钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究

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河北工业大学硕士学位论文钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究姓名：王萍申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程指导教师：杨春风;张建文20070901 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究THEAPPLICATIONSTUDYINGOFSTEELFIBERCEMENTCONCRETEINHIGHWAYENGINEERINGABSTRACTSteelfibercementconcreteisonenewcompoundmaterialswhichdevelopsduringthenearly20years.Thisarticleintroducestheexcellentmaterialcharacteristicandtheactionmechanismofsteelfibercementconcrete；carriesontheorthogonalexperimentdesignaccordingtothesteelfibercementproportioningofconcretedesignrequestandthecharacteristic，usingorthogonaltestresults，andusesthesynthesiszero-methodtoanalyzeeachcompositionmaterialdosageofthesteelfibercementconcretetotheinfluenceofconcreteeachindexes，findsoutthebestassortratio；andusesthecharacteristics，constructionmainpointandqualitycontrolofthelocalconstructsmaterialstothesteelfibercementconcretecombiningtheXing-xihighwaybridgeengineeringproject.Throughthetechnicaleconomycomparisonandthebenefitanalysis，itisthoughtthatthesteelfibercementconcreteissuitablespeciallyfortheheavyloadtransportation，itissavesmoreasthevolumebigger.ThesteelfibercementconcretehasthebroadapplicationprospectinthehighwayengineeringconstructionofXingtaiareas.KEYWORDS:steelfibercementconcrete，performance，mechanism，theassortratiodesign，construction，qualitycontrol.ii 原创性声明本人郑重声明：所呈变的学位论文，是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含仟何他人创作的、已广开发表或者没有公开发表的作品的内容。刺本论文所涉及的研究工作作出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学他论文的原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：一日期：chr、，7．fo关于学位论文版权使用授权的说明本人完全r解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位沦文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版本，并采用影目j、缩印、扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供日录检索以及提供奉学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以衙利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。(保密的学位论文在解密后适用于本授权说明)学位论文作者签名：溜导9】lj签名：多珏日期：占P一>．，0日期：o“_>．，d 河北工业大学工程硕士学位论文第一章绪绪绪论论论§§§1§111----1111课题背景及工程应用价值课题背景及工程应用价值1-1-1课题背景随着国民经济建设和公路交通事业的飞速发展，城市道路和国道干线公路上的车辆荷载及密度越来越大，行驶速度越来越快，对路面及桥面结构的承载能力提出了更高的要求。普通水泥混凝土路面及桥面虽有抗压强度高，板块性好，有一定的抗磨性及承受气象作用的耐久性好等特点，但它的最大缺陷是脆性大、易开裂、抗温性差，路面板块容易受弯折而产生断裂，所以就要求路面板应有足够的抗弯、抗拉强度和厚度。钢纤维混凝土是近20年发展起来的一种新型复合材料，具有良好的材料性能。用钢纤维混凝土修筑路面，就是将钢纤维均匀地分散于基体混凝土中（与混凝土一起搅拌），并通过分散的钢纤维，减小因荷载在基体混凝土引起的细裂缝端部的应力集中，从而控制混凝土裂缝的扩展，提高整个复合材料的抗裂性。同时由于混凝土与钢纤维接触界面之间有很大的界面粘结力，因而可将外力传到抗拉强度大、延伸率高的纤维上面，使钢纤维混凝土作为一个均匀的整体抵抗外力的作用，显著提高了混凝土原有的抗拉、抗弯强度和断裂延伸率。特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性，所以被广泛的应用于道路、桥梁、工业地坪、集装箱场地、大型水库及水利枢纽，以及隧道、地铁站、飞机场等工程，取得了很好的经济效益和社会效益。据国外专家预言，对混凝土工艺而言，钢纤维的出现是可以与钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的影响相提并论的一场混凝土技术革命。钢纤维混凝土的出现使传统的建筑材料工艺产生深刻的变化。1-1-2工程应用价值邢台境内有京珠(北京至珠海)高速公路、邢临(邢台至临西)高速公路、青银(青岛至银川)高速公路，106、107、308国道贯穿南北，邢德(邢台至德州)、邢清(邢台至清和)、邢和(邢台至和顺)、邢左(邢台至左权)、内昔(内邱至昔阳)公路横穿东西。近几年来，邢台市交通建设成绩斐然，高速公路、农村公路、国省公路、公路养管四极并重，水泥混凝土路面呈发展趋势。邢台有我国南北运输的大动脉，也是晋煤东运的必经之路；且西部山区矿产丰富，矿区林立，矿产外运繁忙。这些因素决定了邢台地区道路承载状况将会越来越重。在这种背景下，为了更好的发挥交通枢纽的功能和作用，改善邢台地区的交通状况，促进和带动全区经济、社会的发展，经市科委立项进行“钢纤维混凝土在公路工程中的应用研究”课题，其目的是研究钢纤维混凝土的基本性能，改变传统的建筑材料工艺，使之应用于工程实际，为发展高性能混凝土路面，提高路面的抗裂性、抗弯曲、耐冲击和耐疲劳性，改善路面的使用性能，延长使用寿命从而减少老路开挖，节省工程造价等发挥重要的经济效益和社会效益；同时为提高道路补强与改造提供良好的途径。§§§1§111----222国内外研究概述2国内外研究概述随着1824年波特兰水泥的诞生，在1830年前后出现了混凝土，作为当时的一种新型建筑材料，就广泛地应用于土木和水利工程。尤其是在19世纪中叶以后，伴随着钢铁的发展，人们把钢筋和混凝土结合起来，诞生了钢筋混凝土(ReinforcedConcrete)这种新型的复合建筑材料，大大提高了结构的抗裂性能、刚度、承载能力和耐久性，从而使建筑业经历了一场革命。尽管混凝土的固有优点是高抗压强1 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究度，然而它也有固有弱点——如构件的自重大、易于塑性干缩开裂、抗疲劳能力低、韧性差、抗拉强度低(一般仅为抗压强度的7%－14%)、易产生裂纹、抗冲击碎裂性差等，限制了在工程中的使用范围。这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出。因此，长期以来许多专家和学者不断探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增强耐久性)的各种方法和途径，于是，提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合材料——纤维混凝土。纤维混凝土(FiberReinforcedConcrete，简称FRC)，是纤维增强混凝土的简称，通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，以金属纤维、无机纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料。它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀的分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。纤维在混凝土中限制混凝土早期裂缝的产生及在外力作用下裂缝的进一步扩展。在纤维混凝土受力初期，纤维与混凝土共同受力，此时混凝土是外力的主要承担者，随着外力的不断增加或者外力持续一定时间，当裂缝扩展到一定程度之后，混凝土退出工作，纤维成为外力的主要承担者，横跨裂缝的纤维极大的限制了混凝土裂缝的进一步扩展。由此可见，纤维有效地克服了混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷。与普通混凝土相比，FRC具有较高的抗拉、抗弯拉、抗冲击、抗阻裂、抗爆和韧性、延性等性能，同时对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋性等方面也有很大的贡献。鉴于FRC具有素混凝土不具有的优点，纤维混凝土尤其是钢纤维混凝土在实际工程中日益得到学术界和工程界的关注。1907年原苏联专家B.П.HekpocaB开始用金属纤维增强混凝土；1910年，美国H.F.Porter发表了有关短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短钢纤维均匀地分散在混凝土中用以强化基体材料；1911年，美国Graham曾把钢纤维掺入普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果；到20世纪40年代，美、英、法、德、日等国先后做了许多关于用钢纤维来提高混凝土耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等方面的研究；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表了关于钢纤维约束混凝土裂缝开展的机理的论文，提出了钢纤维混凝土开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的结论(纤维间距理论)，从而开始了这种新型复合材料的实用开发阶段。到目前，随着钢纤维混凝土的推广应用，因纤维在混凝土中的分布情况不同，主要有四类：钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、层布式钢纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土。钢纤维混凝土(SteelFiberReinforcedConcrete简称SFRC)是在普通混凝土中掺入少量低碳钢、不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较均匀而多向配筋的混凝土。钢纤维的掺入量按体积一般为0.5－2%，而按重量计每立方米混凝土中掺50－100kg左右钢纤维，钢纤维的长度宜为25－60mm，直径为0.25－1.25mm，长度与直径的最佳比值为50－700。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土不仅能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高结构的疲劳性能及其耐久性。尤其是韧性可增加l0－20倍。我国对钢纤维混凝土与普通混凝土力学性能做了比较试验，当钢纤维掺入量为15－20%、水灰比为0.45时，其抗拉强度增长50－70%，抗弯强度增长120－180%，抗冲击强度增长10－20倍，抗冲击疲劳强度增长15－20倍，抗弯韧性增长约14－20倍，耐磨损性能也明显改善。西南交大李志业等对钢纤维混凝土的强度、变形和韧性进行了试验研究。通过对178个短柱的偏心受压试验、288个短梁的压剪试验以及36个圆环结构模型试验，研究了钢纤维对基体混凝土的抗压强度、不同轴压下的压剪强度以及轴心受压、小偏心受压、初裂弯曲抗拉强度的影响。综合分析了铣削型钢纤维对基体混凝土的强度、变形性能及增韧效果的影响规律。认为钢纤维对混凝土强度和变形韧性的2 河北工业大学工程硕士学位论文影响是明显的，其早期提高的幅度要大于28天的提高幅度。各项指标比较见表1.1。综合分析各种钢纤维掺量对强度、变形、抗裂等性能的影响，认为0.75%～1.0%掺量对混凝土性能的影响比较稳定。混凝土标号C40比C30的力学性能显得更稳定一些。韧性增强效果低标号要优于高标号。加高效减水剂以保持钢纤维混凝土和易性要比增加砂率保持水灰比不变的增强效果更明显且稳定。表1.1钢纤维对混凝土强度和变形韧性提高效果(%)Table1.1Thesteelfiberenhancestheeffecttotheconcreteintensityanddistortiontoughness(%)比较项目28天期龄7天期龄轴心抗压强度11～1529～46小偏心抗压强度17～2319～28弯曲抗拉强度31～3827～41抗剪强度38～8275～83轴心受压变形能60～9040～140小偏心受压变形能50～10050～130初裂弯曲变形能80～190100～240临界裂缝尖端张开位移200～300无轴压时残余强度52～32036～256有轴压时残余强度16～6711～67由此可以看出：与素混凝土相比，SFRC具有更优越的物理和力学性能：(1)较高的弹性模量和较高的抗弯拉、抗剪强度；(2)卓越的抗冲击性能；(3)抗裂和抗疲劳性能优异；(4)能明显改善变形性能；(5)韧性好；(6)抗磨与耐冻融有改观；(7)强度和重量比增大，施工简便，材料性价比高，具有优越的应用前景和经济性。我国从70年代末开始，钢纤维混凝土从实验室研究和小规模应用逐步走向较大规模的工程试点以及在某些领域中的推广应用，积累了工程施工经验，目前应用于许多工程领域。近年来高速公路建设中也已经开始大规模应用，如：河北宣大高速公路建成5km，云南曲胜高速公路建成20km，广东省在高速公路上开始有规模地修建钢纤维混凝土桥面。§§§1§111----333本课题的主要内容3本课题的主要内容从现状看，我国钢纤维水泥混凝土材料的研究和试验已有近20年的历史，近年来，在道路桥梁工程建设中已初步应用。随着邢台地区交通建设的发展，也开始应用这种新型复合材料。钢纤维的掺入，在理论上可以数倍提高水泥混凝土结构的寿命。我国从20世纪80年代开始修建钢纤维混凝土桥面，但一直未有大面积的使用。其原因一方面是由于水泥混凝土桥面平整度较难保证，另一方面是掺加钢纤维的成本较高，决策者对其能否达到理想寿命没有信心。工程界尚缺乏已使用20年以上钢纤维混凝土桥面的案例。本课题将结合邢昔线（邢台---昔阳）桥梁项目工程实际对钢纤维混凝土采用本地施工材料呈现的特性、施工及质量控制等方面进行研究，为钢纤维混凝土这种新材料在本地区的推广与应用提供理论及工程实践上的依据。本课题研究的主要内容为：1.钢纤维混凝土的特性：抗拉、抗剪、抗折和抗扭强度，抗冲击性能，抗疲劳性能，收缩性能，抗裂性能，耐久性、抗冻性、耐磨性。2.钢纤维混凝土的机理分析：3 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究①破坏机理：研究钢纤维混凝土的破坏形态；②增强机理：通过改变钢纤维的掺量、钢纤维的种类研究钢纤维的受力特性，了解钢纤维的增强机理。3.钢纤维混凝土的配合比设计：①钢纤维混凝土原材料质量要求；②钢纤维混凝土配合比设计。4.钢纤维混凝土的施工工艺：基层处理，钢纤维混凝土搅拌，运输与浇筑，养护与切缝。5.钢纤维混凝土施工质量控制：6.钢纤维混凝土经济与社会效益分析：对钢纤维混凝土作长期和短期利益分析。结论与建议：本课题将重点研究钢纤维混凝土的实际施工特性，对钢纤维混凝土的使用作出经济评价，为钢纤维混凝土在我区的应用与推广提供参考依据。4 河北工业大学工程硕士学位论文第二章钢纤维混凝土材料特性§§§2§222----1111钢纤维的基本性质钢纤维的基本性质2-1-1钢纤维的类型及特征参数钢纤维按材质分,有普通碳钢钢纤维和不锈钢钢纤维,其中以普通钢钢纤维用量居多；按外形分有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形；按截面形状分有圆形、矩形、月牙形及不规则形；按生产工艺分有切断型、剪切型、铣削型及熔抽型；按施工用途分有浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。目前，市场上较普遍选用的有剪切型、钢丝型和铣削型三种钢纤维。⑴剪切平直型钢纤维：这种钢纤维抗拉强度大多为380Mpa；剪切异型钢纤维：这种钢纤维有多种异型，如波浪型、凹凸型、凸痕型、扭曲型等等，抗拉强度一般均在600Mpa以上。⑵铣削型钢纤维：采用钢锭为原料，用铣刀进行切削制成的纤维，特点是轴向有扭曲，截面呈三角形，切割时由于刀具的挤压，有一个面形成粗糙面，端部弯折成尾钩。⑶钢丝型钢纤维：目前最先进的钢丝型钢纤维以上海Bekert钢纤维为代表，采用钢丝割切而成，两端带钩，呈弓型，该产品抗拉强度高达1000Mpa以上。表示钢纤维的特征参数有钢纤维长度、直径（等效直径）及长径比。钢纤维长度指钢纤维两端点间的直线距离，用Lf表示。通常采用的钢纤维长度为15～60mm。钢纤维截面的直径或等效直径（当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），用df表示，通常为0.3~1.2mm。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，即Lf/df，通常为30~100。钢纤维体积率，指钢纤维所占钢纤维混凝土体积的百分数，用ρf表示，它表明钢纤维在拌合料中掺入量的多少。通常为0.5%～2%。2-1-2钢纤维的主要性能2-1-2-1抗拉强度为使钢纤维混凝土具有良好的力学性能，要求钢纤维具有一定的抗拉强度。钢纤维的抗拉强度，根据钢纤维的材质和生产工艺不同，其抗拉强度也有所区别。厂家生产的钢纤维一般分为三个等级：380Mpa、600Mpa、1000Mpa。剪切型钢纤维的抗拉强度一般为380~800Mpa，钢丝型钢纤维抗拉强度高达1000Mpa以上。2-1-2-2粘结强度钢纤维的粘结强度，可按《钢纤维混凝土试验方法标准》（CECS13：89）用直接拉拔法测定钢纤维与水泥砂浆之间的粘结强度。由于钢纤维混凝土的破坏主要是钢纤维的拔出而不是拉断，因此钢纤维的增强主要取决于钢纤维混凝土基体界面的粘结强度。提高粘结强度除与基体的性能有关外，就钢纤维本身来说，应该从钢纤维的表面和形状来改善它与基体的粘结性能。为了提高钢纤维的粘结强度，常采用：使钢纤维表面粗糙化、截面呈不规则形，增加与基体的接触面积和摩擦力；将钢纤维表面压痕，或压成波形，增加机械粘结力；使钢纤维的两端异形化，将两端制成弯钩或大头形等，以提高其锚固力和抗拔力。试验表明，异形钢纤维比平直形钢纤维的增强效果可提高约一倍。2-1-2-3硬度各种钢纤维的表面硬度较高，在与混凝土搅拌时，一般不易发生弯折现象。钢纤维应能经受沿直径为3mm钢棒弯折90度不断。5 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究2-1-2-4耐腐蚀性浇筑在钢纤维混凝土内部的钢纤维，只要捣固密实，与空气隔绝，钢纤维一般不发生锈蚀现象。露于混凝土表面或在裂缝宽度超过0.25mm时，跨接在裂缝处的钢纤维，易发生腐蚀现象。§§§2§222----222钢纤维混凝土的特性2钢纤维混凝土的特性国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究，现归纳如下：钢纤维混凝土中随机分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期,水泥基料与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。2-2-1强度和重量比值增大钢纤维的加入显著提高了基体混凝土抵抗外力作用的能力，从而获得了良好的增强效果。这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。2-2-2具有较高的抗拉、、、抗弯、抗弯、、、抗剪和抗扭强度、抗剪和抗扭强度钢纤维的掺入对混凝土抗压强度的影响较小，一般提高幅度在15%左右，但在混凝土中掺入1%~2%（体积比）的钢纤维，其抗拉强度能提高25%~50%，抗折强度提高40%~80%，用直接双面剪试验测定的抗剪强度能提高50%~100%。2-2-3抗冲击性能增强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。2-2-4抗裂性能高钢纤维均匀分散于基体混凝土中，减少因荷载在基体混凝土引起的细裂缝端部的应力集中，从而控制混凝土裂缝的扩展，提高整个复合材料的抗裂性。2-2-5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%。2-2-6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。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106次时，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次时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。2-2-7耐久性能显著提高钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外，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。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约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CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性，暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑，内部钢纤维未锈蚀，不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后，锈蚀层体积膨胀而将混6 河北工业大学工程硕士学位论文凝土胀裂。美国对钢纤维混凝土与普通混凝土力学性能比较的试验结果见表2.1：表2.1RC与SFRC性能比较Table2.1TheperformancecomparisonbetweenRCandSFRC物理力学性质指标普通钢筋混凝土RCSFRC极限抗弯拉强度2－5.5MPa5－26MPa极限抗压强度21－35MPa35－56MPa抗剪强度2.5MPa4.2MPa4444弹性模量2×10－3.5×10MPa1.5×10－3.5×10MPa热膨胀系数9.9－10.8m/m·k10.4－11.1m/m·k抗冲击力480N·m1380N·m抗磨指数12抗疲劳限值0.5－0.550.80－0.95抗裂指标比17韧性110—20耐冻融破坏指标数11.9§§§2§222----333钢纤维混凝土3钢纤维混凝土对对对钢纤维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长度、直径（等效直径）及长径比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维长度太短不起增强作用，太长施工较困难，影响拌合物的质量，直径过细在拌合过程中被弯折，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15~60mm，直径或等效直径为0.3~1.2mm，长径比在30~100的范围內选用，其增强效果和施工性能满足要求。如超出上述范围，经试验在其增强效果和施工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，对不同类别钢纤维混凝土结构，提出常用的钢纤维几何参数选用范围，列于表2.2。钢纤维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0.5%为最小体积率。钢纤维体积率超过2%时，拌合物的和易性变差，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施工措施，在保证质量和增强效果的情况下，可将钢纤维体积率增大。表2.2钢纤维几何参数选用Table2.2Thechoicesofsteelfibergeometryparameter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25-600.3-1.230-100框架抗震节点40-600.4-1.250-100铁路轨枕20-300.3-0.650-70喷射钢纤维混凝土15-250.3-0.530-60根据国内外工程和应用经验，不同的钢纤维混凝土结构工程，常用体积率选用范围列于表2.3。选7 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究用时根据钢纤维的性能、结构对增强效果的要求，以及经济合理的原则选定。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。表2.3钢纤维体积率选用范围Table2.3Thescopesofsteelfibervolumerateselection钢纤维混凝土结构类别钢纤维体积率(%)钢纤维混凝土结构类别钢纤维体积率(%)一般浇筑成型的结构0.5-2.0铁路轨枕刚性防水屋面0.8-1.2局部受压构件、桥面、预1.0-1.5喷射钢纤维0.5-1.5制桩、桩顶、桩尖8 河北工业大学工程硕士学位论文第三章钢纤维混凝土的机理分析§§§3§333----1111钢纤维混凝土的破坏形态及其分析钢纤维混凝土的破坏形态及其分析钢纤维混凝土有许多优于普通混凝土的性能，尤其适合应用于复杂结构中，如机场道面、公路及桥梁面层、墙壁、隧道衬砌及受气蚀冲击的船闸输水廓道等方面。这些结构受力复杂，要知道钢纤维在这些结构中的有效性，必须了解钢纤维混凝土的破坏形态。3-1-1钢纤维混凝土双向受压的试验研究重庆交通学院的成厚昌、郑银功教授对此进行了试验研究。3-1-1-1制作试件用20cm×20cm×5cm的方形板作为试件，材料选用32.5MPa水泥，砂为中砂，碎石最大粒径15mm，钢纤维采用熔抽钢纤维，纤维长度为25mm，35mm和45mm3种，纤维含量为ρf＝0，1.2％，1.8％，等效直径为0.6mm。采用的配合比如表3.1。表3.1试件材料的配合比Table3.1Themixtureratiooftestsamplematerials333纤维含量ρf水灰比W/C砂率％水泥用量(kg/m)砂（kg/m)石子（kg/m）00．4840350829．41244.11．2％0．4845380825．21008.61．8％0．4850420887．5887.5试件用钢模成型，振动台振动密实，24h拆模，水中养护一周，然后自然养护一周，28d后试验。3-1-1-2加载速率及应力比选择对钢纤维混凝土试件进行试验时，以最大主应力为准，加载速度每分钟1.0MPa，试验过程中，选择了三种应力比α，即α＝0，0．2，0．5。3-1-1-3破坏形态图3.1ρf＝0，α＝0素混凝土试件单轴受压破坏模式Fig3.1Destructionpatternofplainconcretetestsampleunderthepressureofsingleaxlewhenρf＝0，α＝0图3.1为钢纤维含量ρf＝0和应力比α＝0，即素混凝土试件单轴受压破坏时的示意图。试件破坏是由在自由面形成基本平行于主压应力方向的裂缝造成。因为在主压应力的作用下，在垂直于主压应力方向的其他两个方向产生拉应变，当其达到混凝土最大拉应变时，混凝土试件便破坏，破坏呈劈裂式。9 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究图3.2为ρf＝0和α＝0.2，即素混凝土试件在应力比α＝0.2的双轴受压破坏时的示意图。试件破坏是沿着与混凝土板面平行的方向发生贯通裂缝的劈裂脆性破坏。图3.3为ρf＝1．2%和α＝0，即钢纤维混凝土试件单轴受压破坏时的示意图。试件破坏呈现多个断裂面，这些断裂面与板中心轴成16°至25°角度。即破坏呈断裂塑性形式。图3.4为ρf＝1．2%和α＝0．2，即钢纤维混凝土试件双轴受压破坏时的示意图。试件破坏呈现一个或两个断裂面，且断裂面相对于板面约成13°至26°角度。破坏呈断裂塑性形式。图3.2ρf＝0，α＝0.2素混凝土试双轴受压破坏模式Fig3.2Destructionpatternofplainconcretetestsampleunderthepressureofdoubleaxlewhenρf＝0，α＝0图3.3ρf＝1.2%，α＝0钢纤维混凝土试件单轴受压破坏模式Fig3.3Destructionpatternofsteelfiberconcretetestsampleunderthepressureofsingleaxlewhenρf＝1.2%，α＝0图3.4ρf＝1.2％，α＝0.2钢纤维混凝土试件双轴受压破坏模式Fig3.4Destructionpatternofsteelfiberconcretetestsampleunderthepressureofdoubleaxlewhenρf＝1.2%，α＝0.23-1-2试验结果分析3-1-2-1钢纤维混凝土的破坏机理10 河北工业大学工程硕士学位论文试验发现，钢纤维混凝土开裂后的变形主要取决于钢纤维与凝胶体间的粘结滑移特性。随着钢纤维在开裂面上的脱粘拔出或纤维在开裂面上被逐渐拉断，试件逐渐丧失承载力直至破坏。试验还发现，纤维长度为25mm的试件破坏时，钢纤维在断裂面处都是被拔出的；纤维长度为45mm的试件破坏时，较多钢纤维在断裂面处是被拉断的。钢纤维不管是被拔出还是被拉断，试件开裂后尚能保持一定的承载力。美国学者TomasT．C．Hsu在素混凝土和钢纤维混凝土的静载受压试验中，同样观察发现到劈裂脆性破坏出现在素混凝土中，断裂塑性破坏出现在钢纤维混凝土中。根据ThomasT．C．Hsu的试验研究，混凝土在浇注和振捣过程中，新鲜混凝土砂浆中的水会从底部向上渗出。向上渗出的水集中在粗骨料颗粒底面，在凝胶体和骨料之间形成间隙或孔隙。这些初始裂痕潜伏在与浇注方向相垂直的一些平面上。如图3.5所示。可知，混凝土试件的初始裂痕各向异性是它的一种固有特性。单轴受压试验中，由于泊松效应，在垂直于荷载作用的方向上引起拉应变，该应变的方向也与试件的渗水裂痕相垂直。在素混凝土情况下，初始裂痕很容易迅速开展形成主裂缝而呈现图3.1的劈裂脆性破坏模式。然而在掺有钢纤维的混凝土中，纤维阻滞了裂缝开展过程，致使破坏呈现图3.3的断裂塑性破坏模式。图3.5渗水引起的初始裂痕Fig3.5Theinitialfissurecausesbyseeping在双轴受压试验中，与混凝土浇注方向相垂直的平面中渗水裂痕的发展趋势受到约束。此时，渗水裂痕不再是凝胶体初始裂缝的主要原因，因为渗水裂痕受到压应力的约束，迫使裂缝沿着混凝土板面平行的方向发生。在素混凝土情况下呈现图3.2的劈裂破坏模式，在钢纤维混凝土情况下呈现图3.4的断裂破坏模式。试验观察及分析表明：钢纤维混凝土的破坏机理与素混凝土的不同。这显示了钢纤维在混凝土中的有效性和钢纤维混凝土的实用性。3-1-2-2钢纤维对混凝土强度及韧性的增强钢纤维混凝土开裂后纤维在阻滞裂缝扩展的同时，承担了由于开裂转移来的内力，这既提高了混凝土的强度，又增加了混凝土的韧性，使其破坏特征呈现塑性性质。1、极限强度得到明显提高表3.2给出了三种应力比和三种钢纤维含量下测得的平均极限强度值。从表中可以看出，混凝土在双轴受压时的破坏强度较单轴受压强度大，且随α的不同而变化。钢纤维混凝土的极限强度较素混凝11 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究土高得多，且随钢纤维含量ρf的增加而增大，因钢纤维含量不同，其最大提高值在1.26～1.51倍间变化。表3.2钢纤维混凝土的实测极限强度Table3.2Theactualterminalstrengthofsteelfiberconcrete钢纤维含量ρf%应力比α数量极限强度平均值MPa0425.400.2530.60.5532.80427.81．20.2535.90.5536.70434.41．80.2549.80.5550.92、韧性得到明显增加试验发现，混凝土中加入钢纤维后最大应变可以提高2.0～3.0倍。图3.6α＝0时应力-应变试验曲线Fig3.6Stress-straintestcurvewhenα＝0图3.7α＝0.2时应力-应变试验曲线Fig3.7Stress-straintestcurvewhenα＝0.212 河北工业大学工程硕士学位论文图3.8α＝0.5时应力-应变试验曲线Fig3.8Stress-straintestcurvewhenα＝0.5当α＝0时，纤维混凝土试件的应变变化范围是素混凝土的3.0倍。素混凝土试件的平均应变大约为1300με，当接近该应变时，与其垂直方向上的主裂缝形成，并使素混凝土试件呈现图1的劈裂破坏模式。然而在钢纤维混凝土中，由于主裂缝受到纤维的约束，带有裂缝的试件还可以继续承受一定的荷载直到纤维被拔出或被拉断为止。结果平均应变达到4000με，最大应变值高达8000με，如图3.6所示。当α＝0.2(双轴)时，纤维混凝土试件平均最大应变值大约是素混凝土试件的2.0倍，如图3.7所示。当α＝0.5时，纤维混凝土试件与素混凝土试件的最大应变值差别不大，如图3.8所示。这种情况说明混凝土中加入钢纤维引起破坏模式的变化与横向应力约束引起的变化类似，即钢纤维的被动阻力产生一种与裂缝外部压力相同的约束效果。§§§3§333----222钢纤维混凝土的增强机理2钢纤维混凝土的增强机理3-2-1理论支持尽管掺入混凝土基体中的钢纤维主要起增强、增韧作用，然而纤维对基体的增强理论至今未能满意地解决，仍以复合理论和纤维间距理论并存。复合理论是英国的Swamy,mangat等人研究脆性纤维增强延性基体材料(FRP)的增强理论时提出的，将复合材料基体的性能视为与复合前完全一样，此时按混合法则计算是可行的。将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。在基体和纤维完全粘结的条件下，并在基体和连续纤维构成的复合体上施加拉伸力时，该复合体的强度是由纤维和基体的体积比和应力所决定。纤维间距理论又称阻裂理论，是美国Rmualdi及其同事Batson等根据线弹性断裂力学而提出的，该理论认为纤维的增强作用仅与均匀分布的纤维间距(最小间距)有关：单位面积内的纤维数（n）越多亦即纤维间距越小，强度提高的效果也就越好。这两种理论并不能充分地解析纤维混凝土对基体增强，复合材料理论忽略了纤维对基体的阻裂作用，即忽略了复合带来的耦合效应；纤维间距理论最大缺点是忽略了纤维自身耦合作用，而片面地强调纤维的阻裂作用，并且起决定作用的纤维间距应为纤维理论间距。13 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究3-2-2钢纤维混凝土增强机理的试验研究在混凝土基体未开裂前，纤维与混凝土共同处于弹性状态，对材料的变形性能影响很小，但在基体开裂后处于裂纹面的纤维便发挥出其桥联阻裂性能，使材料具有较高的裂后强度、抗拉韧性等。为了对纤维混凝土增强机理进行研究，获得钢纤维混凝土的受拉全过程曲线，清华大学的董振英博士作了相关试验研究。在工程实践过程中，由于施工技术及经济条件的限制，SFRC中纤维体积掺率一般不超过2%，而大部分工程实例中，纤维掺量都在1%左右。为此，设计了轴拉SFRC材料试验，纤维掺量取1%，并采用不同种类的纤维增强形式，进行对比分析。3-2-2-1试验内容试验用水为生活用自来水。水泥为42.5号普通硅酸盐水泥。砂为细河砂，筛除粒径大于5mm的颗粒，粗骨料采用最大粒径为20mm的碎石。钢纤维共采用4种形式，见表3.3。轴拉试件尺寸为100mm×100mm×300mm，每组浇注试块4个，共4组(包括4种纤维).混凝土配合比为：水∶水泥∶砂∶石=0.42∶1∶1.5∶2.0。试件养护28d后取出，采用切割机把两端面切平，试件长度为24cm左右。试件端面采用环氧树脂与拉头胶结，并分别采用4个引伸计测量试件的拉伸变形，引伸计均连接在试件的上下拉头上，以确保其破坏面在引伸计测量范围内。4个引伸计中示值最大的通道作为试验机的控制信号。应变初始加载速率为8με/min，在软化段后期，应变到达1000με时，加载速率提高至50με/min。从试验结果来看，提高加载速率前后，相应荷载略有提高，但对整段曲线的发展趋势影响很小。表3.3纤维品种Table3.3Thevarietiesoftextilefiber纤维形状尺寸序号纤维品种生产厂家特点描述mm×mm×mm1HAREX铣削型上海HAREX金属制品有限公司32×0.4×4三角形截面，扭曲型2DRAMIX弓形上海贝卡尔特金属制品有限公司60×1×1圆形截面，弓形体形3浙萧弓形浙江萧山金属丝厂30×0.5×0.5圆形截面，弓形体形4武东波浪型武汉东洲钢纤维发展有限公司30×0.8×0.8菱形截面，波纹体形图3.9典型的轴拉应力-应变曲线Fig3.9Typicalaxistensilestress-straincurve14 河北工业大学工程硕士学位论文3-2-2-2试验结果典型的轴拉试验结果见图3.9。从图中4种钢纤维混凝土的典型拉伸应力-应变曲线可以看出：在轴拉条件下，1%掺量的钢纤维远远没有达到使混凝土材料实现应变强化的地步，大部分试验曲线都在达到峰值后，出现荷载骤降段。但是，随着变形的增加，有两条曲线有明显的第二峰值出现，而另外两条则没有，正是根据这种现象，可以将其分为增强和增韧两大类钢纤维混凝土，有第二峰值的为增韧类，无第二峰值的为增强类。根据这种分类方法，将测得的SFRC的抗拉强度列于表3.4，极限拉应变列于表3.5。表3.4SFRC极限抗拉强度(单位：MPa)Table3.4TheterminaltensilestrengthofSFRC(unit:MPa)分类钢纤维名称峰值序号试件1试件2试件3试件4平均值11.861.711.871.851.82HAREX2/////增强型11.961.411.89/1.75武东2/////11.520.801.671.511.56DRAMIX2/1.221.651.431.54增韧型11.331.931.50/1.59浙萧21.171.321.28/1.26-6表3.5SFRC极限抗拉应变(×10ε)-6Table3.5TheterminaltensilestrainofSFRC(×10ε)分类钢纤维名称峰值序号试件1试件2试件3试件4平均值11069288119101HAREX2/////增强型111787118/107武东2/////110066130111114DRAMIX2/2034125314581355增韧型1134132107/124浙萧25881196744/843通过比较试验结果，可以得出以下结论：增强类钢纤维混凝土比增韧类钢纤维混凝土的强度平均提高13%；而由基本开裂至裂缝宽度为0.5mm区间(相应的应变约2000με)的断裂能积分则显示：增韧类钢纤维混凝土比增强类钢纤维混凝土的断裂能平均提高20%。由表3.5还可以看出，大部分SFRC第一峰值对应的极限拉应变值与素混凝土相当，在100με左右，这说明低含率纤维的掺入对提高混凝土的极限拉应变作用不很明显。而增韧类SFRC第二峰值对应的应变则大大提高，可达1000με，由此可知第二峰值的出现大大提高了材料的韧15 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究性。DRAMIX型纤维因为长度是其它三种纤维长度的2倍，其断裂韧性更好，在试验曲线中可以看出在应变达到后，其荷载强度仍然保持较高水平，直到10000με应变时荷载仍可保持其峰值水平的50%左右。3-2-2-3钢纤维作用机理分析试验过程中，在基体开裂后，试件的拉伸变形主要来自初始裂缝的不断张开，在断裂面处SFRC通过纤维继续把载荷传递给未开裂的部分，这样，材料的力学性能就完全取决于纤维与基体界面的结合强度。随裂缝不断张开，纤维桥联纤维也不断被拔出，基体在阻碍纤维拔出的过程中，主要靠纤维-基体界面间的粘结力(包括粘着与剪摩约束两种作用)及纤维的异形造成的机械抗力。HAREX纤维由于是铣削工艺制作的，表面粗糙，而武东纤维的波纹状体形也相当于增大了纤维拔出过程中的摩擦，故在这两种纤维拔出过程中，摩擦力(包括动摩擦与弹性剪摩约束两种作用)起主要阻抗作用；而DRAMIX和浙萧纤维两种弓形纤维，由于其存在的弯钩段，在纤维拔出过程中又额外提供了机械抗力。而且该作用力是在拔出后期起主要作用的，所以该类SFRC在破坏后期能够表现出较大的韧性。从试验结果来看，(1)按照纤维作用机理的不同，可以把SFRC划分为增强和增韧两大类；(2)通过增大纤维与基体的摩擦作用，可以提高纤维混凝土初裂时的承载力；而通过弯钩等异型纤维，可以提高纤维混凝土的后继承载力，有利于SFRC韧性的提高。16 河北工业大学工程硕士学位论文第四章钢纤维混凝土的配合比设计§§§4§444----1111钢纤维混凝土原材料技术性能钢纤维混凝土原材料技术性能本文旨在对钢纤维混凝土采用本地施工材料呈现的特性、施工及质量控制等方面进行研究，为钢纤维混凝土这种新材料在本地区的推广与应用提供理论及工程实践上的依据。邢昔线邢台段地处邢台西部山区，道路建筑材料料源丰富。经过对钢纤维混凝土的特性及机理进行研究、认识后，决定在石槽中桥铺设试验段，进而在西店大桥桥面中应用。设计文件规定桥面铺装的控制标准为：弯拉强度5.5Mpa，抗压强度≥40Mpa。据此，我们对原材料作了挑选、检验。4-1-1钢纤维综合经济、性能等各方面考虑，选用浙江嘉兴华盛钢纤维有限公司产剪切异型直纹钢纤维，规格为30.5mm×0.5mm×25mm，长径比为50，密度6.8g/cm。表面洁净，无锈无油，满足《混凝土用钢纤维》（YB/T151）、《公路水泥混凝土纤维材料钢纤维》（JT/T524-2004）等标准的技术要求。其主要性能见表4.1。表4.1钢纤维主要性能表Table4.1ThemainperformancetableofSteelfiber规格抗拉强度类型材质型号形状MPa长度/mm等效直径/mm长径比Q215剪切异型HS-04直纹形250.550≥6004-1-2水泥水泥在钢纤维混凝土中是一种胶结材料，与水拌合形成水泥浆，具有很高的粘结力，它把砂、石和钢纤维胶结成一个整体，经凝结硬化，形成具有一定强度的钢纤维混凝土。因此水泥是钢纤维混凝土的重要组成材料。本试验选用临近地区邯郸产“太行山”牌P.O42.5R水泥。依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）检验，水泥各项技术指标如表4.2。表4.2“太行山”牌P.O42.5R水泥实测技术指标Table4.2TheactualtechnicalindexofP.O42.5Rcementinsignof“Mt.Taihang”标稠用弯拉强度/MPa抗压强度/MPa水泥等级细度安定性初凝终凝水量3d28d3d28dP.O42.5R1.50%26.4%合格135min217min6.39.033.755.1根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）等标准，所用水泥满足其技术要求。见附录A。17 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究4-1-3粗集料粗集料是组成钢纤维混凝土的骨架材料。钢纤维混凝土所用粗集料料，通常选用碎石。因碎石的颗料表面较粗糙，富有棱角，能产生良好的机械嵌锁作用，与水泥浆有较强的粘结力。钢纤维混凝土所用粗集料粒径，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。因此，我们采用当地太子井产4.75~9.5mm、9.5~19mm碎石进行掺配，依据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）进行检验，其结果如表4.3、表4.4。表4.3太子井碎石筛分检验结果（累计筛余%）Table4.3Thescreeningexaminationresultsofcrushedstoneincrownprincewell(accumulationtriage%)筛孔尺寸mm26.519.016.09.504.752.36粒级mm9.5~1908.258.894.61004.75~9.5014.198.2100合成级配04.935.362.499.3100表4.4太子井碎石物性指标检验结果Table4.4Thenaturalindexexaminationresultsofcrushedstoneincrownprincewell项目振实密度表观密度针片状含量含泥量空隙率压碎值33粒级mmkg/mg/cm%%%%9.5~1915582.7174.50.242.710.34.75~9.515982.7138.60.441.1根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）等标准，所用太子井碎石各指标满足其技术要求（见附录A）。经计算，其掺配比为：9.5~19mm碎石占60%，4.75~9.5mm碎石占40%，合成级配见表4.3。4-1-4细集料细集料应采用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂、机制砂或混合砂，用于填充碎石或砾石等粗骨料的空隙并共同组成钢纤维混凝土的骨架。砂的粗细程度用砂的细度模数表示。砂的细度模数对钢纤维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，在保证钢纤维混凝土强度相同时，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混凝土强度为高。此外，当钢纤维混凝土的拌合料和易性相同时，细砂混凝土的拌合料需水量较多，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，配制钢纤维混凝土的砂宜18 河北工业大学工程硕士学位论文用中粗砂。试验所用砂取自附近白马河天然河砂，依据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）进行检验，其结果如表4.5、表4.6。表4.5砂筛分检验结果Table4.5Thescreeningexaminationresultsofsands筛孔尺寸mm9.504.752.361.180.600.300.15累计筛余%010.818.726.950.588.496.6细度模数MX=2.54由筛分结果知，该砂为中砂，符合Ⅱ区级配。表4.6砂物性指标检验结果Table4.6Thesubstancenaturalindexexaminationresultsofsands33项目堆积密度kg/m表观密度g/cm含泥量%泥块含量%空隙率%检验结果14402.6602.30.945.9拟用砂各项指标满足《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）等标准细集料技术要求（见附录A）。4-1-5水水水试验所用水为饮用水。4-1-6外加剂在钢纤维混凝土拌合过程中，为了改善拌合料的和易性、减少水泥用量或提高强度，可掺入一定量的外加剂。本试验采用河北混凝土外加剂厂生产的DH4BG高效缓凝减水剂，其技术指标如表4.7：表4.7DH4BG型高效缓凝减水剂Table4.7ThehighlyeffectivewaterreducingagenttoslowcongealsofDH4BG检验项目企业标准检验结果检验项目企业标准检验结果减水率/%≥1619.81d≥180205泌水率/%≤9079抗压强度比3d≥170195%含气量/%≤2.01.67d≥150166凝结初凝＞+90+9828d≥130148区间min终凝——收缩率/%28d≤130125对钢筋锈蚀无无作用注：检测掺量为1.0%19 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究§§§4§444----222钢纤维混凝土配合比设计的要求和特点2钢纤维混凝土配合比设计的要求和特点钢纤维混凝土配合比的设计，应根据对钢纤维混凝土的使用要求和钢纤维混凝土配合比的特点进行合理的设计。4-2-1钢纤维混凝土配合比设计的要求钢纤维混凝土配合比设计的目的是将其组成材料，即钢纤维、水泥、水、粗细骨料及外掺剂等合理的配合，使所配制的钢纤维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。对路(桥)面工程一般应满足抗压强度和弯拉强度的要求。本试验设计弯拉强度frf为5.5Mpa，配制28天弯拉强度fcf由式4.1计算为6.6Mpa。fcf=frf/(1-1.04Cv)+ts(4.1)式中：fcf——配制28d弯拉强度的均值（MPa）；frf——设计弯拉强度标准值（MPa）；s——弯拉强度试验样本的标准差（MPa）；t——保证率系数；Cv——弯拉强度变异系数。以上参数取值按《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）确定。设计抗压强度fcu≥40Mpa，抗压试配强度可按式4.2计算，为49.9Mpa。fcu=f+Zσ（4.2）式中：fcu——配制28d抗压强度的均值（MPa）；f——设计抗压强度标准值（MPa）；Z——保证率系数。按95%保证率考虑，Z取1.645；σ——抗压强度标准差（MPa）。取σ=6.0Mpa。2.配制成的钢纤维混凝土拌合料的和易性应满足施工要求。本试验设计坍落度SL=25～50mm。3．经济合理。在满足工程要求的条件下，充分发挥钢纤维的增强作用，合理确定钢纤维和水泥用量，降低钢纤维混凝土的成本。4-2-2钢纤维混凝土配合比设计的特点钢纤维混凝土的配合比设计与普通水泥混凝土相比，其主要特点是：1.在水泥混凝土的拌合料中掺入钢纤维，主要是为了提高混凝土的抗弯、抗拉、抗疲劳的能力和韧性，因此配合比设计的强度控制，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，确定拌合料的配合比，以充分发挥钢纤维混凝土的增强作用。2．配合比设计时，应考虑使掺入拌合料中的钢纤维能分散均匀，并使钢纤维的表面包满砂浆，以保证钢纤维混凝土的质量。3．在拌合料中加入钢纤维后，其和易性有所降低。为了获得适宜的和易性，有必要适当增加单位用水量和单位水泥用量。20 河北工业大学工程硕士学位论文§§§4§444----333钢纤维混凝土配合比正交试验设计3钢纤维混凝土配合比正交试验设计钢纤维混凝土配合比设计是建立在钢纤维混疑土拌合料的特性及其硬化后的强度基础上的。影响钢纤维混凝土性能的因素较多，如混凝土的水灰比、水泥用量、粗骨料的最大粒径、砂率、钢纤维的长径比、外观尺寸及表面形状、体积率以及混凝土搅拌工艺和浇筑方法等。因此，要按常规的试验方法在较短时间内来确定既符合设计和施工要求又经济合理的混凝土施工配合比是有一定困难的。正交试验设计是一种可用较少的试验次数，安排多个试验因素，运用规定的统计分析方法,，找出影响因素的主次排列和最佳组合的科学方法。运用正交试验法，通过对影响钢纤维混凝土性能的有关因素和最佳组合进行分析、研究，在保证工程质量，施工方便和经济合理的前提下，在通过复验的基础上，提出生产用的钢纤维混凝土施工配合比。4-3-1因素与水平桥面铺装层钢纤维混凝土配合比设计应满足设计要求的抗压强度、弯拉强度和施工要求的均匀性及施工和易性。影响配合比的主要因素是钢纤维体积掺率、砂率、水灰比。根据工程的要求和材料现状，经过初步分析计算，我们选择钢纤维体积率ρf、钢纤维混凝土砂率Spf及水灰比三项内容作为这次正交设计试验的影响因素，每个因素各制定三个水平，其因素与水平表见表4.8。（附录A）表4.8正交试验的因素与水平表Table4.8Thefactorandleveltableoforthogonalexperiment因素A钢纤维体积率ρfB砂率SpfC水灰比水平10.6%40%0.4021.0%45%0.4331.5%50%0.454-3-2正交试验设计安排4根据表4.8制定的三个因素三个水平的情况，我选择L9(3)正交试验设计安排表进行试验，正交试验设计安排见表4.9。4表4.9L9(3)正交试验设计安排4Table4.9ThedesigningarrangementofL9(3)orthogonalexperimentA钢纤维体积率ρf/%B砂率Spf/%C水灰比W/C/%试验号列号用量列号用量列号用量①10.614010.40②10.624520.43③10.635030.45④21.014020.43⑤21.024530.45⑥21.035010.40⑦31.514030.45⑧31.524510.40⑨31.535020.4321 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究本试验中其他参数情况：⑴高效缓凝减水剂掺量1.0%。3⑵单位用水量W0f：根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）取200kg/m，考虑3减水剂的减水率，经试验确定W0f=175kg/m。用水量是决定施工和易性的关键，在考虑钢纤维混凝土和易性时，不能像普通混凝土一样只考虑坍落度。钢纤维混凝土在振捣前后工作性能相差很大，应以维勃稠度VC（s）来考虑其工作性。4-3-3试验结果及分析按表4.9安排进行试验。试验采用HJW-30单卧轴强制式混凝土搅拌机，按规定精度进行称量。先将碎石、钢纤维掺拌均匀，再加入砂、水泥干拌1分钟，最后加入规定的水和外加剂湿拌2分钟。按《钢纤维混凝土试验方法》CECSl3：92标准检验混合料的和易性、坍落度，制作试件,静停24h后折模进行标准养护（温度20±2℃，湿度≥90%），养护龄龄期为7d和28d。采用SYE-300型数显式抗折抗压试验机、YE-2000液压式压力试验机对试块进行弯拉及抗压破型试验，采集试验数据。试验结果列于表4.10。表4.10正交设计试验结果Table4.10Theresultsoforthogonaldesigntest试验编号①②③④⑤⑥⑦⑧⑨坍落度mm40456545502550203528d抗压强度Mpa58.247.144.254.546.658.646.959.249.928d弯拉强度MPa7.26.46.26.96.57.67.48.97.8对上述正交设计试验的结果进行统计分析，考核钢纤维体积掺率、砂率及水灰比对钢纤维混凝土的和易性、抗压强度和弯拉强度指标的影响程度及各种材料的最佳组合，为下一步确定施工配合比提供依据。本试验结果极差分析表见表4.11。K1这一行的3个数，分别是因素A、B、C的第1水平所对应的指标之和，K2这一行的3个数，分别是因素A、B、C的第2水平所对应的指标之和，K3这一行的3个数，分别是因素A、B、C的第3水平所对应的指标之和。κ1、κ2、κ3这3行的3个数，分别是K1K2K33行中的3个数除以3所得的结果，即各水平所对应的平均值。同一列中，κ1、κ2、κ33个数中的最大值减最小值之差为极差。极差越大，说明这个因素的水平改变对试验指标影响越大。4-3-3-1和易性分析从表4.11坍落度的极差分析结果来看，影响钢纤维混凝土坍落度的主次顺序为：水灰比(C)→钢纤维的体积掺率(A)→混凝土的砂率(B)，它们间的最佳组合为：C3A1B1。也就是说，在一定条件下，水灰比仍然是影响钢纤维混凝土和易性的首要因素，其次就是钢纤维体积率。赵国藩等在《钢纤维混凝土结构》中分析认为：钢纤维在混凝土中形成网络结构，加上纤维表面积大，使拌合料内部摩阻力增加，阻碍了拌合物的流动，随钢纤维的长径比及表面粗糙程度的增加、掺量的提高，更不利于拌合物的流动，使混凝土坍落度降低，和易性变差。甚至出现纤维结团，分布不均及纤维堆积等现象，给试验和施工带来困难，并影响混凝土质量。水泥砂浆在混凝土拌合物中起到填空和润滑作用。在水泥浆量一定的情况下，随着水泥砂浆量的增加，拌合物和易性有所提高。在试验中，我们发现水泥用量少和砂率低的混凝土拌合物，钢纤维均有堆22 河北工业大学工程硕士学位论文积或离析现象。因此，钢纤维混凝土中的砂浆量不能太少，应保持一定数量，才能保证钢纤维混凝土的和易性。4-3-3-2抗压强度分析从表4.11抗压强度极差分析结果中可以看出，影响钢纤维混凝土抗压强度的排序为：水灰比(C)→钢纤维的体积率(A)→混凝土砂率(B)，其最佳组合为C1A2B1。影响钢纤维混土抗压强度的主要因素仍然是水灰比，而钢纤维的体积率对混凝土的抗压强度不是主要影响因素，这说明钢纤维掺入混凝土之后，抵抗受压过程中的横向膨胀，对推迟混凝土的破坏过程有利；当基体强度过低时，钢纤维与混凝土表面的粘结差，特别是当钢纤维掺量增大时，反而增加了界面的弱面，阻碍混凝土的抗压强度不能提高。表4.11正交试验结果极差分析Table4.11ThedifferenceextremelyanalyzesoforthogonaltestresultsA钢纤维体积率ρfB砂率Spf坍落度28d强度/MPa试验号%%C水灰比mm抗压弯拉①1（0.6）1（40）1（0.40）4058.27.2②1（0.6）2（45）2（0.43）4547.16.4③1（0.6）3（50）3（0.45）6544.26.2④2（1.0）1（40）2（0.43）4554.56.9⑤2（1.0）2（45）3（0.45）5046.66.5⑥2（1.0）3（50）1（0.40）2558.67.6⑦3（1.5）1（40）3（0.45）5046.97.4⑧3（1.5）2（45）1（0.40）2059.28.9⑨3（1.5）3（50）2（0.43）3549.97.8K115013585K2120115110K3105125165坍κ1504528落κ2403837度κ3354255极差15727优方案C3A1B1K1149.5159.6176.0K2159.7152.9151.5K3156.0152.7137.7抗压κ149.853.258.7强κ253.251.050.5度κ352.050.945.9极差3.42.312.8优方案C1A2B1K119.821.523.7K221.021.821.1K324.121.620.1弯κ16.67.27.9拉强κ27.07.37.0度κ38.07.26.7极差1.40.11.2优方案A3C1B223 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究因此，影响钢纤维混凝土抗压强度的主要因素仍和普通混凝土一样，是水泥强度、水灰比及粗、细集料的性能等因素起主导作用，而不是钢纤维的掺量。4-3-3-3弯拉强度分析从表4.11钢纤维混凝土弯拉强度极差分析结果可知，影响钢纤维混凝土弯拉强度的主次顺序为：钢纤维体积率(A)→水灰比(C)→砂率(B)，其最佳组合为A3C1B2。也就说，对钢纤维混凝土的弯拉强度而言，钢纤维体积率是影响混凝土弯拉强度的主要因素。钢纤维的弹性模量高于混凝土的弹性模量从而延缓了混凝土的开裂；另一方面，由于钢纤维的存在，使混凝土开裂以后构件不至于立即发生脆性破坏。试验结果也表明，钢纤维体积率≤2%时，钢纤维混凝土的弯拉强度随着钢纤维掺量的增加而提高。图4.1各因素水平对指标变化的影响Fig4.1Theinfluenceofvariousfactorsleveltoindexchange24 河北工业大学工程硕士学位论文4-3-4施工配合比的确定采用综合平衡法分析钢纤维混凝土各组成材料用量对混凝土各项指标的影响，找出最佳配合比。各指标随因素的水平变化如图4.1所示：4-3-4-1水灰比对各指标的影响从表4.11看出，对抗压强度和坍落度来讲，水灰比的极差都是最大的，即水灰比是最大的影响因素，从图4.1看出，取0.40时抗压强度最好，但坍落度最低；取0.45时坍落度最高，但抗压强度最底，综合考虑抗压强度、坍落度两项指标，选取该因素第二个水平0.43，所对应的抗压强度、坍落度、弯拉强度三项指标均满足设计要求。4-3-4-2砂率对各指标的影响从表4.11看出，对三个指标来说，砂率的极差都不是最大的，即砂率不是最大的影响因素，是最不显著的因素。从图4.1看出，砂率取40%时，对抗压强度和坍落度来说，两项指标均最好，而弯拉强度在砂率取45%最高。对三个指标综合考虑，砂率取40%~45%中值43%为宜。4-3-4-3钢纤维体积率对各指标的影响从表4.11看出，对弯拉强度来讲，钢纤维体积率的极差最大，即钢纤维体积率是最大的影响因素。从图4.1看出，显然以取1.5%最好。当钢纤维体积率取1.0%时，抗压强度最大，坍落度指标居中，弯拉强度居中，三项指标值均满足设计及施工要求（弯拉强度、抗压强度的配制强度分别为6.6Mpa、49.9Mpa，施工设计坍落度25～50mm）。当钢纤维体积率取0.6%时，抗压强度、弯拉强度均为低值，但也基本满足设计及施工要求，坍落度指标值最高。从降低成本、节约资金，同时保证工程质量的角度来说，钢纤维体积率取1.0%，即可满足各方面指标要求。通过各因素对三个指标影响的综合分析，得出较合理的试验方案为表4.12：表4.12试验方案Table4.12TheschemeoftestC2水灰比第2水平0.43B1~2砂率第1、第2水平中值43%A2钢纤维体积率第2水平1.0%结合工程设计、施工条件及材料的状况，本着保证质量，便于施工和经济合理的原则，在初步选出试验室配合比基础上，经过复验，最后确定钢纤维混凝土施工配合比，见表4.13表4.13桥面铺装层钢纤维混凝土施工配合比Table4.13Theconstructionassortratioofsteelfiberconcreteflooringlevelinbridge3单位用量/（kg/m）坍落度抗压强度/MPa弯拉强度/MPa外加剂水泥中砂碎石水钢纤维mm7d28d7d28d4077741026175681%4539.550.45.66.94-3-5小结根据对钢纤维混凝土进行试验及结果分析，结论如下：4-3-5-1影响钢纤维混凝土性能的因素很多，运用正交试验设计法进行配合比设计、试验和分析，可用较少的试验次数，找出各影响的主次顺序和各因素的最佳组合，是多快好省进行施工配合比设计、试验的科学方法。25 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究4-3-5-2钢纤维的掺量即体积率和水灰比，是影响钢纤维混凝土强度和坍落度的主要因素，合理选择钢纤维的品种规格和掺量，合理选择水灰比，对确保钢纤维混凝土强度，耐久性和工作性能至关重要，也是降低钢纤维混凝土成本的有效措施。4-3-5-3钢纤维在混凝土中的均匀分布，对充分发挥钢纤维混凝土的增强、增韧和阻裂作用十分重要，故在配合比设计时，除应考虑钢纤维的各项参数对混凝土均匀性影响外，还应重视混凝土基体各组成材料的相关参数(如粗骨料的最大粒径、砂率、水胶比及水泥砂浆的数量等)与钢纤维参数的合理匹配，才能保证钢纤维在混凝土中的均匀分布。26 河北工业大学工程硕士学位论文第五章钢纤维混凝土的施工及控制§§§5§555----1111施工工艺施工工艺石槽中桥位于邢昔公路邢台县西部山区，为晋煤东运必经之地。该桥全长89.85米，桥宽10米。上部结构为4-20m后张预应力空心板，轻型钢护栏；下部结构为双柱式桥墩，两端U型桥台，扩大基础。5-1-1施工准备5-1-1-1准备在浇筑空心板混凝土时同步预埋竖向锚筋，直径为￠12mm，间距按75cm×75cm分布。对桥面底层进行清凿整平，并用水冲刷干净。由于该桥为双向横坡，以桥面中轴线为界分两幅施工。测放桥面施工控制标高。按图纸设计精确地施放钢筋位置及间距，对于局部厚度小于设计要求的部位加铺钢筋网补强。为确保钢纤维混凝土施工时钢筋网安装位置准确且不沉底，钢筋网与锚筋连接要求每平米不少于5个撑点，并焊接牢固。模板采用12号角钢支设，并应支设稳固，接头紧密平顺，不得有离缝、错茬、不平等现象。模板侧面应涂隔离剂，桥面底层在浇筑前应洒水湿润。模板安装、钢筋网绑扎及架设时，严格保证纵横向的顺直度和坡度及顶部高程，并牢牢加固，不得跑模。严格检查钢筋网与结构层顶面的净距。在浇筑钢纤维混凝土之前，要准备80米长的（两道伸缩缝之间的距离）遮阳雨棚，预防突降大雨时急用。5-1-1-2检查检查拌和设备、运输设备、振捣机具和供电设备能否正常运转；检查桥面底板是否干净，钢筋绑扎、焊接是否到位；所支边模的标高要复核，位置要固定牢靠，防止浇筑振捣时出现跑模漏浆现象。5-1-2钢纤维混凝土的拌和及运输钢纤维混凝土的搅拌和运输是影响其整体质量的一个至关重要因素。施工中采用双卧轴强制式搅拌机拌和。为使钢纤维在混凝土中分散均匀，防止在搅拌中结团，施工时每次的拌和量不大于搅拌机额定生产量的80%。钢纤维混凝土搅拌顺序和方法以搅拌过程中钢纤维不产生结团和保证一定生产率为准，经现场搅拌试验确定，采用先干后湿二次投料三次搅拌法，投料顺序及搅拌时间如下：碎石+1/2钢纤维（分两次投入）→干拌1min→砂+水泥+1/2钢纤维→干拌1min→水+减水剂水溶液湿拌2min。总搅拌时间不超过6min，超搅拌会形成湿纤维团。一旦发现有纤维结团，就必须剔除掉，以防止因此而影响混凝土的质量。各种材料用量严格计量，本工程中矿料采用电子称称重，保证了混凝土的级配准确；同时严格控制水的用量，确保有足够的搅拌时间。出料保证颜色均匀一致，不离析泌水，钢纤维分布均匀，不结团。在运输过程中应保证混凝土不发生离析现象。本工程中混凝土拌和机置于施工桥头处，运距短，采用4辆三轮自卸车运送，运至施工地点进行浇筑时的卸料高度不应超过1.5m，以防混凝土离析。5-1-3钢纤维混凝土的浇筑及振捣钢纤维混凝土的浇筑和振捣与普通混凝土一样，是施工中的重要环节，直接影响钢纤维混凝土的整体性和致密性。27 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究钢纤维混凝土运至施工地点倾倒后用人工大致摊铺整平，摊铺系数按1.2~1.3控制，严禁抛掷和搂耙，防止混凝土拌和物离析。在摊铺过程中如发现有钢纤维结团现象，须及时用人工撕开、抖散或剔除，以免发生蜂窝。拌和料从搅拌机卸出到浇筑不宜超过40min。将振捣梁置两侧钢模板上开动震动电机，可用插入式振捣器及平板振动器配合振捣，人工配合再次整平。（由于钢纤维混凝土流动性较差，在边角处易产生蜂窝，边角部分可先用捣棒捣实。）振捣时间以混凝土停止下沉，不再冒出气泡并泛出水泥浆为准，不宜过振。振捣时注意振动器行程方向一致，避免钢纤维在振捣过程中结团，同时注意外露的钢纤维，要将竖起的钢纤维及石子压下去。振捣梁拖平后再用钢滚筒依次滚压，进一步提浆整平，整平的表面不得裸露钢纤维，表面下10~30mm深度内的钢纤维应基本处于平面分布状态。此后，立即用真空吸水泵吸除多余泌水，待混凝土初凝后终凝前表面无泌水时，再用圆盘式磨光机进行磨光整平。磨光应从一侧顺序进行，直至有稠浆出现。收浆后再用刮平板抹平1~2次，使表面平实，无干缩裂缝。经抹平修整的表面不得裸露钢纤维或留有浮浆，以确保桥面铺装平整度可用3m直尺检验。5-1-4钢纤维混凝土的养护由于试验段施工期为9月份，混凝土做面完毕后采用湿法养生，终凝后及时覆盖草苫，适当洒水保持潮湿，养护时间不少于7天。在此期间封闭交通，待强度测试达到设计要求时即可开放交通。5-1-5抗滑处理由于用压纹法和拉槽法难以达到抗滑构造构造深度要求，且易将钢纤维带出，我们采用刻纹法施工。待混凝土强度达到设计强度的50%后，用刻纹机横向刻纹，纹距25mm，纹宽3mm，纹深3mm。刻纹工艺可增加路面的构造深度，增大摩阻系数，对混凝土表面扰动程度小，同时还可避免用压纹机压纹时把钢纤维从混凝土中压出。5-1-6桥面切缝该桥面铺装由于纵向分幅施工，故不设纵向施工缝。横向在每个墩顶部设一道横向假缝，其它以15～20m间距设横向假缝，并与护栏基础的假缝对齐，缝宽3～5mm，缝深2.5cm。切缝在混凝土强度达到8～15Mpa时进行。切缝完成后用聚氨脂焦油灌缝。§§§5§555----222钢纤维混凝土施工质量控制2钢纤维混凝土施工质量控制5-2-1施工质量控制5-2-1-1加强原材料控制把好材料质量关，按频率要求检验原材料，这具有非常实际的意义，可以及早发现问题，及时采取措施。A．钢纤维的质量检验：一是对其尺寸形状的检验。钢纤维的长度偏差不应超过10%，以每批产品中随机抽取10根，用卡尺测其长度，偏差合格率不低于90%，10根长度的平均值同时满足偏差的要求。钢纤维的直径或等效直径平均值偏差不超过10%，对于圆形截面，以每批抽样10根，用卡尺测其直径，求得的平均直径值偏差满足要求，对于非圆形截面采用重量法则定其平均等效直径，以每批随机抽样100根，用天平测其重量，卡尺测其长度，求得的等效平均直径值满足规定。钢纤维的长径比偏差不超过10%，根据实测平均长度及实测平均直径或等效直径求得的长径比平均值偏差满足要求。钢纤维的形状合格率不小于90%。二是对钢纤维的抗拉强度检验。钢纤维的抗拉强度不得低于380mpa，当工程有特殊要求时可另行提出。以每批随机抽样10根进行抗拉强度试验，测得的平均值不得低于规定值，单根不得低于规定值的90%。三是对钢纤维的弯折性能检验。钢纤维应能经受沿直径为3mm钢棒弯折28 河北工业大学工程硕士学位论文90°不断，以每批随机抽样10根，每根沿直径为3mm钢棒的圆周用手工弯折90°一次，至少有9根不得断裂。四是对所含杂质的检验。钢纤维表面不得有油污，不得镀有有害物质和其他影响钢纤维与混凝土粘接的杂质或涂层。钢纤维内含有的因加工不良造成的粘接片，表面严重锈蚀的钢纤维，铁锈粉及杂质的总重量不得超过钢纤维总重量的1%。钢纤维产品应贮存在清洁、通风、干燥的库房内，不受雨水及有腐蚀作用物质侵蚀。B．其他原材料的检验：所用的水泥、水、粗细集料、外加剂等应符合现行有关标准和规范中关于混凝土所用原材料的规定。水泥存放注意防潮防湿，选用含泥量小的干净砂石料。拌制钢纤维混凝土不得采用海水和海砂。钢纤维混凝土拌和物中氯化物总含量对普通钢纤维和处于干燥环境或有防潮措施的配筋钢纤维混凝土，不得超过水泥用量的1%；对于处于潮湿而不含氯离子或潮湿而含氯离子环境中的配筋钢纤维混凝土分别不得超过水泥用量的0.3%和0.1%；对预应力钢纤维混凝土及处于易腐蚀环境中配筋钢纤维混凝土不得超过水泥用量的0.06%。钢纤维混凝土采用的粗细料粒径不易大于20mm或钢纤维长度的2/3。5-2-1-2施工过程控制钢纤维混凝土从原材料检验、配合比设计到拌和、浇筑，每一工序都须有专人负责。为保证混凝土的级配准确，采用电子称配料。重点对钢纤维混凝土的搅拌、钢纤维的投入以及混凝土振捣加强控制。钢纤维在使用前开袋抖散开，切不可成堆倒入，确保钢纤维在混凝土中分散均匀，以达到良好的力学性能。同时，在施工时严控立模的精度及模板的加固，注意各工序的衔接，有效地控制了桥面的平整度、厚度及构造深度等技术指标。由于使用DH4BG高效缓凝减水剂，拆模时间宜适当延长。5-2-1-3加强拌和物质量检验通过检查拌合物的和易性可直接反映拌合物施工质量控制的好坏。如果拌和物的坍落度或维勃稠度以及粘聚性、保水性有较大的波动时，通常是拌和料出现配料错误或砂石含水率发生较大的波动所造成的。因此经常在拌合机的出料口检查拌和料的和易性是钢纤维混凝土施工质量控制的一个重要环节。检查拌和料的水灰比，可以查知水灰比的变化情况，如果有较大的波动，要及时分析其原因并加以解决。严格控制水灰比，加大坍落度检验频率。搅拌机每盘拌和物的坍落度偏差控制在±10mm。还要检查混凝土拌和料中钢纤维是否分散均匀，有无结团现象。拌和物应均匀一致，有生料、干料、离析或外加剂、钢纤维成团现象的非匀质拌和物严禁使用。测定钢纤维的体积含量及钢纤维混凝土的密度和含气量，以便发现问题及时加以解决。钢纤维的称量每一工班至少检验二次；同时采用水洗法在浇筑地点取样检测钢纤维体积率，每工作班至少二次；水洗法检验钢纤维体积率的误差控制在配合比要求的钢纤维体积率的±15%。根据工程的性质和要求，分别进行抗压强度与抗拉强度或抗压强度与抗折强度试验，如果有特殊要求时尚应进行抗冻、抗渗等性能试验。强度检验的试件制作、数量以及对强度的评定参照现行有关混凝土工程施工验收规范及国家标准“混凝土强度检验评定标准”的规定进行。一般对每一工作日浇筑的混凝土制作1～3组试件进行标准养护和同条件养护（与桥面混凝土）。采用边长150mm的立方体试块为标准抗压试件；采用150m×150mm×550mm的小梁标准试件作弯拉强度试件，标准养护28天测定其强度。5-2-2施工质量评述在施工过程中，重点控制钢纤维混凝土拌和质量和钢纤维的投入与振捣三大环节，严格控制桥面铺装平整度、坍落度、高程、横坡等技术指标。由于措施得力，混凝土搅拌出槽后，纤维分散均匀，基本没有聚团现象，拌和物表现良好的保水性和粘聚性，特别是9月份气温达34℃左右施工未发现裂缝。桥面铺装各项技术指标优良。29 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究第六章钢纤维混凝土效益分析§§§6§666----1111效益分析效益分析邢峰（邢台-峰缝）公路白塔2号桥与该桥同期施工，桥面铺装混凝土强度等级相同，水泥品牌同为“太行山”P.O42.5R水泥，其技术指标及经济指标具有很强的可比性，主要指标对比如下：6-1-1钢纤维混凝土与普通混凝土力学性能比较主要力学性能比较见表6.1：表6.1普通混凝土和钢纤维混凝土力学性能比较Table6.1Themechanicsperformancecomparisonbetweenplainconcreteandsteelfiberconcrete3配合比/kg/m项目28d抗压强度28d弯拉强度水泥砂碎石水减水剂钢纤维普通混凝土43058312401704.30053.26.7钢纤维混凝土40777410261754.076850.46.9可见，钢纤维混凝土在较少的水泥用量情况下，获得了较高的路面抗弯拉强度。6-1-2经济效益分析白塔2号桥与石槽中桥两桥面虽然均铺设了钢筋网，但采用钢纤维混凝土铺装的钢筋网间距较采用普通混凝土铺装的加大了一倍，同时铺装层厚度得以减薄；两工程竣工决算显示：钢纤维混凝土桥面22铺装造价为76.30元/m，普通钢筋混凝土桥面铺装造价为100.30元/m，节约工程投资20%以上。从工程竣工后近1年的通车运营情况来看，采用钢纤维混凝土铺装的桥面没有明显病害发生，而采用普通混凝土铺装的桥面干缩裂缝发育明显，路面磨耗严重，局部出现了麻面现象。由上述比较可见，钢纤维混凝土路面较普通混凝土路面其技术、经济指标都有很大的优势，具有显著的经济效益。6-1-3社会效益分析钢纤维混凝土近年来在公路路面、桥梁、机场跑道等工程中的应用表明，其与普通水泥混凝土路面相比具有以下优越性：1面层厚度可减薄至1/2以上（附录B），使施工工期缩短，节约水泥、碎石、钢筋等原材料，减少浇筑费用；2减少缩缝带来的材料、人工等费用；3大大减少了干缩裂缝的产生，提高了路面的抗冲击力和疲劳强度，可节省养护及维修费用；4路面使用寿命延长。实践证明，钢纤维混凝土的应用对改善路面（桥面）的使用性能、延长使用寿命、降低碎石、水泥等原材料消耗、节省工程造价，避免因频繁维修带来的交通不便等均具有显著的技术经济效益和社会经济效益。30 河北工业大学工程硕士学位论文§§§6§666----222钢纤维混凝土推广前景2钢纤维混凝土推广前景钢纤维混凝土自发展以来，已在公路路面、桥面、机场跑道等工程中得到广泛应用，同时也取得了一定的经济效益和社会效益。它除了具有良好的抗弯强度外，而且还具有优异的抗冲击、抗开裂性能。在对钢纤维混凝土进行的冲击荷载等试验研究中表明：掺以体积率为1％～2％的钢纤维增强混凝土与基体比较，其抗冲击强度可提高10倍～20倍，弯曲韧性可提高20倍左右，抗弯强度可提高1倍～6倍，抗拉强度可提高2倍左右，疲劳强度提高50％，抗裂强度可提高2倍，抗压强度可提高10％～30％。由此可见，钢纤维混凝土的抗裂性与抗冲击是非常优异的，对后期营运、养护非常有利。与相同水泥用量的基体混凝土相比，由于钢纤维的加入，造成钢纤维混凝土初始造价较高。钢纤维混凝土的显著特性是前期资金投入大，后期经济效益高。在应用时，不应只计一次性投资，而应考虑钢纤维混凝土的优越使用性能、较低的维修费和使用寿命延长等综合经济效益。据资料统计，对交通量每天每向500辆以上重载卡车的情况，钢纤维混凝土面层比性能最好的改性沥青路面能节省8%至10%的造价。钢纤维混凝土特别适用于重载交通，交通量越大，节省越多。邢台为晋煤东运必经之地，且西部山区矿产丰富，交通特点为车流量大，吨位高。因此从经济效益和可持续发展角度来看，钢纤维混凝土在邢台地区公路工程建设中具有广阔的应用前景。31 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究第七章结论与建议§§§7§777----1111结论结论本文以邢昔线桥梁项目工程为依托，对钢纤维混凝土采用本地施工材料呈现的特性、配合比组成设计、施工及质量控制等方面进行研究，得出结论如下：1、与普通混凝土破坏机理不同，钢纤维混凝土的极限强度明显提高，韧性明显增加。2、根据钢纤维作用机理的不同，可以把钢纤维混凝土分为增强型和增韧型。3、采用正交试验设计法对钢纤维混凝土进行配合比设计，是一种经济、快速的科学方法。4、影响钢纤维混凝土坍落度的主次顺序为：水灰比→钢纤维的体积掺率→混凝土的砂率。也就是说，在一定条件下，水灰比仍然是影响钢纤维混凝土和易性的首要因素，其次就是钢纤维体积率。5、影响钢纤维混凝土抗压强度的排序为：水灰比→钢纤维的体积率→混凝土砂率。影响钢纤维混土抗压强度的主要因素仍然是水灰比，而钢纤维的体积率对混凝土的抗压强度不是主要影响因素，这说明钢纤维掺入混凝土之后，抗压强度增强效果并不明显。钢纤维掺入混凝土之后能否提高抗压强度及提高的幅度，与混凝土基体本身的强度高低有关。6、影响钢纤维混凝土弯拉强度的主次顺序为：钢纤维体积率→水灰比→砂率。钢纤维体积率是影响混凝土弯拉强度的主要因素。7、钢纤维体积率≤2%时，钢纤维混凝土的弯拉强度随着钢纤维掺量的增加而提高。8、钢纤维掺量和水灰比是影响钢纤维混凝土强度和坍落度的主要因素，合理选择钢纤维的品种规格和掺量，合理选择水灰比，对确保钢纤维混凝土强度，耐久性和工作性能至关重要，也是降低钢纤维混凝土成本的有效措施。9、钢纤维在混凝土中的均匀分布，对充分发挥钢纤维混凝土的增强、增韧和阻裂作用十分重要。在配合比设计时，除应考虑钢纤维的各项参数对混凝土均匀性影响外，还应重视混凝土基体各组成材料的相关参数(如粗骨料的最大粒径、砂率、水胶比及水泥砂浆的数量等)与钢纤维参数的合理匹配，才能保证钢纤维在混凝土中均匀分布。10、为使钢纤维在混凝土中分布均匀，施工中不结团，必须掌握投料顺序、搅拌方法和时间，这是有别于普通混凝土的关键工艺，也是保证施工质量的重要环节。11、钢纤维混凝土的拌和宜采用强制式搅拌机拌和。当钢纤维体积率高，拌和物稠度较大时，搅拌机一次拌和量不宜大于其额定拌和量的80%。12、搅拌的投料次序和方法应以搅拌过程中钢纤维不结团，不产生弯曲或折断，不因拌和机超负荷而停止运转，出料口不堵塞为原则，宜采用先干后湿二次投料三次搅拌法。13、用水量是决定施工和易性的关键，在考虑钢纤维混凝土和易性时，不能像普通混凝土一样只考虑坍落度。钢纤维混凝土在振捣前后工作性能相差很大，应以维勃稠度VC（s）来考虑其工作性。14、纤维混凝土的运输应缩短运输时间，运输过程中避免拌和物离析。如产生离析应二次搅拌。15、钢纤维混凝土的浇筑方法应保证钢纤维分布均匀性和结构的连续性，在一个规定连续浇筑区域内，浇筑施工过程不得中断。拌和料从搅拌机卸出到浇筑完毕时间视施工气温而定，一般不宜超过40min。在浇筑过程中严禁因拌和物干涩而加水。16、钢纤维混凝土应采用机械振捣，不得采用人工振捣，所采用的振捣机械和振捣方法除应保证32 河北工业大学工程硕士学位论文混凝土密实度外，尚应保证钢纤维分布均匀。17、当使用高效缓凝减水剂时，拆模时间宜适当延长。18、钢纤维混凝土的养护与普通混凝土相同。19、钢纤维混凝土的最大特点是水泥用量较大，砂率较大，若没有充足的水泥用量和用砂量，钢纤维难以被砂浆包裹，表面会暴露钢纤维和粗集料，因此，钢纤维混凝土在设计强度等级较高的桥面或高等级路面（基体混凝土水泥用量高）中使用较为经济。§§§7§777----222建议2建议近几年来，我国在钢纤维混凝土方面的研究和应用已有长足的发展，但与发达国家相比还有很大的差距。欲使钢纤维混凝土在开发应用上有较大的发展，宜从以下几个方面着手努力：1、降低成本。钢纤维混凝土在应用中主要的问题是钢纤维生产成本及售价较高。通过钢纤维增强作用而节省混凝土的用量常不足以补偿钢纤维用量所造成的成本提高，从而使一些钢纤维混凝土工程的初始造价较高。为了使钢纤维混凝土得到广泛应用，一方面，应大力开发优质钢纤维，努力降低钢纤维生产成本从而降低钢纤维混凝土的造价；另一方面，在应用时，还需要对长期利益和短期利益，一次投资和维修保养费用以及材料费用等进行综合考虑。2、改进生产和施工设备。目前，桥面铺装还不能形成全过程的机械化作业，仍依靠大量的人工进行铺筑，劳动强度大。今后如能解决机具和设备，对推广钢纤维混凝土在桥面铺装中的应用无疑是一种推动作用。3、促进专业化生产和施工队伍的发展。钢纤维混凝土工程施工的技术要求高、专业化性强，要求有专门从事这个行业的企业和施工队伍。目前我国还缺少这样的专业化队伍，今后要大力促进钢纤维混凝土专业化施工队伍的发展。4、加强设计理论和施工技术的研究。使钢纤维砼的应用得到更快的发展。33 钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究参考文献［1］卢亦焱．钢纤维混凝土材料及其在路面工程中的应用．公路，1999，4［2］中国工程建设标准化协会标准．钢纤维混凝土结构设计与施工规程．北京：中国建筑工业出版社，1992，6［3］CECS13：89.中国工程建设标准化协会标准,钢纤维混凝土试验方法[S]。北京：中国计划出版社，1996.［4］李志业，王志杰，郑宝树，陈伯祥.钢纤维混凝土强度、变形和韧性的试验研究.’97纤维混凝土国际会议论文集，广州［5］李启棣，吴淑华．钢纤维混凝土的特性及其应用．铁道建筑，1989（1）［6］宋名海．钢纤维混凝土的研究现状和发展动态．2005［7］．新型混凝土及其施工工艺．中国建筑工业出版社［8］赵国藩,彭少民,黄承逵等．钢纤维混凝土结构．北京:中国建筑工业出版社,1999.11.［9］张春漪.．钢纤维喷射混凝土试验研究及其应用．钢纤维混凝土结构设计与施工规程专题研究报告集．大连理工大学,1990.［10］董振英，李庆斌，王光纶，潘家铮.钢纤维混凝土轴拉应力-应变特性的试验研究.［11］高丹盈等著译．钢纤维混凝土设计与应用．出版社：中国建筑工业出版社［12］WeisuYin，ThomasTCHsu．FatigueBehaviorofSteelFiberReinforcedConcreteinUniaxialandBiaxialCompression．ACIMaterialsJournal，1995，（6）［13］闫波，祝恩淳，赵景海．熔抽钢纤维混凝土抗折性能试验研究．哈尔滨建筑工程学院学报，1993，26(2)［14］董蔬利，樊承谋，潘景龙．钢纤维混凝土双向破坏准则的研究．哈尔滨建筑工程学院学报，1993，26(6)［15］成厚昌，郑银功.钢纤维混凝土的破坏形态及其分析.重庆交通学院学报，1998，11（4）.［16］黄承逵，尚人杰，赵国藩．混凝土动态拉伸试验方法的研究[J]．大连理工大学学报，1997，37(S1)：110-114.［17］JohnstonCD,GrayRJ.Uniaxialtensiletestingofsteelfibrereinforcedcementitiouscomposites[A]．estingandTestMethodofFibrecementComposites.Proceedingsofthe1978RILEMSymposium[C]．Lancaster,U.K.TheConstructionPress,1978.［18］WangY,LiV,BackerS.Experimentaldeterminationoftensilebehavioroffiberreinforcedconcrete[J]．ACIMaterialsJournal.1990,87(5):461-468.［19］LiVC,WuH,MaalejM,etal.Tensilebehaviorofcementbasedcompositeswithrandomdiscontinuoussteelfibers[J]．JournaloftheAmericanCeramicSociety.1996,79(1):74-78.［20］LiZ,LiFM.Uniaxialtensilebehaviorofconcretereinforcedwithrandomlydistributedshortfibers[J]．ACIMaterialsJournal.1998,95(5):1022-1031.［21］曲福进，赵国藩，黄承逵．砂浆渗透钢纤维混凝土轴拉应力-应变全曲线的研究[J]．大连理工大学学报，1996，36(1)：113-115.［22］卢亦焱，何少溪．钢纤维混凝土环向受拉全过程曲线试验研究[J]．武汉水利电力大学学报，1995，28(6)：285-292.34 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钢纤维水泥混凝土在公路工程中的应用研究附录A公路水泥混凝土路面施工技术规范（（（JTGF30（JTGF30JTGF30-JTGF30---200320032003）2003）））原材料技术要求表A.1各等级路面用水泥物理指标TableA.1Thephysicalindexofvariousgradesroadsurfacecement水泥性能特重、重交通路面中、轻交通路面安定性雷氏夹或蒸煮法检验必须合格蒸煮法检验必须合格标准稠度需水量不宜＞28%不宜＞30%细度（80μm）筛余量不得＞10%筛余量不得＞10%初凝时间不早于1.5h不早于1.5h终凝时间不迟于10h不迟于10h抗压强度3d25.5，22.016.0（Mpa）28d57.5，52.542.5抗折强度3d4.5，4.03.5（MPa）28d7.5，7.06.5表A.2碎石主要技术指标TableA.2Themaintechnicalindexofcrushedstone项目技术要求Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级压碎指标/%＜10＜15＜20坚固性/%＜5＜8＜12针片状颗粒含量/%＜5＜15＜20含泥量＜0.5＜1.0＜1.5泥块含量/%＜0＜0.2＜0.53表观密度＞2500kg/m3松散堆积密度＞1350kg/m空隙率＜47%表A.3细集料主要技术指标TableA.3Themaintechnicalindexoffineaggregate项目技术要求Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级含泥量/%＜1.0＜2.0＜3.0泥块含量/%＜0＜1.0＜2.03表观密度＞2500kg/m3松散堆积密度＞1350kg/m空隙率＜47%36