原材料与配合比

　　钢纤维增强普通混凝土的拌和料是由水泥、水、粗细集料、钢纤维及必要时掺入化学外加剂或掺合料，按一定比例配制而成的。拌和料中各组成材料的正确选择，对钢纤维增强混凝土的物理力学性能和施工有重要的影响。

　　钢纤维增强普通混凝土的组成材料，除钢纤维外，其它材料与普通混凝土有共同点，也有许多不同的特点，在此着重阐明组成钢纤维增强普通混凝土的原材料及其配合比设计问题。

一、原材料

1．钢纤维

　　(1)钢纤维的分类  钢纤维的分类，可按钢纤维的生产工艺、外形、断面形状、材质、抗拉强度及施工用途划分。

　　①按生产工艺可分为钢丝切断型(a)、钢板剪切型(b)、钢锭铣削型(c)和熔抽型(d)四类。如图11．1所示。

图11．1钢纤维生产工艺

1钢丝；2一胎具；3一薄钢板；4一切削刀轮；5一钢纤维

6一钢锭；7一运送；8一熔钢；9一熔抽轮

　　a．钢丝切断型钢丝切断型钢纤维的截面有圆形和矩形。切断形钢纤维是将冷拔至一定直径的钢丝按一定长度切断而成。这种纤维的抗拉强度一般为800～2000MPa，因表面较平直光滑，与混凝土的黏结强度较差。为了增加钢纤维与混凝土的黏结，可加工成大头纤维或弯钩纤维。国内也有用废钢丝切断加工而成钢纤维的，价格便宜。

　　b．钢板剪切型钢板剪切型钢纤维是将一定厚度的带钢用旋转的刀具剪切成矩形断面的钢纤维。一般带钢厚度要求在O．4～0．8mm之间，进刀量为0．4～0．6mn·。因剪切时刀具与带钢成一定角度，因此，剪切钢纤维一般都扭成1～2周的角度。剪切钢纤维抗拉强度一般在500～1000MPa。

　　c．钢锭铣削型钢锭铣削型钢纤维是用旋转的平削刀将钢锭或厚钢板铣削制成的。在铣削过程中，纤维产生较大的塑性变形，其断面呈现三角形，强度比母材有较大的提高，与混凝土的黏结强度也有所增强。

　　d．熔抽型  熔抽型钢纤维是在温度1500～1600℃的点炉中将钢熔化成钢液，然后在钢液上面安装一个带有刻痕且能高速旋转的熔抽轮，接近钢液面。当熔抽轮旋转时，将钢液甩出，由于熔抽轮内有保持一定流速的冷却水，故可使钢液迅速冷却，成为断面不规则的钢纤维。

　　②按其外形分为平直形(a)和异型。异型指变截面或非直形的钢纤维，异型钢纤维主要有压痕形(b)、波浪形(c)、端钩形(d、e)、镦头形(f、g)、扭曲形(h)等，如图11．2所示。

　　③按断面形状分为圆形、矩形、月牙形及不规则形等。如图11．3所示。

　　④按材质可分为碳钢型、低合金钢型和不锈钢型。

　　⑤按抗拉强度可分为以下三级(依据《纤维混凝土结构技术规程》CECS38：2004的规定)：

　　a．380级(抗拉强度≥380MPa，<600MPa)；

　　b．600级(抗拉强度≥600MPa，<1000MPa)；

　　c．1000级(抗拉强度≥1000MPa)。

　　(2)钢纤维的几何参数和体积率  钢纤维的几何参数有钢纤维长度、直径(或等效直径)及长径比。

　　①钢纤维长度(或标称长度)  钢纤维的长度为单根钢纤维两端点间的直线距离，用l_f表示。l_f不能太短，否则影响其增强效果；也不能过长，否则纤维在搅拌过程中容易结团，难以在混凝土中均匀分散。

　　②钢纤维截面的直径或等效直径和长径比  钢纤维截面的直径或等效直径用df表示。等效直径系指钢纤维为非圆形截面时，其截面积相当于圆形截面面积时，计算所得到的直径(计算方法见本书第二章)。钢纤维的长径比即指钢纤维的长度与直径或等效直径之比，用l_f／d_f表示。

　　③钢纤维体积率钢纤维体积率指钢纤维所占钢纤维增强混凝土体积的百分数，用 表示。

　　(3)钢纤维增强混凝土结构对钢纤维几何参数和体积率的选用范围  钢纤维的增强效果与钢纤维的长度、直径(或等效直径)、长径比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维过细易在拌和过程中被弯折，过粗，则在同样体积率时，其增强效果较差。

　　试验研究和工程实践表明，钢纤维的长度为20～60mm，直径或等效直径宜为O．3～O．9mm，长径比在30～100范围选用，其增强效果和工艺性能可满足要求。如超出上范围，经试验，在增强效果和工作性能方面能满足要求时，也可根据需要采用。根据国内外工程应用经验，对一般浇筑、抗震框架节点及铁路轨枕等类结构的钢纤维增强混凝土，常用钢纤维几何参数选用范围如表11．1所示。

表11．1  钢纤维几何参数选用范围

　　通常情况下，钢纤维增强混凝土的钢纤维体积率不宜小于O．5％，也不宜大于3％，以1％～2％为宜。

　　钢纤维增强混凝土中钢纤维的体积率小到一定程度时将不起增强作用，对于不同品种、不同长径比的钢纤维，其最小体积率略有不同，国内外一般以O．5％为最小体积率。钢纤维体积率超过2％时，拌和料的和易性变差，施工较困难，质量难以保证。但在特殊需要时，经试验和采取必要的措施，在保证质量和增强效果情况下，可将钢纤维体积率适当增大。

　　当钢纤维的性能较好或结构对增强要求较低时，可选用低值，结构对增强要求较高或钢纤维性能较差时可选高值。

2．水泥

　　目前在钢纤维增强混凝土中常用的水泥是强度等级42．5和52．5的普通硅酸盐水泥。钢纤维增强混凝土中水泥用量比普通混凝土用量要大，一般为360～450kg／m。。

3．细集料

　　砂的细度模数对钢纤维增强混凝土强度与和易性有一定影响，相同数量的粗砂与细砂相比，粗砂的比表面积较小，因而，在保证钢纤维增强}昆凝土强度相同时，粗砂需要的水泥用量较细砂少。显然，当水泥用量相同时，用粗砂配制成的钢纤维混凝土强度要比用细砂配制的钢纤维增强混凝土强度高。此外，当钢纤维增强混凝土的拌和料和易性相同时，细砂混凝土的拌和料需水量较多，但如用过粗的砂拌制，容易产生离析和泌水现象；若用过细的砂拌制，虽不产生离析和泌水现象，却需要较多的水泥浆才能包裹砂的表面，水泥用量大。为此，砂的细度模数要适中，配制钢纤维增强混凝土的砂宜用中粗砂。砂的级配应符合要求。砂的密度一般为2．5～2．7g／cm。。

4．粗集料

　　钢纤维增强混凝土所用石料，通常选用碎石。因碎石的颗粒表面较粗糙，富有棱角，能产生良好的机械嵌锁作用，与水泥浆有较强的黏结力。因此，在同样条件下，用碎石比用砾石所配制成的钢纤维增强混凝土强度高，但需水泥浆较多。

　　钢纤维增强混凝土所用石料粒径不宜大于钢纤维长度的2／3，一般为5～20mm，最大粒径不宜大于20mm，如果石料粒径过大，削弱了钢纤维的增强作用，并易于集中于大石料周围，不便于钢纤维的分散。

　　石料的级配应符合要求，否则会影响钢纤维增强混凝土混合料的流动性和水泥用量。

5．水

　　凡能饮用的水和洁净的天然水，均可用于钢纤维增强混凝土，因海水对钢纤维有锈蚀作用，一般不允许用海水拌制钢纤维增强混凝土。

6．外加剂

　　在钢纤维增强混凝土拌和过程中，为了改善拌和料的和易性，减少水泥用量或提高强度，可掺入一定量的外加剂。

　　外加剂按使用效果分为减水剂、引气剂、防冻剂、膨胀剂、促凝剂等。在钢纤维增强混凝土中，使用较多的是减水剂(普通减水剂和高效减水剂)，以提高其和易性。

　　在使用外加剂时应注意的事项是：

　　①根据使用目的，选择品种，并根据技术经济效益进行比较确定。

　　②掺量应按所用品种，并根据使用要求、施工条件、拌和的原材料等因素经试验确定。掺量以水泥质量的百分率表示。

　　③掺量为1 9／6以下的外加剂(如高效减水剂)应以水溶液掺入为宜。

　　④注意外加剂与水泥的适应性。    ．

　　⑤外加剂的性能应符合现行标准《混凝土外加剂应用规程》的规定。

7．掺合料

　　根据需要和可能，在钢纤维增强混凝土中还可掺入一定量的粉煤灰或硅粉等掺合料，以改善拌和料的和易性，节约水泥用量以及提高强度。其拌和材料性能应符合现行标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和《用于水泥中的火山灰质混合材料》的规定，其掺量可通过试验确定。

二、配合比

　　应根据对钢纤维增强混凝土的使用要求和钢纤维增强混凝土配合比的特点进行合理的设计。

1．钢纤维增强混凝土配合比设计的要求和特点

　　(1)钢纤维增强混凝土配合比设计的要求  所配制的钢纤维增强混凝土应满足下列要求：

　　①满足工程所需要的强度和耐久性。对建筑工程，一般应满足抗压强度和抗拉强度的要求；对路(道)面工程，一般应满足抗压强度和弯拉强度的要求。

　　②配制成的钢纤维增强混凝土拌和料的和易性应满足施工要求。

　　③在满足工程要求的条件下，充分发挥钢纤维的增强和增韧作用，合理确定钢纤维和水泥用量，降低钢纤维增强混凝土的成本。

　　(2)钢纤维增强混凝土配合比设计的特点  钢纤维增强混凝土配合比设计与普通水泥混凝土相比，其主要特点是：

　　①在水泥混凝土拌和料中掺入钢纤维，主要是为了提高混凝土的抗弯、抗拉、抗疲劳的能力和韧性。当有抗压强度要求时，除按抗压强度控制外，还应根据工程性质和要求，分别按弯拉强度或抗拉强度控制，确定拌和料的配合比，以充分发挥钢纤维增强混凝土的增强作用，而普通水泥混凝土一般以抗压强度控制(道路混凝土以弯拉强度控制)来确定拌和料的配合比。

　　②配合比设计时，应考虑掺入拌和料中的钢纤维能分散均匀并使钢纤维的表面包满砂浆，以保证钢纤维增强混凝土的质量。

　　③在拌和料中加入钢纤维后，其和易性有所降低，为了获得适宜的和易性，应适当增加单位用水量或减水剂。

2．钢纤维增强混凝土配合比设计的原理与方法

　　钢纤维增强混凝土配合比设计的基本方法是建立在钢纤维增强混凝土拌和料的特性及其硬化后的强度基础上的，其主要目的是根据使用要求，合理确定拌和料的水灰比、钢纤维体积率、单位用水量和砂率等四个基本参数，由此，即可算出各组成材料的用量，在确定基本参数时，既要满足抗压强度要求，又要符合弯拉强度或抗拉强度要求以及和易性、经济性的要求。

　　由于配制钢纤维增强混凝土材料品种、类型的差异和施工条件的不同，在实际工程中，其配合比的设计一般是在初步计算的基础上，通过试验和结合施工现场的条件再进行必要的调整确定。

　　(1)水灰比的确定  由于钢纤维增强混凝土的抗压强度主要取决于基体混凝土的强度，钢纤维对抗压强度影响不大，因此，钢纤维增强混凝土的水灰比，可按普通水泥混凝土抗压强度与水泥强度等级、水灰比的关系求得。

　　通常在满足抗压强度要求时，其耐久性也能满足。但对于严寒冰冻地区，其最大水灰比、最小水泥用量等应按有关规范规定执行。在最后确定水灰比时，应将强度或耐久性要求的水灰比作比较，选定较小者为设计水灰比。钢纤维增强混凝土的水灰比一般为0．45～0．50，对于有耐久性要求时，一般不大干0．5。

　　(2)钢纤维体积率的确定

　　①对于有抗压强度和弯拉强度(抗折强度)要求时，钢纤维体积率的确定

　　a．根据弯拉强度和由抗压强度确定的水灰比及水泥弯拉强度确定钢纤维体积率。据王璋水的试验数据，经综合回归分析，钢纤维增强混凝土弯拉强度与水灰比、钢纤维体积率、长径比及水泥弯拉强度的关系，由式(11．1)表示：

     (11.1)

　　式中 ——钢纤维增强混凝土试配弯拉强度，MPa；

     R_tm——实测28d水泥弯拉强度，MPa，可由水泥厂提供的水泥试验报告查得，当无实测数据时，可按水泥的抗折强度等级乘以富裕系数 1.13计；

      ——钢纤维增强混凝土的灰水比；

      ——品种不同的钢纤维对弯拉强度的影响系数，根据试验回归分析结 果， 值列于表11．2。

表11．2 系数表

　　式(11·2)适用于强度等级为42．5和52．5的水泥，水灰比o．4～O．6，砂率为40％～60％，碎石粒径为5~20mm，钢纤维体积率0．5％～2．5Z，长径比为40～100。

　　钢纤维增强混凝土试配弯拉强度可按式(11．2)计算：

　　式中 ——钢纤维增强混凝土设计弯拉强度，MPa；

　　Z——保证率系数；

　　——钢纤维增强混凝土弯拉强度的标准差，MPa。

　　试配弯拉强度也可以根据有关规定，由设计弯拉强度乘以提高系数1．10～

1．15计算。

　　由式(11·3)可知，当已知钢纤维增强混凝土的试配弯拉强度、水灰比、水泥弯拉强度及钢纤维的品种后，即可求得钢纤维的体积率。确定体积率时，在满足强度要求的原则下，必须考虑经济性和便于施工，尽量减少钢纤维的用量，必要时可适当调整水灰比，以求得合适的体积率。

　　b·根据弯拉强度和由抗压强度确定的水灰比及水泥抗压强度，也可按式(11·3)确定剪切钢纤维的体积率。根据孙伟等的试验结果，剪切钢纤维增强混凝土的弯拉强度与水灰比、体积率、长径比以及水泥抗压强度有如下关系：

     (11．3)

　　式中 ——钢纤维增强混凝土试配弯拉强度，MP。；

　　Rc——实测28d水泥抗压强度，MPa；

　　C／W——钢纤维增强混凝土的灰水比。

　　若已知钢纤维增强混凝土的弯拉强度、水灰比、水泥抗压强度及钢纤堆长径比，按式(11．4)代即可求得剪切钢纤维的体积率。

　　②对有抗压强度和抗拉强度要求时，钢纤维体积率的确定  钢纤维增强混凝土抗拉强度与其基体混凝土抗拉强度、钢纤维体积率、长径比有下列关系：

      (11．4)

　　式中 ——钢纤维增强混凝土设计抗拉强度，MPa；

　　——根据钢纤维增强混凝土强度等级，按现行有凝土结构设计规范确定的设计抗拉强度(MPa)；

　　——钢纤维对抗拉强度的影响系数。当无试验资料时，可参考文献CECS 38：2004选用。

　　(3)钢纤维增强混凝土单位体积用水量和水泥用量的确定  在水灰比保持一定的条件下，单位体积用水量和钢纤维体积率是控制拌和料和易性的主要因素，用水量的确定应使拌和料达到要求的和易性，便于施工为准。钢纤维增强混凝土的和易性按维勃稠度控制，一般以15～30s为宜。

　　由于影响单位体积用水量的因素较多，选用的原材料有差异，因而用水量变化较大。在实际应用中，可通过试验或根据已有经验确定。

　　当拌和料中掺人外加剂或掺合料时，其掺量和单位体积用水量应通过试验确定。

　　钢纤维增强混凝土中，由于包裹钢纤维和粗细集料表面的水泥浆用量较普通混凝土多，因而单位体积水泥用量较大。钢纤维增强混凝土单位体积水泥用量为360～450kg，根据强度和钢纤维体积率而定，当体积率较大时，单位体积水泥用量也适当增加，但一般不应大于500kg。

　　(4)钢纤维增强混凝土砂率的确定  砂率是砂的质量占砂石总质量的百分率。由于砂的粒径远比石料小，砂率的变化会使集料的总表面积有较大的变化，对拌和料的和易性和质量有较大的影响，因此必须选好砂率。影响砂率的主要因素有：

　　①粗集料品种和最大粒径的影响，碎石比卵石需要砂率大，石料最大粒径小，则全部石料的空隙率就大，砂率需要大。

　　②钢纤维体积率和长径比大，则钢纤维的表面积大，需要砂率也大。

　　③砂的细度模数较小时，因砂中细颗粒较多，拌和料的黏聚性容易得到保证，故砂率采用较小值。

　　④水灰比较小，水泥浆较稠时，可采用较小砂率。

　　⑤施工要求拌和料的流动性较大时，粗集料常易出现离析，可采用较大砂率。

　　⑥在拌和料中，若掺入减水剂、加气剂时，可适量减小砂率。

　　由于影响砂率的因素较多，因此砂率可通过试验或根据已有经验确定，也可根据所用材料的品种规格、钢纤维体积率、水灰比等因素，参考有关资料选用，然后再通过拌和物和易性试验确定。试验表明，当使用中砂时(细度模数2．3～3．0)，钢纤维增强混凝土的砂率一般为40％～50％。砂率在此范围内变化，对强度影响不大，对和易性有一定的影响。

　　(5)单位体积内砂、石用量的确定在上述基本参数确定后，可用绝对体积法或假定密度法求得单位体积的砂、石用量。

　　(6)配合比调整和强度检验  以上确定的材料配合比为计算配合比，由于在实际工程中所用材料情况往往有变化，影响钢纤维增强混凝土性能的因素又较多，因此按照上述方法得到的配合比仅是初步确定的配合比，为了符合实际，还需要经试验进行调整以及通过强度检验。通过试样进行拌和料的性能试验，检查其稠度、黏聚性、保水性是否满足施工要求，若不满足则应在基本保持水灰比和钢纤维体积率不变的条件下，调整单位体积用水量或砂率，直到满足要求为止，并据此确定用于强度试验的基准配合比。

　　钢纤维增强混凝土的强度试验应根据工程要求，分别进行抗压强度与弯拉强度或抗压强度与抗拉强度(或劈拉强度)的试验。每种强度试验至少应采用三种不同配合比，其中一种为基准配合比，当进行抗压强度试验时，另两种配合比的水灰比应比基准配合比分别各增减O．05；当进行弯拉强度或抗拉强度试验时，另两种配合比的钢纤维体积率应比基准配合比分别各增减0．2％。改变水灰比或钢纤维体积率时，单位体积用水量应保持不变，可通过调整砂率来保持拌和料的稠度不变。共配制三种配合比，经过试拌后制作三组试块。制作试块时，应测定其拌和料的稠度、黏聚性、保水性和质量密度。

　　根据强度试验测得水灰比与抗压强度的关系，可求得与试配抗压强度对应的水灰比，根据钢纤维体积率与弯拉强度或抗拉强度的关系，可求得试配弯拉强度或抗拉强度相对应的钢纤维体积率。由此确定的配合比为试验室配合比。如有抗冻、抗渗等性能要求，还需另做专用试验检查。

　　试验室配合比一般是以干燥材料为主，而工地现场的砂、石材料大都含有一定的水分，因此试验室配合比还需根据现场材料情况加以调整，调整后的配合比称为施工配合比，以此配合比指导和控制现场施工。