、摻合料摻量 30%、鋼纖維摻量40kg/m3、砂率 38%，混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求，因此上述配合比方案可行。

[1] 趙國(guó)藩，彭少民，黃承逵．鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999．

[2] Semsi Yaz?c?, ?nan G, Tabak V. Effect of aspect ratio and volume fraction of steel fiber on the mechanical properties of SFRC[J]. Construction amp; Building Materials, 2007,21(6)∶1250-1253.

[3] Shan L, Zhang L. Experimental Study on Mechanical Properties of Steel and Polypropylene Fiber—Reinforced Concrete[J]. Applied Mechanics amp; Materials, 2014,(584-586)∶ 1355-1361.

[4] Khaloo A R, Kim N. MECHANICAL PROPERTIES OF NORMAL TO HIGH-STRENGTH STEEL FIBERREINFORCED CONCRETE[J]. Cement Concrete amp;Aggregates, 1996,18(2)∶ 92-97.

[5] 焦楚杰，孫偉，高培正，等．鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]．廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，4(4)∶ 357-361．

[6] 白敏，牛荻濤，姜磊，等．鋼纖維改善混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究[J]．硅酸鹽通報(bào)，2013,32(10)∶154-159．

[7] 王志，胡曉波，鮑光玉，等．異形鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)研究[J]．混凝土，2003(11)∶ 25-26．

[8] 時(shí)冬冬．鋼纖維混凝土劈拉與彎曲性能的試驗(yàn)研究[D]．大連理工大學(xué)，2006．

[9] 朱林，晏麓暉，張玉武，等．纖維摻量對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能影響研究[A]．全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議[C]，2013．

[10] 郝維鈁．新型鋼纖維混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2009．

[11] 張華．鋼纖維混凝土強(qiáng)度與彎曲韌性研究[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2011．

[12] 湯寄予．纖維高強(qiáng)混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2003．

[13] 高丹盈，劉建英．鋼纖維混凝土基本理論[M]．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

Study on C50 steel fiber reinforced concrete

Zhang Sheng, Xu Shanshan, Wu Shuai, Lu Chuantai
(Jiangsu Institute of Engineering Technology, Xuzhou 221131)

In order to prepare C50 steel fiber reinforced concrete for an important elevated project in Xuzhou, the influence of different water cement ratio, admixture content, steel fiber volume fraction and sand ratio on mechanical properties of concrete were studied by orthogonal test. The optimum ratio of steel fiber was obtained by orthogonal test, and the ratio of steel fiber was optimized to meet the requirement of Engineering design. The results showed that the content of steel fiber concrete slump degree from 0～100kg/m3, little change, expansion degree decreased gradually, the compressive strength increased slightly, tensile and flexural strength increased; water cement ratio 0.32, admixture 30%, the content of steel fiber 40kg/m3, sand ratio 38%, and design specification of C50 steel fiber concrete performance indexes meet the requirements of the project.

steel fiber; orthogonal test; mechanical properties

張盛（1985—），男，在職碩士，工程師?，F(xiàn)供職于交通部專家付智博士為首的技術(shù)工作團(tuán)隊(duì)江蘇誠(chéng)意工程技術(shù)研究院，擔(dān)任混凝土科研中心主任。

［通訊地址］江蘇省徐州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)大黃山村 江蘇誠(chéng)意工程技術(shù)研究院（221131）