鋼纖維混凝土配合比

1、l 2 鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計鋼纖維混凝土雖已在各種工程領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用， 但對鋼纖維混凝土拌合 料的配合比設(shè)計，尚未建 立起合理而成熱的設(shè)計方法。國外有關(guān)學(xué)者，曾介紹過 關(guān)于鋼纖維混凝土配合比 方面的資料，提出一些參考用表和經(jīng)驗配合比。國內(nèi)有 關(guān)單位”，曾提出要以抗 折強度為指標(biāo)進行鋼纖維混凝土配合比設(shè)計，并通過試 驗，建立抗折強度與各主 要影響因素之間量的關(guān)系，有利于配合比的設(shè)計。但多 數(shù)仍按普通水泥混凝土的 配合比設(shè)計方法，以混凝土的抗壓強度確定拌合料的配 合比，只是適當(dāng)調(diào)整砂率 、用水量和水泥用量。按此確定配合比時，為了獲得較 高的抗折強度，勢必使抗 壓強度也相應(yīng)提高，這是不必要

2、的。鋼纖維混凝土配合 比的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)對鋼纖 維混凝土的使用要求和鋼纖維混凝土配合比的特點進行 合理的設(shè)計。1-2-1 1-2-1 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計的要求和特點一、鋼纖維混凝土配合比設(shè)計的要求 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計的目的是將其組成的材料，即鋼纖維、水泥、水、 粗細(xì)骨料及外摻劑等合 理的配合 ，使所 配制的 鋼纖維混 凝土應(yīng) 滿足下 列要求 :1. 滿足工程 所需要 的強度和耐 久性。 對建筑 工程一般 應(yīng)滿足 抗壓強 度和抗拉 強度的要 求對路 （ 道） 面工程一般 應(yīng)滿足 抗壓強 度和抗折 強度的 要求。2. 配制成 的鋼纖 維混凝 土拌合料 的和易 性應(yīng)滿 足施工要 求。3經(jīng)濟合理

3、。在滿足工程要求的條件下，充分發(fā)揮鋼纖維的增強作用，合理確定鋼纖 維和水泥用量，降低鋼纖維混凝土的成本。二、鋼纖維混凝土配合比設(shè)計的特點 鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計與普通水泥混凝土相比，其主要特點是： 1. 在水泥混凝土的配合拌合料中摻入鋼纖維，主要是為了提高混凝土的抗彎、 抗拉、抗疲勞的能力和韌性，因此配合比設(shè)計的強度控制，當(dāng)有抗壓強度要求時，除 按抗壓強度控制外，還應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)和要求，分別按抗折強度或抗拉強度控制，確 定拌合料的配合比，以充分發(fā)揮鋼纖維混凝土的增強作用，而普通水泥混凝土一般以 抗壓強度控制 （道路混凝土以抗折強度控制 ） 來確定拌合料的配合比。2 配合比設(shè)計時，應(yīng)考慮摻人拌

4、合料中的鋼纖維能分散均勻，并使鋼纖維的表面包滿 砂漿，以保證鋼纖維混凝土的質(zhì)量。3在拌合料中加入鋼纖維后，其和易性有所降低。為了獲得適宜的和易性，有必要適當(dāng)增加單位用水量和單位水泥用量。1-2-2 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計原理與方法。鋼纖維混凝土配合比設(shè)計的基本方法是建立在鋼纖維混疑土拌合料的特性及 其硬化后的強度基礎(chǔ)上的 。其主要目的是根據(jù)使用要求，合理確定拌合料的水灰 比，鋼纖維體積率、單位 用水量和砂率等四個基本參數(shù)，由此，即可計算出各組 成材料的用量。在確定基本參數(shù)時， 既要滿足抗壓強度要求， 又要符合抗折強度或抗拉強度要 求，以及和易性、經(jīng)濟性要求。試驗表明，鋼纖維混凝土的抗壓強度、抗

5、折強度和抗拉強度與水泥標(biāo)號；水灰 比、鋼纖維體積率和長徑比、砂率、用水量等因素有關(guān)，其中水灰比和水泥標(biāo)號對 抗壓強度影響最大，其他因素影響較小。即鋼纖維體積率和長徑比、水泥標(biāo)號卻對 抗折強度和抗拉強度影響最大，砂率和用 水量對和易性影響較大。因此，采用以抗 壓強度與水灰比， 水泥標(biāo)號的關(guān)系來確定水灰比， 然后用抗折強度或抗拉強度確定 體積率。由此確定的配合比，既能滿足抗壓強度要求，又能滿足抗折強度或抗拉強 度要求，在初步確定水灰比和體積率后，再根據(jù)和易性要求確定砂率和用水量。由 此可初步確定計算配合比。由于配制鋼纖維混凝土原材料品種、類型的差異和施工條件的不同，在實際工程中，其配合比的設(shè)計，一

6、般是在初步計算的基礎(chǔ)上，通過試驗和結(jié)合施工現(xiàn)場的 條件調(diào)整確定。一、一、水灰比的確定由于鋼纖維混凝土的抗壓強度，主要取決于水泥石的強度及其與骨科間的粘結(jié)力。水泥的強度及其與骨料間的粘結(jié)力又主要取決于水泥標(biāo)號和水灰比的大小，而鋼纖維的體積率和長徑比對抗壓強度影響不大(僅可提高抗壓強度的5%10% )。因此，鋼纖維混凝土的水灰比，可按普通水泥混凝土抗壓強度與水泥標(biāo)號、水灰比的關(guān)系式(1-3)求得。? fcu=ARc( C/W-B )(1-3)式中 ？fcu 鋼纖維 混凝土 試配拉 壓強 度(Mpa);Rc 水泥實測28d的抗壓強度 (Mpa)，在無法取得水泥的實例抗壓強度資料時， 可按水泥標(biāo)號乘以

7、水泥富余系數(shù)1.13計算；C/W鋼纖維混凝土所要求的灰水比；A、A、B經(jīng)驗系數(shù)。當(dāng)粗骨料為碎石時，A= 0.46 ,B= 0.52 ;為礫石時，A= 0.48 ,B= 0.61。鋼纖維混凝土的試配抗壓強度，可按式(1-4 )確定；? fcu=? fcu+Z1(1-4)式中 ？fcu 鋼纖維 混凝土 設(shè)計 抗壓強 度(Mpa);Z保證率系數(shù)(T 1抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)差(Mpa)。保證率系數(shù)的大小，應(yīng)根據(jù)工程的重要程度，按保證率的要求，可根據(jù)表1-4確定。強度標(biāo)準(zhǔn)差，可由施工單位統(tǒng)計資料確定。若無統(tǒng)計資料時，鋼纖維混凝土的強度等級為 CF25-30 時，(T 1 = 5.0 (Mpa ); CF35-

8、CF60 時，(T 1 = 6.0Mpa。保證率與保證率系數(shù)關(guān)系表1-4保證率(%8085909598保證率系數(shù)Z0.841.041.281.642.05根據(jù)試配拉壓強度、粗骨料狀況及水泥的標(biāo)號代入式(1-3 )，即可求得水灰比。通常，滿足抗壓強度要求時，其耐久性也能滿足。但對于嚴(yán)寒冰凍地區(qū)，其 最大水灰比、最小水泥用量等應(yīng)按有關(guān)規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。在最后確定水灰比時，應(yīng)將強度或耐久性要求的水灰比作比較，選定較小者為設(shè)計水灰比。鋼纖維混凝土的水灰比一般為 0.45-0.50，對于有耐久性要求時，一般不大于0.50。二、二、鋼纖維體積率的確定1.1.對于有抗壓強度和抗折強度要求時，鋼纖維體積率的確定(

9、1) ( 1)度和和由抗壓強度確定的水灰比及水泥抗折強度確定鋼纖維體積率經(jīng)空軍工程設(shè)計研究局等單位的145組試驗數(shù)據(jù)綜合回歸分析，鋼纖維混凝土抗折強度與水灰比、鋼纖維體積率、長徑比及水泥的抗折強度有如下關(guān)系：? fcu= Rtm (0.12C/W + 0.31 + B tm p f | t /df )（1-5）式中 ？fcu 鋼纖維 混凝土 試配抗折 強度（Mpa）;Rtm實測28d的水泥抗折強度（Mpa），可由水泥廠提供的水泥試驗報 告單查得。當(dāng)無實測數(shù)據(jù)時，可按水泥的抗折標(biāo)號乘以富裕系數(shù) 1.13 計；C/W鋼纖維混凝土所要求的灰水比；B tm不同品種鋼纖維對抗折強度的影響系數(shù)。根據(jù)試驗回

10、歸分析結(jié)果，B tm值列于表1-5。3tm 值表表1-5鋼纖維類 型B tm?fcu 計 /?fcu 試組數(shù)n平均值卩標(biāo)準(zhǔn)差a離散系數(shù)切割型0.30321.0040.126r 0.125熔抽型0.32391.0120.116L 0.115剪切型0.62740.9800.086:0.088注：熔抽型鋼纖維長度為25mm。公式（1-5 ）適用于水泥標(biāo)號為425和525號水泥，水灰比0.4-0.6 ，中秒，砂率為40%-60%，碎石粒徑為5-20mm，鋼纖維體積率0.5-2.5% ，長徑比為 40-100。鋼纖維混凝土試配抗折強度可按式（1-6 ）計算：? fcu= ? fcu + Z （T 2 （

11、1-6 ）式中 ？fcu鋼纖維混凝土設(shè)計抗折強度（ Mpa）;Z保證率系數(shù)；（T 2鋼纖維混凝土抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差。試配抗強度也可根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，由設(shè)計抗折強度乘以提高系數(shù)1.10-1.15計算。由式（1-5 ）可知，當(dāng)已知鋼纖維混凝土的試配抗折強度、水灰比、水泥抗折強度及鋼纖維的品種后，即可求得鋼纖維的體積率。確定體積率時，在滿足強度要求的原則下，必須考慮經(jīng)濟性和便于施工，盡量減少鋼纖維的用量，必要時可適當(dāng)調(diào)整水灰比，以求得合適的體積率。（2）根據(jù)抗折強度和由抗壓強度確定的水灰比及水泥抗壓強度，也可按式（1-7 ）確定剪切鋼纖維的體積率。根據(jù)東南大學(xué)試驗結(jié)果，剪切鋼纖維混凝土的抗折強度與水泥比

12、，體積率、長徑比以及水泥抗壓強度有如下關(guān)系：?fcu=Rc（0.0802C/W + 0.08 p f I t /df - 0.0801 ）（1-7）式中？fcu鋼纖維混凝土試配抗折強度（Mpa）;Rc實測28d的水泥抗壓強度（Mpa）;C/W鋼纖維混凝土所要求的灰水比；若已知鋼纖維混凝土的抗折強度、水灰比、水泥抗壓強度及鋼纖維長徑比，按式（1-7 ）即可求得剪切鋼纖維的體積率。2.對有抗壓強度和抗拉強度要求時，鋼纖維體積率的確定根據(jù)文獻，鋼纖維混凝土抗拉強度與其基體混凝土抗拉強度、鋼纖維體積率、 長徑比有下列關(guān)系：? ft= ? t（1+ a t p f i f/df ）（1-8）式中？ft鋼

13、纖維混凝土設(shè)計抗拉強度（Mpa）;? t 根據(jù)鋼纖維混凝土強度等級按現(xiàn)行有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范確定 的設(shè)計抗拉強度（Mpa）;a t鋼纖維對抗拉強度的影響系數(shù)。當(dāng)無試驗資料時，對鋼纖維混凝土強度等級為 CF20-CF40，圓直型和熔抽型（| fV 35m =鋼纖維，a t為0.36，剪切型和熔抽型（ I f 35mm）鋼纖維，a t為0.47。式（1-8 ）中，如果已知？ft、?t和鋼纖維的品種，即可求得體積率p f。若式中?t為未知時，則可按式（1-9 ）求得?t:0.17? fcu2/3 (1-1.645 S )（1-9）式中？fcu 鋼纖維混凝土的試配抗壓強度（Mpa）;S離散系數(shù)鋼纖維

14、的體積率一般為0.5-2.0% 。三、三、鋼纖維混凝土單位體積用水量和水泥用量的確定在水灰比保持一定的條件下，單位體積用水量和鋼纖維體積率是控制拌合料和易性的主要因素，用水量的確定應(yīng)使拌合料達到要求的和易性、便于施工為準(zhǔn)。鋼纖維 混凝土的和易性，按維勃稠度控制，一般以15-30s為宜。由于影響單位體積用水量的因素較多，選用的原材料差異，因而用水量也有不同。 在實際應(yīng)用中， 可通過試驗或根據(jù)已有經(jīng)驗確定。也可根據(jù)材料品種規(guī)格、鋼纖維體積率、水灰比 和稠度參照表1-6和表1-7選用。半干硬性鋼纖維混凝土單位體積用水量選用表表1-6拌合料條件維勃稠度（s）單位體積用水量（kg）p f = 1.0%碎

15、石最大粒徑 10-15mmW/C=0.4-0.5中砂M019515182：2017525170：30166表1-6中，若碎石的最大粒徑為20mm,則單位體積用水量可相應(yīng)減少5 kg ;當(dāng) 粗骨料為卵石時，則單位體積用水量可相應(yīng)減少10kg ;當(dāng)鋼纖維體積率每增減0.5% ,單位體積用水量相應(yīng)增減8kg。塑性鋼纖維混凝土單位體積用水量選用表表1-7拌合料條件骨料品種骨料最大粒徑 （mn）單位體積用水量（kg ）I f/df = 50碎石10-1523520220p f = 0.5% 坍落度為 20mmW/C=0.4-0.5中砂卵石10-1522520205表1-7中，坍落度變化范圍為10-50m

16、m時，每增減10mm,單位體積用水量相應(yīng) 增減7kg ;鋼纖維體積率每增減0.5%，單位體積用水量可增減8kg ;當(dāng)鋼纖維長徑比每增減10，則單位體積用水量相應(yīng)增減10kg。當(dāng)拌合料中摻入外加劑或摻合料時，其摻量和單位體積用水量應(yīng)通過試驗確在確定水灰比 W/C和單位體積用水量Wo以后，即可按式(1-10)求得單位體積水泥用量C。C0 = W0 x C/W (1-10)鋼纖維混凝土中，由于包裹鋼纖維和粗細(xì)骨料表 面的水泥漿用量普通混凝土 多，因而單位體積水泥用量較大。鋼纖維混凝土單位體積水泥用量為360-450kg ,根據(jù)強度和鋼纖維體積率而定，當(dāng)體積率較大時，單位體積水泥用量適當(dāng)也增加， 但一

17、般不應(yīng)大于500kg。四、四、鋼纖維混凝土砂率的確定砂率是砂重占砂石總重量的百分率。由于砂的粒徑比石料小，砂率的變化，會使骨 料的總表面積有較大的變化，對拌合料的和易性和質(zhì)量有較大的影響，因此必須選好砂率。 影響砂率的主要因素(1) (1)骨料的品種和最大粒徑，碎石比卵石需要砂率大些，石料最大粒徑小，則全部石料的空隙率就大，砂率需要大。(2) (2)鋼纖維體積率和長徑比大，則鋼纖維的表面積大，需要砂率也是大些。(3) (3)砂的細(xì)度模數(shù)較小時，因砂中細(xì)顆粒較多，拌合料的粘聚性容易得到保證，故砂率采用較小值。(4) (4)水灰比較小，水泥漿較稠時，可采用較小砂率。(5) (5)在拌合料中，若摻入

18、減水劑、加氣劑時，可適當(dāng)減小砂率。由于影響砂率的因素較多，因此砂率可通過試驗或根據(jù)已有經(jīng)驗確定，也可根據(jù)所用材料的品種規(guī)格、鋼纖維體積率、水灰比等因素，按表1-8選用，然后再通過拌合物和易性試確定。試驗表明，當(dāng)使用中砂時(細(xì)度模數(shù)2.3-3.0)鋼纖維混凝土的砂率一般為40%-50%。砂率在此范圍內(nèi)變化，對強度影響不大，對和易性有一定的影響。砂率可按(1-11 )式計算：鋼纖維混凝土砂率選用表 (% )表1-8拌合料條件最大粒徑20mml的碎石最大粒徑20mm的卵石1 f/df = 50 ,p f = 1.0%W/C=0.5, 砂細(xì)度模數(shù)3.05045i f/df增減 10 5 3p f增減0

19、.5% 3 3W/C增減0.1 2 2砂細(xì)度模數(shù)增減0.1 1 1（ 1-11 ）式中Sp砂率；So砂的單位體積用量（ kg/m3 ）;Go石子的單位體積用量kg/m3）；五、五、單位體積內(nèi)砂、石用量的確定在上述基本參數(shù)確定后， 可用絕對體積法或假定密度法求得單位體積的砂、石用量。1. 絕對體積法鋼纖維混凝土的體積是各組成材料絕對體積的總和為1m3,即：Wo/ y w + Fo/ y f + Co/ y c + S0/ y s + Go/ y g + 10 a =1000（1-12）式中Wo、Fo、Co、9、O 分別為1m3鋼纖維混凝土中水、鋼纖維、水泥、砂和石子和重量（ kg/m3 ）；y

20、w、y f、y c、y s、y g分別為水、鋼纖維、水泥、砂和石子的密度（ g/cm3 ）；a 鋼 纖維混 凝土含氣量 百分?jǐn)?shù)（ %），在不 使用引氣型外 加劑時， 石子最大粒徑為2omm， a 可取 2。公式（1-12 ）中，丫 w可取1.0g/cm3 , 丫 f可取7.8g/cm3 , 丫 c是普通硅酸鹽 水泥的密度約為3.1g/cm3 , 丫 s和丫 g通過實測確定。由式（ 1-12 ） 可計算出砂 、 石 的總重量， 再由已 知砂率可分別求出砂、 石單 位體積重量。至此， 鋼纖維混凝土各組 成材料用量已確定，即 得到計算配合比。 計算 配合 比的表示法為：（1）（1）1m3鋼纖維混凝土

21、中各組成材料用量（kg ）;（ 2）（ 2） 鋼纖維混凝土中水泥、 水、 砂、 石 用 量比例（ 以水泥用 量為 1的重量比）和鋼纖維體積率：水泥：水：砂：石= 1 ：Wo/ Co ：So/ Co ：G/ Co.p f2. 假定密度（容量）法假定鋼纖維混凝土的密度為y fc ，則Co FoWo So Go= y fc( kg/m3 )(1-13)試驗表明，鋼纖維混凝土的密度一般約為245okg/m3。根據(jù)假定的密度和已確定的參數(shù)，由式（1-13 ）可計算出單位體積中砂、石的總重量。再按砂率可分別求得砂、石的用量，即G + So = y fc WoCo FoSo =（ G + So） x S p

22、G 0 =（ G + So） So 至此，各材料用量即可確定。此法計算較簡單，便于應(yīng)用。六、六、配合比調(diào)整和強度檢驗以上確定的各材料配合比為計算配合比，由于在實際工程中所用材料情況往往有變化，影響鋼纖維混凝土性能的因素又較多， 因此按照上述方法得到的配合比，僅是初步確定的配合比，為了符合實際，還需要經(jīng)試驗進行調(diào)整以及通過強度檢驗。通過試樣進行拌合 料的性能試驗，檢查其稠度、粘聚性、保水性是否滿足施工要求，若不滿足則應(yīng)在 基本保持水灰比和鋼纖維體積率不變的條件下， 調(diào)整單位體積用水量或砂率， 直到 滿足要求為止，并據(jù)此確定用于強度試驗的基準(zhǔn)配合比。鋼纖維混凝土的強度試驗應(yīng)根據(jù)工程要求， 分別進行

23、抗壓強度與抗折強度或抗壓強 度與抗拉強度的 試驗。每種強度試驗至少應(yīng)采用三種不同配合比；其中一種為基準(zhǔn)配合比，當(dāng)進行 抗壓強度試驗時， 雖兩種配合比的水灰比應(yīng)比基準(zhǔn)配合比分別各增減 0.05 ；當(dāng)進行 抗折強度或抗拉強度試驗時， 另兩種配合比的鋼纖維體積率應(yīng)比基準(zhǔn)配合比分別各 增減 0.2% 。改變水灰比或鋼纖維體積率時，單位體積用水量應(yīng)保持不變，可通過調(diào) 整砂率來操持拌合料的稠度不變。共配制三種配合比，經(jīng)試拌并制作三組試塊。制 作鋼纖維混凝土試塊時，應(yīng)測定其拌合料的稠度、粘聚性、保水性質(zhì)量密度。根據(jù)強度試驗測得水灰比 與抗壓強度的關(guān)系，可 求得與試配抗強度對應(yīng) 的水 灰比， 根據(jù)鋼纖維體積率

24、與抗折強度或抗拉強度的關(guān)系， 可求得試配抗折強度或抗 拉強度相對應(yīng)的鋼纖維體積率。由此確定的配合比為試驗室配合比。如有抗凍、抗 滲等性能要求，還需另作專門試驗檢查。試驗室配合比一般是干燥 材料為主，而工地現(xiàn)場 的砂、石材料大都含有 一定 的水分， 因此試驗室配合比還需根據(jù)現(xiàn)場材料情況加以調(diào)整， 調(diào)整后的配合比叫施 工配合比，以此配合比指導(dǎo)和控制現(xiàn)場施工。例 1-1 :某道路工程，要 求鋼纖維混凝土設(shè)計強度等級CF30,鋼纖維混凝土設(shè)計抗折強度 6.7MPA, 強度保證率 85%，維勃稠度 V B=1 2(S) 。采用剪切型鋼纖維， 長徑比60 ;水泥425號普通硅酸鹽水泥，實測抗折強度7.2M

25、PA，密度3.1g/m3 ;細(xì)集料為中砂，細(xì)度模數(shù)2.50，密度2.65g/m3 ；粗集料為碎石，粒徑5-20mm，密度 2.70g/m3 。試設(shè)計該工程的鋼纖維混凝土的配合比。解 (1)確定鋼纖維混凝土的試配強度根據(jù)該工程的強度保證率85%,由表1-4得保證率系數(shù)1.04，CF3 0抗壓強度標(biāo) 準(zhǔn)差5.0MPA，抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差0.6MPA，按式(1-4 )，求得鋼纖維混凝土試配抗壓強度：?fcu= ?fcu + Z (T 1 = 30 + 1.04 x 5.0 =35.2Mpa 按式( 1-6 ),求得鋼纖維混凝土試配抗折強度?fcu= ?fcu + Z(T 2 = 6.7 + 1.04x

26、0.6 =7.32Mpa(2) 確定水灰比 按式( 1-3 )求得鋼纖維混凝土水灰比 ?fcu = ARc(C/W-B)=0.46R c(C/W-0.52)W/C=0.46 X42.5 X 1.13/(35.2+0.46 X 0.52 X 42.5 X 1.13)=0.47因 W/C=0.470.50, 滿足耐久性要求。( 3)( 3) 確定鋼纖維體積率和單位體積用量按式(1-5 )，將求得的水灰比及有關(guān)參數(shù)代入計算，可得鋼纖維體積率p仁因為？fcu = Rtm(0.12C/W + 0.31 + B tm p f | t /df)所以 p f=(7.32/7.2-0.31-0.12x2.13) /0.62x60=0.0121則鋼纖維單位體積用水量和水泥用量F0= 0.0121x7800kg/m3=94kg/m3(4) 確定單位體積用水量和水 泥用量 由于道路用的是半干硬性鋼纖維混凝土, 因此, 當(dāng)無試驗資料時, 可參照表 1-6 ,確定單位體積用水量。根據(jù)要求的維勃稠度為12 ( s),則單位體積用水量應(yīng)為189.8kg ,現(xiàn)考慮碎 石最大粒徑為20mm,應(yīng)減少用水量5kg ,鋼纖維體積率增加0.2% ,用水量應(yīng)增加 3.2kg ，合計單位體積用水量應(yīng)為 188kg/m3 。根據(jù)已確定的水灰比W/C = 0.4