[摘 要]按照自密實混凝土的等級要求，采用聚羧酸系外加劑對C60 自密實混凝土進行配合比設計，采取同時摻加機制砂和天然砂的措施保證了鋼纖維自密實混凝土拌和物的自密實性能和泵送性能，而且也得到了滿足型鋼柱施工要求的力學變形性能。本文對于鋼纖維自密實混凝土配合比的設計思路可供有關技術人員參考。

[關鍵詞]自密實混凝土；鋼纖維；配合比設計；機制砂

0 前言

　　自密實混凝土技術的發展已有20 年的歷史，在國內也已應用10 多年。近幾年自密實混凝土在我國發展應用速度加快，應用領域也進一步的拓展。自密實混凝土，是具有高流動度、不離析、良好的均勻性和穩定性，澆筑時依靠其自重流動，無需振搗而達到密實的混凝土。所謂的自密實性能，即混凝土澆筑時，不加振搗施工也能依靠其自重均勻地填充到模板各處的性能。因具有許多優點，自密實混凝土技術在近幾年得到了積極的研究和全面的發展，也被越來越多的工程所采用[1]。

　　鋼纖維混凝土是將短的、不連續的鋼纖維隨機亂向地分布于混凝土中形成的復合材料。與普通混凝土相比，加入一定量的鋼纖維后，不僅可以提高混凝土的抗拉強度、抗折強度和韌性，而且能夠明顯地提高混凝土的抗裂性能、抗收縮性能和極限拉應變，因此受到國內外學術界和工程界的極大重視。目前，鋼纖維混凝土的應用領域涉及道路橋梁工程、建筑工程、水利工程、港口工程、鐵路工程、礦山工程和軍事工程等。在使用過程中，鋼纖維混凝土因為能夠充分滿足工程所要求的高拉應力、復雜受力、抗裂、增強和增韌等普通混凝土難以達到的受力性能要求，而具有良好的社會效益、經濟效益和廣闊的應用前景。

　　鋼纖維自密實混凝土則是集兩種混凝土的優點于一身，即在混凝土施工澆筑過程中利用自密實混凝土拌和物的易澆筑密實特點，在混凝土硬化后利用鋼纖維混凝土獨有的力學與變形性能。

1 工程概況

　　新建設的中央電視臺新臺址工程，是北京市重點工程之一，也是北京市重要的標志性建筑之一，其主樓為兩座斜塔樓，兩座斜塔樓頂部采用14 層高的懸臂結構進行連接，如圖1 所示。這種設計結構對混凝土施工過程控制和混凝土性能（尤其是變形性能）等

提出了較高的要求。該工程部分型鋼柱混凝土標號為C60，泵送高度超過200 米，而且這部分型鋼柱在受力時，屬于偏心受壓（部分柱子受拉），因此要求型鋼柱在整個施工過程中和建成后因受力發生一定撓度變形的同時（傾斜度約0.286 度，變形值約為12.5με），所出現的裂縫在控制范圍之內（裂縫寬度小于1mm，深度小于50mm）。為此，必須在混凝土中摻加鋼纖維以增加混凝土的韌性。由于型鋼混凝土柱設計受力復雜，鋼筋密集（最小凈間距為70mm），對摻入的鋼纖維要求較高，并且由于施工、振搗困難等原因，必須使用自密實混凝土，即C60 鋼纖維自密實混凝土。

　　但是，設計單位僅對鋼纖維本身的性能和摻量提出了粗略的要求，并未對本工程擬采用的C60 鋼纖維混凝土的具體性能指標進行詳細說明。為了優化鋼纖維自密實混凝土的組成，評價鋼纖維自密實混凝土的性能，確定鋼纖維的種類和廠家，確定鋼纖維自密實混凝土的配合比、生產質量控制指標與實驗方法，需要進行系統的試驗研究，使其各項性能指標達到施工要求，即所配制的混凝土加入鋼纖維后，（硬化混凝土）即要滿足鋼纖維混凝土施工過程中的變形指標要求，（混凝土拌和物）又要滿足自密實混凝土的指標要求，具有高流動性、抗離析性強和自填充性的特點，這也是混凝土生產控制過程中的關鍵所在。

2 原材料

　　本工程所用的原材料是北京地區常用的混凝土材料，水泥為北京琉璃河水泥廠生產的普通硅酸鹽42.5 水泥；粉煤灰為河北衡水電廠生產的I 級粉煤灰；砂子為河北潮河水洗天然中砂和河北三河產機制砂，細度模數均不小于2.3；石子采用三河機碎石，連續級配，粒徑5mm～10mm 和5mm～20mm；泵送劑為天津雍陽外加劑廠生產的聚羧酸型UNF-5AST 高效泵送劑。具體指標分別見表1 至表5。

設計要求使用冷拉切斷型鋼纖維，其抗拉強度大于1000MPa，長徑比大于50，長度35mm～50mm，摻量20kg/m3～50kg/m3。試驗檢測后通過綜合考慮，決定采用上海貝卡爾特—二鋼有限公司生產的Dramix 鋼纖維和上海哈瑞克斯公司生產的Harex 鋼纖維兩種冷拉鋼絲切斷型鋼纖維展開進一步的試驗研究，具體指標如表6 所示。兩種鋼纖維的質量也符合標準[2]所規定的有關鋼纖維自密實混凝土對鋼纖維指標的要求。

3 配合比設計

　　隨著鋼纖維混凝土使用范圍的擴大，關于配合比設計的研究也越來越多，如等體積代替（粗或細）集料法、以抗壓強度為主控參數的設計法和二次合成法等多種方法。在參考有關資料的基礎上，確定本工程鋼纖維自密實的配合比設計思路是，首先通過試驗調整混凝土中的粉體比例、外加劑品種和摻量等，確定出滿足施工指標要求的不摻加鋼纖維的自密實混凝土的配比，為基準配比；然后在此基準配比的基礎上摻加不同摻量的鋼纖維，檢測鋼纖維混凝土的抗拉強度、抗彎強度和韌度指數等，確定滿足力學與變形指標要求的鋼纖維的品種和最小摻量；接著再對滿足要求的鋼纖維摻量最小的配合比進行微調，使混凝土拌和物的狀態達到自密實的要求，并復驗檢測抗拉強度、抗彎強度和韌度指數等，以得到最佳試驗室配合比；最后，對所確定的最佳配合比進行現場混凝土泵送試驗，判斷是否滿足工程需要，最終得到滿足施工生產要求的鋼纖維自密實混凝土。

　　應說明的是，為充分保證鋼纖維抗拉強度與混凝土強度相適應，在前期大量試驗的基礎上，并結合設計要求，控制混凝土的28d 抗壓強度不能過高，具體在120%左右，最大不超過130%。

　　3.1 自密實混凝土配合比的確定配合比的設計依據自密實混凝土的規定指標要求，并參照相關國家標準規程進行。在試驗室進行配合比優化設計和試配工作，確認合格后方能使用。在進行自密實混凝土的配合比設計調整時應注意，水膠比的改變會影響自密實混凝土的設計強度，水粉比的改變則影響自密實混凝土的黏度特性。

　　自密實性能包括：流動性、抗離析性和自填充性，分別通過坍落擴展度試驗、V 漏斗試驗、櫛形環試驗和U 型箱試驗檢測自密實性能指標。自密實性能根據結構物的結構形狀、尺寸、配筋狀態等進行設定，分為三個等級[3]。當鋼筋最小凈間距為35mm～60mm 時，為一級，此時，要求坍落擴展度為700mm±50mm、V 漏斗通過時間為10s～25s、U 型箱試驗填充高度300mm 以上，櫛形環試驗中心無骨料堆積、邊緣無泌漿、目測環內外無高差。參照標準[3]所述方法進行配比設計，具體過程如下：

　　①確定單位粗骨料體積用量（Vg）

　　根據自密實混凝土等級選取0.30，單位粗骨料體積用量為300L，因單一品種石子的空隙率（＞40%）大于標準[3]要求，故同時摻加兩種品種的石子（最佳比例是當兩者混合后達到最小空隙率時的比例），表觀密度平均值為2840kg/m3，質量為852.0kg。

　　②確定單位用水量（Vw）、水粉比（w/p）和粉體體積（Vp）

　　考慮到摻入粉煤灰配制C60 等級的自密實混凝土，而且粗骨料粒型級配良好，選擇較低的單位用水量170L 和水粉比0.80，通過Vp=Vw/(w/p)=170/0.80=212.5L，計算得到粉體體積用量，粉體體積比為0.2125，介于推薦值0.16～0.23 之間。

　　③確定含氣量（Va）

　　根據經驗以及所使用外加劑的性能設定自密實混凝土的含氣量為1.5%，即15L。

　　④計算單位細骨料量（Vs）

　　因為天然砂中含有9.0%的粉體，所以根據Vg+Vp+Vw+Va+(1-9.0%)Vs=1000L，可以計算出單位細骨料體積用量Vs=(1000-300-212.5-170-15)/91.0%=332.4L，質量為844.3kg。

　　⑤計算單位膠凝材料體積用量（Vce）

　　因為未使用其它惰性摻合料，所以單位膠凝材料體積用量通過Vce=Vp-9%×Vs=212.5-9%×332.4=182.6L。

　　⑥計算水灰比（W/C）與理論水泥用量（Mco）

　　按照《普通混凝土配合比設計規程》進行水灰比的設計計算，選定σ=7，則可計算出w/c=0.345。已知用水量為170kg，所以水泥用量為492.7kg，即159.0L。

　　⑦計算單位摻合料量和實際水泥用量（Mc）

　　通過計算可知單位水泥體積為159.0L，不能滿足通過自密實性能計算出的182.6L 的要求，綜合考慮強度要求和粉煤灰性能，采用超量取代的方法，超量取代系數為1.3，設取代水泥率為X，可根據下式計算出取代水泥質量和粉煤灰摻入量：

式中，Mfa、ρc、ρfa 分別為實際粉煤灰用量、水泥表觀密度（3.1kg/cm3）和粉煤灰表觀密度（2.44kg/cm3）。

　　通過上述計算得到水泥的實際用量和摻合料用量。

　　⑧通過試驗確定聚羧酸高性能減水劑用量為膠凝材料用量的1.4%，即7.4kg。

　　⑨試驗驗證與調整。依據標準[3]進行試驗，得到自密實混凝土基準配合比，有關數據如表7 所示。

3.2 鋼纖維的品種和最小摻量的確定

　　鋼纖維混凝土配合比在調整時應考慮的主要方面是：拌和物的工作性、強度的雙控（控抗壓、抗拉或抗壓、彎拉）和鋼纖維體積率的確定等[4]。要提高鋼纖維在混凝土中的增強效果，一是提高鋼纖維的長徑比；二是提高鋼纖維與基體之間的粘結強度。但是，長徑比過大，會使纖維混凝土的和易性降低，纖維結球現象發生的可能性也會增加。同時，鋼纖維混凝土的集料最大粒徑直接影響到鋼纖維的握裹力，一般最大粒徑不宜超過鋼纖維長度的2/3。同一基體而言，兩端帶彎鉤的鋼纖維較平直型鋼纖維的界面粘結強度高。

　　鋼纖維的摻量規范要求[2]不低于20kg/m3，并依據廠家推薦數據進行配比設計試驗。所有試件均按照CECS13:89 標準[5]規定進行，采用標準尺寸試模，并在注模24h 后脫模，在標準養護條件下養護相應齡期后進行試驗檢測。配比設計和部分檢測結果如表8 所示。

　　在試驗過程中發現，摻加鋼纖維后，混凝土拌和物的坍落度和流動性較空白混凝土明顯降低，且隨著摻量的增加，坍落度和坍落流動度的降低程度也變大。這一現象表明，鋼纖維在混凝土拌和物中所形成的網狀結構，使拌和物內部摩擦阻力增加，加上纖維自身面積較大，加劇了阻礙拌和物流動的程度，引起混凝土坍落度降低與和易性變差。

　　從試驗現象來看，立方抗壓試驗時，素混凝土破壞時側面出現典型的受壓剝落現象，而鋼纖維混凝土破壞后完整性較好，表面只有少許剝落。劈裂抗拉試驗時，素混凝土直接沿劈裂面斷開，斷面比較平整，并伴有較大的響聲，呈明顯的脆性破壞；而鋼纖維混凝土破壞時，只在表面出現一條沿劈裂面的細裂紋，整體完整性很好，而且需要較大力量才能將其分為兩塊。以上現象與有關資料所述相一致[6]。同時也發現，鋼纖維混凝土在劈拉破壞時，絕大多數是鋼纖維的撥出而不是拉斷，因此，改善鋼纖維與混凝土基體的粘結力是提高劈拉強度的關鍵。

　　從試驗數據來看，加入鋼纖維后，抗壓強度、劈裂抗拉強度均有明顯提高，但提高幅度與鋼纖維摻量的關系因試驗組數較少而規律不十分明顯。眾多文獻資料[7][8]也表明，鋼纖維摻入混凝土后，能否提高抗壓強度及提高的幅度，主要取決于混凝土基體強度、基體與鋼纖維的粘結強度和鋼纖維本身抗拉強度。對于低強度混凝土，鋼纖維與基體粘結強度低，鋼纖維的摻入增多了整個體系的界面薄弱區，受壓時，該薄弱區可能首先導致材料破壞，纖維起不到增強作用。對于高強混凝土，鋼纖維與膠凝體的界面粘結強度高，減小了界面薄弱區所帶來的不利影響，

　　當試件受壓時，縱橫交錯的纖維網狀結構對試件橫向變形的約束作用較強，使其近似于三向受壓狀態，導致材料的抗壓強度提高。

　　同樣，當劈裂抗拉試驗時，在拉伸荷載作用下，試件受力之初，應變很小，鋼纖維所承擔的拉應力也小，基體起主要受力作用；隨著應變增大，鋼纖維承擔應力越大，混凝土基體達到極限應變的時間推遲；基體開裂后，裂縫應力重分布，原先由基體承擔的應力向鋼纖維轉移，跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的兩側表面，使裂縫處材料仍能夠繼續承受荷載，裂縫擴展速度得到延緩，并呈穩定擴展狀態，如果跨越裂縫的纖維越多，則裂縫穩定擴展持續時間越長，導致最終達到的峰值拉應力越高，即鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度越大。

　　通過試驗數據分析，這幾組鋼纖維混凝土的配合比均能滿足鋼纖維混凝土的力學性能指標要求，

綜合考慮成本控制、施工方式等因素，并為了充分保證混凝土拌和物的狀態能夠達到自密實的要求，最終確定鋼纖維的摻量采用最低摻量，即20kg/m3。并在此摻量的前提下，進行混凝土和易性的調整，為增加混凝土中粉體的比例，摻加了50%的機制砂，最終得到各項性能均滿足鋼纖維自密實混凝土的指標要求的混凝土，配合比和檢測結果如表9 所示，試驗情況如圖2 所示，該配合比的荷載撓度-曲線如圖3 所示。

4 現場摸擬與施工

　　鋼纖維混凝土在生產時，除鋼纖維與砂石一起加入攪拌機外，其它材料的投料、攪拌與普通混凝土相同，攪拌時間延長50%。在現場制作與結構形狀相同的模具，并采用振搗和不振搗兩種方式進行對比試驗模擬，模擬生產時僅對混凝土的凝結時間進行了調整。通過現場泵送試驗，得到了較好的效果。在模擬泵送時也發現，鋼纖維混凝土在泵送過程中，除按常規泵送操作外，還應注意以下幾點：

　　①泵送過程中宜保持混凝土供應的連續性，如較長時間不能泵送混凝土，則會出現鋼纖維混凝土粘管現象，尤其是在泵管的接口處，而且增大了再次泵送阻力且很難清洗干凈。

　　②盡量減少泵管彎頭，以減少泵送阻力和鋼纖維混凝土在管內的淤積。如確實需要彎頭，應盡量采用135°彎管。而且，泵管的接口處要對接緊密，不能留有縫隙。

　　③臺北101 大廈和香港國際金融中心等施工經驗和試驗證明，長距離、大高度泵送自密實混凝土時，配制混凝土所用的粗骨料的最大粒徑不宜大于16mm，為實現最大泵送高度提供可能（關于超高層混凝土泵送的有關內容另文專述）。

　　該鋼纖維自密實混凝土柱澆筑折模后，混凝土色澤均勻、無明顯氣泡，外觀質量較好。采用塑料薄膜圍裹的方式進行自生養護（如圖4 所示）。實際工程應用至今，已澆筑3000 余m3，成型28d 立方抗壓強度80 余組，強度在67.0MPa～77.8MPa 之間，平均為72.3MPa。泵送高度在100m 以下時，采用常用的HBT80 型混凝土地泵，泵送效果較好，泵送壓力在17MPa～26MPa。

5 結論與體會

　　在鋼纖維品種選擇試驗中發現，混凝土的強度等級和石子粒徑要與纖維強度、長度等纖維特性（長徑比、長度、抗拉強度等）相協調，否則可能出現摻加優質鋼纖維的混凝土其性能并不比摻加普通鋼纖維混凝土的性能明顯。

　　聚羧酸系高效外加劑減水率較高，保塑時間長，經過微調就能滿足自密實混凝土的要求。因此，使用經優化外加劑成份比例和摻量的聚羧酸外加劑可以配制滿足施工工藝要求和高強度要求的自密實混凝土，尤其適宜配制長距離泵送的高強混凝土，而且混凝土的生產質量也比較穩定。

　　為保證高強度的鋼纖維混凝土的高層長距離泵送，應控制石子粒徑和級配。當泵送高度大于100m時最大料徑不宜超過16mm；當泵送高度超過200m 時，最大粒徑宜控制在10mm 左右。

　　在配制自密實混凝土時，若混凝土拌和物的和易性尤其是黏度不能滿足，需通過調整配合比中的粉體比例來實現，而利用機制砂中所含的石粉是一種較為方便的方法，但應充分掌握其比例含量和機制砂的適宜摻量。

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