C60钢纤维混凝土试验研究.docx

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C60钢纤维混凝土试验研究

C60钢纤维混凝土配合比试验研究

二〇一三年九月十六日

C60钢纤维混凝土配合比

研究工作报告

甘肃建科技术试验检测有限责任公司

二0一三年九月

C60钢纤维混凝土配合比研究工作报告

一.立项背景

钢纤维混凝土（steelfibrereinforcedconcrete，简称SFRC）是近年来迅速发展起来的一种新型复合建筑材料，钢纤维在混凝土中均匀分布，具有良好的物理力学性能。

与普通混凝土相比，其抗拉、抗折强度、抗疲劳性能、抗裂性能、弯曲韧性和抗冲击性能等都得到很大的改善与提高。

在国内外工程应用实践中，掺加钢纤维后的混凝土在多方面的优良性能，得到充分验证。

目前甘肃地区还没有工程应用高强度钢纤维混凝土。

根据甘肃七建集团构件公司承接到的兰州市元通大桥主梁C60高强度钢纤维混凝土拌制供应的施工任务，通过掺加聚羧酸高性能减水剂、钢纤维和矿物掺合料，对使用在兰州地区生产的水泥、粗细骨料、拌制同时满足混凝土抗压及抗拉强度要求外，同时有较好的工作性能，以及早期强度要求的混凝土进行试配组合，总结积累高强度预拌钢纤维混凝土施工经验，填补甘肃地区高强度钢纤维混凝土的使用空白。

二．技术特点：

1、钢纤维混凝土的力学强度

（1）抗压强度

钢纤维混凝土虽受压强度增加不明显，但受压韧性却大幅度提高了。

这是由于钢纤维的存在，增大了试件的压缩变形，提高了受压破坏时的韧性。

从宏观上呈现，钢纤维混凝土受压破坏时，没有明显的碎块或崩落，仍保持这整体性。

（2）抗剪强度

钢纤维混凝土具有优异的抗剪性能，对提高钢筋混凝土结构抗剪能力有重要意义。

通常在钢筋混凝土的构件中，其抗剪承载力主要靠箍筋和弯起钢筋承担，这些筋多了，不仅要提高工程投资，而且施工很不方便，尤其对薄壁、抗震结构和复杂形状的特种结构，问题则尤为突出。

因此采用钢纤维混凝土是提高结构抗剪能力的有效途径。

（3）抗弯强度

钢纤维混凝土的抗弯强度，随着纤维掺量的增加而提高。

钢纤维混凝土等级提高，使抗弯强度提高明显。

在弯曲荷载作用下，钢纤维混凝土受拉区开裂，中性轴向上移，受拉区仍有部分纤维与基材的粘结力承受拉力，增加韧性，提高了混凝土的抗弯强度。

而普通混凝土则很快发生断裂，以致脆性破坏。

2、钢纤维混凝土的抗冲击性能

在动荷载作用下，钢纤维混凝土在裂缝扩展时，首先是钢纤维克服基材的粘结力而被拔出，或是钢纤维达到屈服强度而被拉断。

这都需要消耗大量的能量。

因此，钢纤维混凝土能提高抗冲击性能。

3、钢纤维混凝土的抗疲劳性能

钢纤维明显改善了混凝土的弯曲疲劳性能。

钢纤维混凝土与普通混凝土相比，疲劳极限有明显提高，钢纤维混凝土，疲劳寿命可延长。

4、钢纤维混凝土的抗冻融性能

钢纤维混凝土在冻融循环过程中，由于温度的变化，在混凝土内形成温度应力场。

钢纤维混凝土的基体组成部分的热膨胀系数不同，在温度应力作用下变形不协调，导致在混凝土内部界面产生拉应力，影响了界面的黏结性状。

钢纤维体积率的增大，增加了混凝土内的界面，这些界面是混凝土的薄弱环节。

当冻融次数不大时，钢纤维与砂浆的黏结性状良好，钢纤维能有效地发挥阻裂增强作用，减少裂缝源的数量和裂缝的宽度。

所以，在冻融次数较低时，随钢纤维体积率的增加，使混凝土强度下降的幅度降低。

5、钢纤维混凝土的韧性和抗裂性

韧性是在材料受压破坏前吸收能量的性质。

抗裂性是指钢纤维在脆性混凝土基体中减少裂缝和阻滞裂缝进一步发展的性质。

钢纤维混凝土具有很好的韧性和抗裂性。

钢纤维混凝土的韧性随着钢纤维数量的增加而大幅度提高，同时与纤维和基材的粘结力有关。

基材强度提高，纤维混凝土的韧性也相应提高。

三．项目研究：

不同钢纤维掺量的C60混凝土配合比研究。

采用兰州地区生产的水泥、砂子、石子、Ⅱ级粉煤灰、矿粉以及聚羧酸高性能减水剂、钢纤维等材料，通过多个不同配合比的对比试验及对骨料和配合比主要参数的优化和优选，分析研究不同矿物掺合料对C60混凝土的工作性能、强度指标及耐久性的影响以及不同钢纤维掺量对不同矿物掺量的C60混凝土的工作性、强度、耐久性的影响，

配制出强度高、工作性能好、耐久性能优而成本相对较低的C60钢纤维混凝土。

四．研究内容

1.研究方法

根据试验资料进行初步计算得出理论配合比，经试验室试拌调整后，提出一个满足和易性的基准配比，对混凝土表观密度和强度进行调整后，确定出满足设计施工要求的试验室配比。

2.主要技术路线

在普通混凝土的配制条件下，采用优质骨料，减水剂配制C60钢纤维混凝土。

3.解决的关键技术及途径

关键技术是正确选择胶凝材料，砂石骨料，化学外加剂，矿物掺和料和水，提高混凝土的工作性、强度和耐久性。

解决的途径是设计多个不同混凝土配比，经试验室试验对比，研究分析，从中筛选出最优配比。

五．提高的成果

1．C60钢纤维混凝土必须满足工作性能（具体坍落度、保水性、泌水性、坍损等）。

2．C60钢纤维混凝土抗压强度提高15%。

3．C60钢纤维混凝土抗拉强度提高30%。

4．C60钢纤维混凝土实测抗冻性、抗渗性指标值，不能低于设计要求。

5．钢纤维品种、几何参数和体积率的选用，应满足设计要求的钢纤维混凝土强度、韧性和耐久性。

六．结论：

1.经试验分析表明，利用兰州地区生产的水泥、砂子、石子、Ⅱ级粉煤灰、矿粉以及聚羧酸高性能减水剂、钢纤维等材料，可以配制出工作性能良好，强度和耐久性符合要求的C60钢纤维混凝土。

2.试验表明，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗剪强度、抗弯强度、抗冲击性能、抗疲劳性能、韧性、抗裂性能都有明显提高。

C60钢纤维混凝土配合比

技术研究报告

甘肃建科技术试验检测有限责任公司

二0一三年九月

一．前言：

钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料，它具有抗裂、抗冲击性能强、耐磨强度高、与水泥亲合性好，可增加构件强度，延长使用寿命等优点。

钢纤维在水泥制品中的应用尽管起步比较晚，但其发展速度却相当迅猛。

随着水泥基材料抗压强度的大幅度提高，如何增加水泥基材料的抗裂、抗冲击、抗拉及延性等性能，成为工程界所关心的问题。

目前国际上基本上一致认为钢纤维混凝土是提高混凝土抗裂性和韧性的有效办法。

研究表明：

混凝土基材中掺入钢纤维是提高混凝土韧性、抗冲击性能和抑制砂浆塑性收缩开裂的一条有效途径。

它是在普通混凝土中掺入乱向分布的钢纤维所形成的一种纤维型与颗粒型相混合而成的复合材料。

除抗压强度外，它的其它物理力学性能都比普通混凝土有显著的改善和提高。

在受力过程中，钢纤维发挥其抗拉强度高，而混凝土发挥其抗压强度高的优势，两者各施所长，不仅提高了混凝土的抗拉、抗折、抗剪强度，而且由于它的阻裂性能使原来本质上是脆性材料的混凝土呈现出很高的抗裂性、延性和韧性。

　　研究表明钢纤维混凝土具有以下的性能特点：

（1）具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度。

在混凝土中掺入适量钢纤维，其抗压强度提高10%~80%（C50以上混凝土提高幅度显著），抗拉强度提高50%~100%，抗弯强度提高50%~80%，抗剪强度提高50%~100%。

（2）具有卓越的抗冲击性能。

材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称为冲击韧性，在通常的纤维掺量下，冲击抗压韧性可提高2~7倍，冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。

　　（3）收缩性能明显改善。

在通常的纤维掺量下，钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%~9%。

　　（4）抗疲劳性能显著提高。

钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。

据研究表明当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51；当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。

　　（5）混凝土耐久性能提高。

由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好，因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。

据研究表明，掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降20%，而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上，经过200次冻融循环，钢纤维混凝土试件仍保持完好。

掺量为1%、强度等级为C35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。

目前钢纤维增强混凝土己广泛应用于公路路面、桥梁、隧洞、机场道路、建筑、水利、港工、军事及各种建筑制品等混凝土领域，它有着极大的生命力，应用前景十分广阔，并朝向高性能与超高性能方向发展，为建筑工程技术革新发展带来了显著的经济和社会效益。

二．技术方案：

2.1研究目的

采用兰州地区：

水泥、砂子、石子、Ⅱ级粉煤灰、矿粉、聚羧酸高性能减水剂、钢纤维，通过多个不同配合比的对比试验，对骨料和配合比主要参数的优化和优选配制出强度高、工作性能好、耐久性能优而成本相对较低的C60钢纤维混凝土，3.1不同矿物掺合料对C60混凝土的工作性能、强度指标及耐久性的影响。

2.1.1不同钢纤维掺量对不同矿物掺量的C60混凝土的工作性、强度、耐久性的影响。

2.1.2从中优选性能、强度、耐久性好、成本较低的C60普通混凝土及C60钢纤维混凝土。

2.2.研究内容

2.2.1研究方法

2.2.2主要技术路线

在普通混凝土的配制条件下，采用优质骨料，减水剂配制C60钢纤维混凝土。

2.2.3解决的关键技术及途径

关键技术是正确选择胶凝材料，砂石骨料，化学外加剂，矿物掺和料和水，提高混凝土的工作性、强度和耐久性。

解决的途径是设计多个不同混凝土配比，经试验室试验对比，研究分析，从中筛选出最优配比。

2.3制备C60钢纤维混凝土原材料及配合比选用原则

保证混凝土所要求的强度、工作性能、耐久性的前提下，选择适宜的矿物掺合料掺量，尽可能降低水泥用量。

2.3.1原材料选用原则及试验原材料基本情况

1）水泥

水泥：

P.O52.5祁连山水泥。

制备C60高强高性能混凝土应优先选用强度等级52.5级的普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，水泥的比表面积小于350m2/kg，水泥矿物组成中C3A（铝酸三钙）含量小于8%，碱含量＜0.06%，氯离子含量＜0.03%。

2）矿物掺合料

粉煤灰：

西固电厂Ⅱ级粉煤灰。

矿粉：

榆中S95矿粉。

制备C60高强高性能混凝土宜采用矿粉、粉煤灰做矿物掺合料，其中矿粉为S95以上，粉煤灰选用Ⅱ级以上灰。

矿物掺合料可采用单掺或复掺方案，掺量宜控制在20%以内。

3）砂

砂：

临洮洗砂。

制备C60高强高性能混凝土宜采用细度模数大于2.6~3.0的河砂，砂含泥量小于1%，氯离子含量＜0.02%。

经碱集料反应试验后，试件无裂缝，酥裂，在规定试验期内的膨胀率小于0.1%。

4）石

石子：

安宁区5～20mm连续级配破碎卵石。

制备C60高强高性能混凝土宜采用粒径范围5~20mm的碎石或破碎卵石，以5~16mm，16~20mm二级配为宜，其中颗粒粒型应以方形为主，针片状含量小于8%，含泥量小于1%。

石子母材的抗压强度应大于90MPa。

经碱集料反应试验后，试件无裂缝，酥裂，在规定试验期内的膨胀率小于0.1%。

5）减水剂

减水剂：

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂。

制备C60高强混凝土宜采用聚羧酸高性能减水剂，减水率大于25%。

选择聚羧酸减水剂应考虑其与水泥及矿物掺和料的相容性、混凝土工作性的维持、减水率、混凝土泌水特性、抗混凝土离析性、混凝土凝结特性、混凝土孔结构改善特性和高强混凝土的体积稳定性要求。

6）钢纤维

钢纤维可采用碳钢纤维、低合金钢纤维或不锈钢纤维。

长度采用20～35mm，直径0.3～0.6mm,长径比30～80mm，钢纤维抗拉强度不低于380MP。

掺量为体积率0.4%、0.6%、0.8%、1.2%。

7）拌合用水

水：

自来水。

2.3.2配合比优选原则

1）水胶比

混凝土的强度和水胶比成反比，在满足混凝土工作性能的基础上，尽量采用低水胶比。

制备C60高强高性能混凝土水胶比宜控制在0.28~0.32范围内。

同时，也不能因为降低水胶比为过分的提高胶材的用量，胶材过高会导致成本过高，混凝土体积不稳定，混凝土粘稠（不易泵送）。

2）胶凝材料用量

制备C60高强高性能混凝土胶凝材料用量宜根据材料特点控制在480~550。

3）砂率

制备C60高强高性能混凝土砂率宜选择在0.36~0.42。

同时应根据骨料实际情况进行调整，以获得流动性、体积稳定性、力学强度三者的和谐统一。

4）设计表观密度

制备C60高强高性能混凝土的设计容重应结合骨料密度设计，一般控制在2420~2500之间。

建议以实测表观密度进行调整。

2.4试验C60钢纤维混凝土配合比

2.4.1设计指标

胶材用量为480～590kg

水胶比：

0.28～0.32

砂率为：

0.37～0.43

减水剂掺量为：

1.8%

2.4.2试验配比

以基准混凝土为基础，分别采用单掺Ⅱ级粉煤灰；双掺粒化高炉矿渣粉和Ⅱ级粉煤灰的方式，通过改变掺合料的掺量，以及双掺粒化高炉矿渣粉和Ⅱ级粉煤灰的比例，提出C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案如下：

C60高强混凝土配合比试验对比方案

（单掺）

表1

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-00-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P15-00-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P20-00-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P25-00-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P30-00-00

试验定

—

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（单掺、钢纤维掺量0.4%）

表2

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量0.4%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-00-0.4

试验定

—

试验定

1.8

180

P15-00-0.4

试验定

—

试验定

1.8

180

P20-00-0.4

试验定

—

试验定

1.8

180

P25-00-0.4

试验定

—

试验定

1.8

180

P30-00-0.4

试验定

—

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（单掺、钢纤维掺量0.6%）

表3

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量0.6%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-00-0.6

试验定

—

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P15-00-0.6

试验定

—

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P20-00-0.6

试验定

—

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P25-00-0.6

试验定

—

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P30-00-0.6

试验定

—

试验定

46.8

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（单掺、钢纤维掺量0.8%）

表4

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量0.8%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-00-0.8

试验定

—

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P15-00-0.8

试验定

—

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P20-00-0.8

试验定

—

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P25-00-0.8

试验定

—

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P30-00-0.8

试验定

—

试验定

62.4

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（单掺、钢纤维掺量1.2%）

表5

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

掺量（㎏）1.2%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-00-1.2

试验定

—

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P15-00-1.2

试验定

—

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P20-00-1.2

试验定

—

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P25-00-1.2

试验定

—

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P30-00-1.2

试验定

—

试验定

93.6

试验定

1.8

180

C60高强混凝土配合比试验对比方案

（双掺）

表6

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维（㎏）

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-10-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P15-10-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P15-15-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P20-20-00

试验定

—

试验定

1.8

180

P30-20-00

试验定

—

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（双掺、钢纤维掺量0.4%）

表7

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量0.4%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-10-0.4

试验定

1.8

180

P15-10-0.4

试验定

1.8

180

P15-15-0.4

试验定

1.8

180

P20-20-0.4

试验定

1.8

180

P30-20-0.4

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（双掺、钢纤维掺量0.6%）

表8

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量0.6%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-10-0.6

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P15-10-0.6

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P15-15-0.6

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P20-20-0.6

试验定

46.8

试验定

1.8

180

P30-20-0.6

试验定

46.8

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（双掺、钢纤维掺量0.8%）

表9

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量0.8%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-10-0.8

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P15-10-0.8

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P15-15-0.8

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P20-20-0.8

试验定

62.4

试验定

1.8

180

P30-20-0.8

试验定

62.4

试验定

1.8

180

C60钢纤维混凝土配合比试验对比方案

（双掺、钢纤维掺量1.2%）

表10

配合比

编号

水泥

（㎏）

矿粉

（%）

粉煤灰

（%）

砂

（㎏）

碎石

（㎏）

钢纤维

（㎏）

掺量1.2%

水

（㎏）

JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂

（%）

坍落度

（㎜）

P10-10-1.2

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P15-10-1.2

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P15-15-1.2

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P20-20-1.2

试验定

93.6

试验定

1.8

180

P30-20-1.2

试验定

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