钢纤维混凝土配合比设计方法.docx
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钢纤维混凝土配合比设计方法
以抗压强度为主控的钢纤维混凝土配合比设计方法
一、基本要求：
1、钢纤维直径为0.35～0.70mm，长径比50～80，适宜体积掺量为1.0%～2.0%，掺量低于0.5%时增韧效果不明显，掺量过高时纤维难分散、混凝土流动度变差、成本高。
钢纤维参数选择参照表5-19、表5-20；
2、每立方米混凝土中胶凝材料用量400～500kg，水泥用量宜在300~400kg之间，水泥强度等级不宜低于42.5级，砂率一般为45％～60％，配合比参数参照表1；
3、粗骨料粒径不宜大于20mm；
表5－19钢纤维类型[2]
类型号
类型名称
截面形状
长度方向形状
Ⅰ
圆直型
圆形
直
Ⅱ
熔抽型
月牙形
直
Ⅲ
剪切型
矩形
直、扭曲或两端带钩
表5－20钢纤维几何参数采用围[2]
钢纤维混凝土结构类别
长度（mm）
直径（等效直径）（mm）
长径比
一般浇筑成型的结构
25~50
0.3~0.8
40~100
抗震框架节点
40~50
0.4~0.8
50~100
铁路轨枕
20~30
0.3~0.6
50~70
喷射钢纤维混凝土
20~25
0.3~0.5
40~60
表1普通混凝土配合比设计参数参考表（自定，待验证）
砼强度等级
C20
C30
C40
C50
C60
C70
C80
C90
≥C100
胶凝材料质量（kg）
350±20
360±20
400±20
450±20
480±20
500±20
530±20
550±20
580±20
水胶比W/B
0.50~0.53
0.44~0.47
0.40~0.44
0.33~0.35
0.30~0.33
0.27
0.25
0.25
≤0.25
砂率（%）
45％～60％
二、钢纤维增强混凝土配合比设计方法[,]
4混凝土配制强度的确定
4.0.1混凝土配制强度应按下列规定确定：
1．当混凝土的设计强度等级小于C60时，配制强度应按下式计算：
（4.0.1-1）
式中，fcu,o—钢纤维混凝土配制强度，MPa；
fcu,k—钢纤维混凝土立方体抗压强度标准值，这里取设计混凝土强度等级值，MPa；
σ—混凝土强度标准差，MPa。
2．当设计强度等级大于或等于C60时，配制强度应按下式计算：
（4.0.1-2）
4.0.2混凝土强度标准差应按照下列规定确定：
1．当具有近1个月～3个月的同一品种、同一强度等级混凝土的强度资料时，其混凝土强度标准差σ应按下式计算：
（4.0.2）
式中，fcu,i—第i组的试件强度，MPa；
mfcu—n组试件的强度平均值，MPa；
n—试件组数，n值应大于或者等于30。
对于强度等级不大于C30的混凝土：
当σ计算值不小于3.0MPa时，应按照计算结果取值；当σ计算值小于3.0MPa时，σ应取3.0MPa。
对于强度等级大于C30且不大于C60的混凝土：
当σ计算值不小于4.0MPa时，应按照计算结果取值；当σ计算值小于4.0MPa时，σ应取4.0MPa。
2．当没有近期的同一品种、同一强度等级混凝土强度资料时，其强度标准差σ可按表4.0.2取值。
表4.0.2标准差σ值（MPa）
混凝土强度标准值
≤C20
C25~C45
C50~C55
σ
4.0
5.0
6.0
5混凝土配合比计算
5.1水胶比
5.1.1混凝土强度等级小于C60等级时，混凝土水胶比宜按下式计算：
（5.1.1）
式中：
W/B—混凝土水胶比；
a、b—回归系数，按规程5.1.2条的规定取值；
fb—胶凝材料（水泥与矿物掺合料按使用比例混合）28d胶砂强度（MPa），可实测，试验方法应按现行国家标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671执行；也可按本规程5.1.3条确定。
5.1.2回归系数（a、b）宜按下列规定确定：
1．根据工程所使用的原材料，通过试验建立的水胶比与混凝土强度关系式来确定；
2．当不具备上述试验统计资料时，可按表5.1.2采用。
表5.1.1回归系数（a、b）取值表
粗骨料品种
系数
碎石
卵石
a
0.53
0.49
b
0.20
0.13
5.1.3当胶凝材料28d胶砂抗压强度值（fb）无实测值时，可按下式计算：
（5.1.2）
式中：
f、s—粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数，可按表5.1.2选用；
fce—水泥28d胶砂抗压强度，MPa，可实测，也可按本规程第5.1.4条规定。
表5.1.2粉煤灰影响系数f和粒化高炉矿渣粉影响系数s
掺量（%）种类
粉煤灰影响系数f
粒化高炉矿渣粉影响系数s
0
1.00
1.00
10
0.85～0.95
1.00
20
0.75～0.85
0.95～1.00
30
0.65～0.75
0.90～1.00
40
0.55～0.65
0.80～0.90
50
-
0.70～0.85
注：
1采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰宜取上限值；
2采用S75级粒化高炉矿渣粉宜取下限值，采用S95级粒化高炉矿渣粉宜取上限值，采用S105级粒化高炉矿渣粉可取上限值加0.05。
3当超出表中的掺量时，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数应经试验确定。
5.1.4当水泥28d胶砂抗压强度（fce）无实测值时，可按下式计算：
（5.1.3）
式中：
c—水泥强度等级值的富余系数，可按这际统计资料确定；当缺乏实际统计资料时，也可按表5.1.3选用。
fce,g—水泥强度等级，MPa。
表5.1.3水泥强度等级值的富余系数（c）
水泥强度等级值
32.5
42.5
52.5
富余系数
1.12
1.16
1.10
5.2用水量和外加剂用量
5.2.1每立方米干硬性或塑性混凝土的用水量（mwo）应符合下列规定：
1．混凝土水胶比在0.40～0.80围时，可按表5.2.1-1和表5.2.1-2选取；
2．混凝土水胶比小于0.40时，可通过试验确定。
表5.2.1-1干硬性混凝土的用水量（kg/m3）
拌合物稠度
卵石最大公称粒径（mm）
碎石最大粒径（mm）
项目
指标
10.0
20.0
40.0
16.0
20.0
40.0
维勃稠度
（s）
16～20
175
160
145
180
170
155
11～15
180
165
150
185
175
160
5～10
185
170
155
190
180
165
表5.2.1-2塑性混凝土的用水量（kg/m3）
拌合物稠度
卵石最大粒径（mm）
碎石最大粒径（mm）
项目
指标
10.0
20.0
31.5
40.0
16.0
20.0
31.5
40.0
坍落度
（mm）
10～30
190
170
160
150
200
185
175
165
35～50
200
180
170
160
210
185
175
55～70
210
190
180
170
220
105
185
75～90
215
185
175
230
215
205
注：
①本表用水量系采用中砂时的取值。
采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5～10kg；采用粗砂时，可减少5～10kg。
②以本规程表5.2.1－2中90mm坍落度的用水量为基础，按每增大20mm坍落度相应增加5kg/m3用水量来计算，当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少。
③基于保证剩余强度和混凝土耐久性考虑，单方用水量需小于200kg，采用低水胶比、大掺和料的方式设计混凝土配合比。
5.2.2掺外加剂时，每立方米流动性或大流动性混凝土的用水量（mwo）可按下式计算：
（5.2.2）
式中：
mw0—计算配合比每立方米混凝土的用水量，kg；
—未掺加外加剂时推定的满足实际坍落度要求的每立方米混凝土用水量（kg/m3），以本规程表5.2.1－2中90mm坍落度的用水量为基础，按每增大20mm坍落度相应增加5kg/m3用水量来计算，当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少。
β—外加剂的减水率，％，应经混凝土试验确定。
5.3胶凝材料、矿物掺合料和水泥用量
5.3.1每立方米混凝土的胶凝材料用量（mbo）应按下式计算：
（5.3.1）
式中：
mb0—计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量，kg；
mw0—计算配合比每立方米混凝土用水量，kg；
W/B—混凝土水胶比。
5.3.2每立方米混凝土的矿物掺合料用量（mf0）计算应按下式计算：
（5.3.2）
式中：
mf0—计算配合比每立方米混凝土中矿物掺合料用量，kg；
βf—矿物掺合料掺量，%，可结合本规程3.0.5条和第5.1.1条的规定确定。
计算水胶比过程中确定的矿物掺合料掺量，%。
5.3.3每立方米混凝土的水泥用量（mco）应按下式计算：
（5.3.3）
式中：
mc0—计算配合比每立方米混凝土中水泥用量，kg。
5.4砂率及钢纤维体积率
5.4.1砂率（βs）应根据骨料的技术指标，混凝土拌合物性能和施工要求，参考历史资料确定。
钢纤维混凝土的砂率宜在45%~60%之间；可按下式计算：
5.4.1
式中，Spf—钢纤维混凝土砂率，%；
Sp—钢纤维掺量体积率，%；
Vf—钢纤维掺量体积率，%。
也可按下表初选：
表5.4.1钢纤维混凝土砂率选用表（自定，待验证）
拌合料条件
最大粒径20mm碎石
最大粒径20mm卵石
纤维长径比lf/df=50
纤维体积率Vf=1.0%
砂细度模数μf=3.0
40
35
lf/df增减10
±5
±5
Vf增减0.5%
±3
±3
砂细度模数增减0.1
±1
±1
5.4.2钢纤维体积率
以下的钢纤维体积率为经验所得，可供选用者参考
表5.4.2钢纤维体积率选用表
钢纤维混凝土结构类别
钢纤维体积（%）
一般浇筑成型结构
0.5～2.0
局部受压构件、桥面、预制桩桩尖
1.0～1.5
铁路轨枕、刚性防水屋面
0.8～1.2
喷射钢纤维混凝土
1.0～1.5
★①钢纤维宜用长径比50～80，体积率为1%～2%，长度20～30mm；
②钢纤维体积率不应小于0.5%；
③计算配合比时，为保证设计的力学性能，应同时计算钢纤维掺为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的配比并进行试验，以在短时间确定设计性能的钢纤维适宜体积率；
④尽量选择异形钢纤维（波浪型、端钩型、压痕型等），少用直线型。
5.5粗、细骨料用量
5.5.1采用体积法计算粗、细骨料用量，应按公式5.5.1和下列公式计算：
（5.5.1）
（5.5.2）
式中：
ρc—水泥表观密度，kg/m3，应按《水泥密度测定方法》GB/T208测定，也可取2900kg/m3～3100kg/m3；
ρf—矿物掺合料密度，kg/m3，可按《水泥密度测定方法》GB/T208测定；
ρg—粗骨料的表观密度，kg/m3，应按现行行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52测定；
ρs—细骨料的表观密度，kg/m3，应按现行行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52测定；
ρw—水的密度（kg/m3），可取1000kg/m3；
Vf—钢纤维的体积率，%；
α—混凝土的含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，α可取为1；
βs—砂率，按式（5.4.1）或由表5.4.1得到。
常用材料密度如下表：
表5.5.2常用原材料密度
原材料
密度（kg/m3）
堆积密度（kg/m3）
水泥
2900~3100
矿渣
2900
粉煤灰
2200
硅灰
2200
砂
2650
碎石
2670
钢纤维
7854
水
1000
6混凝土配合比的试配、调整与确定
应按下式计算混凝土配合比校正系数δ：
（6.2.2-2）
式中：
δ—混凝土配合比校正系数；
ρc,t—混凝土拌合物表观密度实测值，kg/m3；
ρc,c—混凝土拌合物表观密度计算值，kg/m3。
当混凝土拌合物表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2％时，按本规程第6.2.1条调整的配合比可维持不变；当二者之差超过2％时，应将配合比中每项材料用量均乘以校正系数（δ）。
6.2.7混凝土施工配合比换算[]
混凝土实验室配合比计算用料是以干燥骨料为基准的，但实际工地使用的骨料常含有一定的水分，即存在含水率（式（6.2.2-3）），因此必须将实验配合比进行换算，换算成扣除骨料中水分后、工地实际施工用的配合比。
其换算方法如下：
（6.2.2-3）
设施工配合比1m3混凝土中胶凝材料、水、砂、石的用量分别为
、
、
、
；并设工地秒子含水率a%、石子含水率为b%。
则施工配合比1m3混凝土中各材料用量应为
6.2.2-4
6.2.2-5
6.2.2-6
6.2.2-7
例题1：
设计C40钢纤维混凝土，设计坍落度180~200mm，钢纤维体积率1.0%，所用原材料如下：
42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度为3000kg/m3；Ⅰ级粉煤灰，掺量20%，表观密度为2250kg/m3；中砂（μf=2.6），级配合格，表观密度2650kg/m3；石灰岩碎石：
5～20mm，级配合格，表观密度2700kg/m3；钢纤维lf/df=70，表观密度7854kg/m3。
外加剂为聚羧酸类高性能减水剂（液体），含固量为20%，适宜掺量为1%，减水率30%，混凝土含气量2.5%。
试求：
1.混凝土计算配合比。
混凝土掺加聚羧酸类高性能减水剂的目的是为了既要使混凝土拌合物和易性有所改善，又要能节约水泥用量，求此掺减水剂混凝土的配合比；
2.经试配制混凝土的和易性和强度等均符合要求，无需作调整。
又知现场砂子含水率为3%，石子含水率为1%，试求计算混凝土施工配合比。
解：
1.求混凝土计算配合比。
（1）确定混凝土配制强度（fcu,0）
=40+1.645×5=48.2MPa
（2）胶凝材料28d胶砂强度（fb）计算
由JGJ55-2011表5.1.2查得Ⅰ级粉煤灰掺量20%时影响系数γf取0.80，由表5.1.3可知42.5级普通硅酸盐水泥fce,g为42.5MPa，其富余系数γc为1.16，则
=1.16×0.80×42.5=39.4MPa
（3）确定水胶比（W/B）
（4）确定用水量（mw）
查表5.2.1－2，对于最大粒径为20mm的碎石混凝土，当坍落度为90mm时，1m3混凝土的用水量可选用215kg，现要求坍落度为180~200mm（190mm），按标准坍落度每增大20mm需增加5kg用水量，故需要增加25kg/m3，即实际需要240kg用水量，由于掺入聚羧酸类高性能减水剂0.8%，减水率为30%，混凝土含气量α为2.5%。
故实际用水量为：
mw=240×（1-0.30）=168kg
（5）计算胶凝材料用量（mb0）
（6）粉煤灰掺量：
mf=421×20%=84kg；
（7）水泥用量：
mc=421×（1-20%）=337kg；
（8）减水剂用量：
ma=421×1%=4.21kg；
（9）钢纤维质量mfiber=7854×1%=78.54kg。
（10）确定砂率（βs）
由表5.4.1，碎石粒径5~20mm时，砂率40%，长径比ld/df=70时，砂率增加10%，砂细度模数M＝2.6时，砂率减4%，故计算砂率为40%+10%－4%＝46%。
（10）计算砂石用量（ms0、mg0）
由式（5.5.1）及式（5.5.2）
解此联立方程，则得ms0=797kg，mg0=936kg
（11）写出混凝土计算配合比（以体积法为例）：
1.1m3混凝土中各材料用量为水泥337kg，粉煤灰84kg，水168kg，砂797kg，碎石936kg，钢纤维78.54kg。
2.换算成施工配合比
设施工配合比1m3混凝土中水泥、粉煤灰、砂、石、水、减水剂等各材料用量分别为
、
、
、
、
、
，
则
＝mc0=337kg
=mf0=84kg
=ma0=4.21kg
＝mfiber=78.54kg
＝ms0（1+a%）=797×（1+3%）=821kg
=mg0（1+b%）=897×（1+1%）=945kg
=mw0-ms0×b%-ma0×80%=168-765×3%-897×1%-4.8×80%=131kg
参考文献
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