钢纤维混凝土性能研究

按照《试验计划书》的要求分别进行了不同粉煤灰掺量、不同W外加剂掺量、不同钢纤维品种和掺量、不同外加剂组合的钢纤维混凝土的抗压强度、抗折强度、抗拉强度、干缩等试验，试验参照CECS13：89《钢纤维混凝土试验方法》进行。

（1）不同水泥用量掺粉煤灰混凝土试验。为了解粉煤灰对钢纤维混凝土各项性能的影响，分别进行了不同水泥用量、不同粉煤灰掺量与其他材料组合的钢纤维混凝土试验，其拌和物性能、力学指标及干缩性能测试结果见表4.1～表4.3。

对表4.1～表4.3中的试验结果进行分析比较，可以得出以下结论：①掺入粉煤灰可以减少混凝土单位用水量。从表4.1中的试验编号为1和4来看，坍落度相同时，用50kg的粉煤灰等量取代60kg的水泥可以减少钢纤维混凝土单位用水量17kg（8.2%）。这是因为所选用的粉煤灰细度（5.6%）和需水量比（90%）小的原因。②掺入粉煤灰后钢纤维混凝土的强度也有一定的提高。从表4.2中的试验编号为1和3来看，用30kg的粉煤灰取代40kg的水泥后，当两者的坍落度相接近时，两组试验结果的强度相接近；用50kg的粉煤灰取代60kg的水泥后，在两者的坍落度相同时，前者的28d抗压强度提高了18.0%，28d抗折强度提高了2.5%，28d抗拉强度提高了9.2%，28d劈拉强度提高了11.5%；胶凝材料用量相同时，在一定的范围内，粉煤灰用量多一些，钢纤维混凝土的强度也高一些。③掺入粉煤灰后钢纤维混凝土的干缩现象也得到一定的抑制。从表4.3可以看到，水泥用量越多，钢纤维混凝土的干缩值越大，这符合普通混凝土的规律。胶凝材料用量相同时，粉煤灰用量多一些，相应的水泥用量就少一些，钢纤维混凝土的干缩率也就小一些。④掺入粉煤灰后钢纤维混凝土的密度略有下降，但幅度很小，仅为0.5%～1.0%。这是因为粉煤灰的比重（2.21）比水泥的比重（3.02）小的原因。

表4.1　不同水泥用量、不同粉煤灰掺量的钢纤维混凝土拌和物性能试验结果

注 所用石子为1号样碎石。

表4.2不同水泥用量、不同粉煤灰掺量的钢纤维混凝土力学性能试验结果

表4.3　不同水泥用量、不同粉煤灰掺量的钢纤维混凝土干缩性能试验结果

从以上分析来看，钢纤维混凝土中加入适量的粉煤灰，不仅可以减少钢纤维混凝土单位用水量，还可以提高混凝土的强度和减少混凝土的干缩。因此，根据试验结果，并参照DL/T5055—1996《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》的规定，在以后的试验中采用每立方米钢纤维混凝土中加入50kg粉煤灰的试验方案。

（2）不同W掺量的钢纤维混凝土试验。由于原批复设计方案中，明确了使用W型外加剂，为了了解W型外加剂对钢纤维混凝土各项性能的影响，比较WⅠ型和WⅡ型的优劣，分别进行了不同W掺量的钢纤维混凝土试验。各组试验的拌和物性能、力学性能指标测试结果见表4.4和表4.5。

表4.4　不同W掺量的钢纤维混凝土拌和物性能试验结果

从表4.4和表4.5可以看出：①加入W型外加剂，钢纤维混凝土的密度有所减小，且掺WⅠ型的钢纤维混凝土密度比掺WⅡ型的钢纤维混凝土密度小，这是因为WⅠ型、WⅡ型的比重（2.1左右）比钢纤维混凝土中的水泥、砂、石比重都小，而WⅠ型的用量比WⅡ型的用量多一倍。②WⅠ型和WⅡ型均具有减水作用，且WⅠ型的减水效果比WⅡ型好。其他材料不变，掺WⅠ型的钢纤维混凝土坍落度比掺WⅡ型的钢纤维混凝土坍落度大15～30mm。③WⅠ型和WⅡ型均具有增强作用，且WⅠ型的增强效果比WⅡ型好。其他材料不变，掺WⅠ型的钢纤维混凝土力学性能比掺WⅡ型的钢纤维混凝土都高，28d抗压强度高2.1～3.5MPa（4.4%～7.5%），28d抗折强度高0.12～0.31MPa（2.0%～6.2%）。

表4.5　不同W掺量的钢纤维混凝土力学性能试验结果

从上面的分析可以得出以下结论：虽然掺WⅠ型的钢纤维混凝土密度比掺WⅡ型的钢纤维混凝土密度小，且WⅠ型用量比WⅡ大，但WⅠ比WⅡ在减水和增强效果方面均好一些，故当时建议优先选用WⅠ型外加剂。

（3）不同钢纤维掺量的钢纤维混凝土试验。

1）不同G1型钢纤维掺量的钢纤维混凝土试验。为了了解不同钢纤维掺量对钢纤维混凝土各项性能的影响，分别进行了掺量为0、40kg、60kg、80kg的G1型钢纤维混凝土试验，各组试验的拌和物性能、力学性能指标测试结果见表4.4、表4.5。

从表4.4和表4.5可以看出：①随着钢纤维用量的增加，钢纤维混凝土的坍落度也随之减小，钢纤维用量每增加20kg，钢纤维混凝土的坍落度减小10～20mm。这是由于钢纤维在钢纤维混凝土中错落交叉分布而阻碍混凝土的流动。②随着钢纤维用量的增加，钢纤维混凝土的密度也随之增加，这是因为钢纤维的密度（7800kg/m3）比混凝土的密度（2300kg/m3）大。③随着钢纤维用量的增加，钢纤维混凝土的抗压强度也随之增加，但增幅较小。以未掺钢纤维的混凝土28d强度为100，不同钢纤维掺量的钢纤维混凝土28d强度与未掺钢纤维的混凝土28d强度的比值见表4.6。从表4.6可以看出，钢纤维掺量在60kg以下时，钢纤维混凝土28d抗压强度增长率在6%之内，钢纤维掺量在80kg时，钢纤维混凝土28d抗压强度增长率在10%以上。④随着钢纤维用量的增加，钢纤维混凝土的抗折强度也随之增加，且增幅较大。同未掺钢纤维的混凝土相比，钢纤维掺量为40kg时，钢纤维混凝土28d抗折强度增长率在12.7%～15.9%，钢纤维掺量为60kg时，钢纤维混凝土28d抗折强度增长率在15.9%～20.7%，钢纤维掺量为80kg时，钢纤维混凝土28d抗折强度增长率在64.7%～69.5%。

表4.6　不同钢纤维掺量对钢纤维混凝土强度的影响

2）掺不同长径比钢纤维的钢纤维混凝土试验。为了了解不同长径比钢纤维对钢纤维混凝土各项性能的影响，分别就G1型和G2型两种钢纤维，又考虑掺速凝剂和不掺速凝剂两种情况，进行了4组配合比的钢纤维混凝土试验。各组试验的拌和物性能、力学性能指标检测结果见表4.7和表4.8。

表4.7　掺不同长径比钢纤维的钢纤维混凝土拌和物性能试验结果

G1型钢纤维长度为35mm，直径为0.55mm，长径比为64；G2型钢纤维长度为30mm，直径为0.55mm，长径比为55。从表4.6和表4.8的试验结果可以了解到相同直径不同长度（长径比）的钢纤维对钢纤维混凝土性能的影响：①钢纤维长径比对钢纤维混凝土的坍落度有一定影响。其他材料不变，掺长径比大（长钢纤维）的G1型钢纤维的钢纤维混凝土坍落度比掺长径比小的G2型钢纤维小20mm，这是由于长钢纤维阻碍混凝土流动的作用比短钢纤维大。②钢纤维长径比对钢纤维混凝土的抗压强度也有一定影响，掺长径比大的G1型钢纤维的钢纤维混凝土的抗压强度比掺G2型钢纤维的钢纤维混凝土高2.8%～3.9%。③钢纤维长径比对钢纤维混凝土的抗折强度有较大影响。钢纤维掺量相同时，掺长径比大的G1型钢纤维的钢纤维混凝土的抗折强度比掺G2型钢纤维的钢纤维混凝土高9.8%～20.8%。④钢纤维长径比对钢纤维混凝土的抗拉性能有较大影响。钢纤维掺量相同时，掺长径比大的G1型钢纤维的钢纤维混凝土的28d劈拉强度比掺G2型钢纤维的钢纤维混凝土高14.6%～21.4%，轴拉强度高9.6%～14.2%。

表4.8　掺不同长径比钢纤维的钢纤维混凝土力学性能试验结果

从上面的分析可以得出以下结论：钢纤维掺量相同时，掺长径比大的G1型钢纤维的钢纤维混凝土坍落度比掺G2型钢纤维的钢纤维混凝土小一些，但其各项力学性能指标均比掺G2型钢纤维的钢纤维混凝土高，故建议在条件许可时，优先选用长径比大的G1型钢纤维。

（4）外加剂对钢纤维混凝土性能的影响。为了了解加入不同外加剂后钢纤维混凝土拌和物性能、干缩性能、力学性能变化情况及其变化规律，进行了一系列试验。表4.9为钢纤维混凝土拌和物性能试验结果。

表4.9　钢纤维混凝土拌和物性能试验结果

1）不同外加剂对钢纤维混凝土力学性能的影响。掺不同外加剂的钢纤维混凝土力学性能试验结果见表4.10。以钢纤维混凝土的28d强度作为100%，各龄期对应的强度比见表4.11；以未加速凝剂的钢纤维混凝土强度作为100%，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土对应的强度比见表4.12。根据这些试验结果，可以了解到加入S3型速凝剂前后钢纤维混凝土强度值变化情况与增长规律，以及各种外加剂与S3型速凝剂组合后对钢纤维混凝土性能的影响。(www.xing528.com)

表4.10　钢纤维混凝土力学性能试验结果

表4.11　钢纤维混凝土的强度增长率

表4.12　加速凝剂的钢纤维混凝土与不加速凝剂的钢纤维混凝土强度比

续表

a.WⅠ+S3组合的钢纤维混凝土性能。从表4.11和表4.12可以看到：①加入S3型速凝剂前，钢纤维混凝土的坍落度仅为50mm（单位用水量215kg），难以正常施工；加入S3型速凝剂后，钢纤维混凝土的28d抗压强度为48.1MPa，28d抗折强度为6.44MPa，刚刚满足设计文件提出的设计指标；如继续增大单位用水量使钢纤维混凝土的坍落度增大，达到施工要求，则钢纤维混凝土强度下降较多，甚至达不到设计要求。也就是说，仅WⅠ与S3两种外加剂组合，钢纤维混凝土的坍落度和强度不能同时满足施工要求和设计要求。②加入S3型速凝剂后，钢纤维混凝土强度早期有一定提高。1d抗压强度提高约1倍；3d抗压强度提高10.6%；7d抗压强度提高4.0%，7d抗折强度提高2.3%；14d抗压强度提高2.8%；28d抗压强度提高14.0%，28d抗折强度提高12.8%。③从钢纤维混凝土抗压强度增长情况来看，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土强度前期（1d内）增长较快，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土1d抗压强度占28d抗压强度的比值高达29.7%，而未加速凝剂的仅为17.1%；中期强度增长速度低于未加速凝剂的钢纤维混凝土，后期增长速度又高于未加速凝剂的钢纤维混凝土。④从钢纤维混凝土抗折强度增长情况来看，加入速凝剂的钢纤维混凝土中期强度增长速度低于未加速凝剂的钢纤维混凝土，其7d抗折强度占28d抗折强度的比值比未加速凝剂的钢纤维混凝土的同一比值低7.5%，但两者均高出同龄期抗压强度的比值7%左右。

b.W+J+S3组合的钢纤维混凝土性能。从表4.11和表4.12可以看到：①加入S3型速凝剂前，钢纤维混凝土的坍落度仅为15～35mm（单位用水量200kg），难以正常施工；加入S3型速凝剂后，钢纤维混凝土的28d抗压强度为45.5～48.0MPa，28d抗折强度为6.08～6.37MPa，刚刚满足设计要求；如继续增大单位用水量使钢纤维混凝土的坍落度增大，使之满足施工要求，则强度下降较多，甚至不满足设计要求。即在这种外加剂组合的条件下，钢纤维混凝土的坍落度和强度亦不能同时满足施工要求和设计要求。②加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土与未加速凝剂钢纤维混凝土的强度比在85.8%～107.7%之间，即加入S3型速凝剂前后强度变化无明显规律。③从钢纤维混凝土抗压强度增长规律来看，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土强度前期（1d内）增长较快，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土1d抗压强度占28d抗压强度的比值高达36%左右；后期强度增长速度低于未加速凝剂的钢纤维混凝土。④从钢纤维混凝土抗折强度增长情况来看，加入速凝剂的钢纤维混凝土7d抗折强度占28d抗折强度的比值与未加速凝剂的钢纤维混凝土的基本相同，两者均高出同龄期抗压强度比值的10%～20%。

c.WⅠ+PJ+S3组合的钢纤维混凝土性能。从表4.11和表4.12可以看到：①加入S3型速凝剂前，钢纤维混凝土的坍落度为200mm（单位用水量200kg），满足施工要求；加入S3型速凝剂后，钢纤维混凝土的28d抗压强度为53.6MPa，28d抗折强度为7.64MPa，28d劈拉强度为5.84MPa，亦满足设计要求指标，但28d轴拉强度为3.63MPa，稍低于设计要求的指标。②加入S3型速凝剂后，钢纤维混凝土早期强度有大幅度提高，其中1d抗压强度提高148.8%～202.4%，3d抗压强度提高70.6%～118.9%，7d抗压强度提高53.4%～70.1%，14d抗压强度提高41.7%～62.1%，28d抗压强度提高40.7%～60.0%；1d抗折强度提高58.3%左右，7d抗折强度提高29.4%～45.6%，14d抗折强度提高27.2%左右，28d抗折强度提高24.6%～33.3%；28d劈拉强度提高34.1%～43.1%；28d轴拉强度提高32.5%～38.0%；且强度提高幅度随龄期增长而减小。③从钢纤维混凝土抗压强度增长情况来看，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土前期（1d内）强度增长较快，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土1d抗压强度占28d抗压强度的比值高达23.5%～25.8%，而未加速凝剂的仅为13.6%～14.0%；加入速凝剂的钢纤维混凝土后期（7～28d）强度增长略低于未加速凝剂的钢纤维混凝土。④从钢纤维混凝土抗折强度增长情况来看，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土强度前期（1d内）增长较快，加入S3型速凝剂的钢纤维混凝土1d抗折强度占28d抗折压强度的比值高达34.8%，而未加速凝剂的仅为27.4%，两者均高出同龄期抗压强度比值的10%左右；后期两者基本相同。

从上面的试验结果来看，钢纤维混凝土中同时加入PJ+WⅠ外加剂后，坍落度达到200mm，能满足正常施工要求，且加入S3型速凝剂后钢纤维混凝土早期强度增长幅度最大，强度值也较高，即PJ+WⅠ+S3型速凝剂的外加剂组合与试验所用水泥最适应，这一点正好与前面外加剂相容性试验结果也一致，故建议优先采用PJ+WⅠ+S3型的速凝剂与外加剂的组合。

2）速凝剂对钢纤维混凝土拌和物性能的影响。从上面的分析结果可以知道，PJ+WⅠ+S3型的速凝剂与外加剂的组合，与试验所用水泥最适应，为了了解S3型速凝剂对同时掺入PJ+WⅠ外加剂对钢纤维混凝土拌和物性能的影响，进行了以下试验。

a.速凝剂对钢纤维混凝土坍落度和凝结时间的影响。由于现场条件的限制，施工时钢纤维混凝土拌和物需较长时间的输送，这就要求钢纤维混凝土拌和物在加入速凝剂前具有较高的坍落度保留值和较长的凝结时间，加入速凝剂后则需瞬间凝结以防止钢纤维混凝土脱落，减少回弹。为此进行了两组钢纤维混凝土坍落度损失和凝结时间试验，试验结果见表4.13。

表4.13　掺WI+PJ+S3的钢纤维混凝土的坍落度和凝结时间

从表4.13中的试验结果来看，加入速凝剂前钢纤维混凝土拌和物坍落度初始值为200mm，静置30min后为140mm，静置60min后为100mm，这还能满足施工要求；加入速凝剂后钢纤维混凝土在9min内初凝，这能有效防止钢纤维混凝土的脱落。即掺WⅠ+PJ+S3的钢纤维混凝土能满足施工要求。

b.速凝剂对钢纤维混凝土含气量和密度的影响。从表4.7中的试验结果可以得到如下结论：①加入S3型速凝剂的可以减小钢纤维混凝土含气量。实测值为，掺WⅠ+PJ+S3的钢纤维混凝土含气量比未加速凝剂的钢纤维混凝土小3%。②由于WⅠ具有较高的引气作用，掺WⅠ+PJ+S3的钢纤维混凝土含气量高达3.2%，它的抗冻性能比较优异。③加入S3型速凝剂可以增大钢纤维混凝土的密度。掺WⅠ+PJ+S3的钢纤维混凝土密度比未加速凝剂的钢纤维混凝土密度大1.8%～2.2%，这是由于S3型速凝剂的加入减小了钢纤维混凝土含气量。表4.9中的试验结果亦可以验证这一结论，其中掺WⅠ+S3的钢纤维混凝土密度比未加速凝剂的钢纤维混凝土密度大2.7%，掺WⅠ+J+S3的钢纤维混凝土密度比未加速凝剂的钢纤维混凝土密度大1.3%。

3）钢纤维混凝土收缩和膨胀性能。为了了解PJ、P和S3型速凝剂对钢纤维混凝土收缩和膨胀性能的影响，按照表4.14给出的各组钢纤维混凝土的配合比，进行试验。各组钢纤维混凝土的收缩和膨胀性能指标的试验结果见表4.15～表4.17。

表4.14　掺不同外加剂的钢纤维混凝土配合比

表4.15　掺不同外加剂的钢纤维混凝土干缩率

注 表中（）内的文字仅为附加说明，以下相同。

表4.16　掺不同外加剂的钢纤维混凝土干缩率比

从表4.15～表4.17中的试验结果可以得出以下结论：①PJ可以减小钢纤维混凝土的前期干缩率，但后期钢纤维混凝土的干缩率反而增大了，7d后掺PJ的钢纤维混凝土的干缩率，约为未掺PJ的钢纤维混凝土的1.34～1.43倍。②在已掺PJ后的钢纤维混凝土中，再加入S3型速凝剂，可以降低钢纤维混凝土的干缩率，加S3型速凝剂的钢纤维混凝土的干缩率约为未加速凝剂的钢纤维混凝土的50.6%～87.5%；同两者均未掺加的钢纤维混凝土相比，加S3型速凝剂的钢纤维混凝土的前期（3d内）干缩率仅为未掺加S3型速凝剂的钢纤维混凝土的50.6%～70.7%，后期（7d后）前者亦略低于后者。③PJ可以增大钢纤维混凝土的限制膨胀率，掺PJ的钢纤维混凝土的水中限制膨胀率约为未加PJ的钢纤维混凝土的1.94～9.91倍，且水中14d后再置于空气中14d的限制膨胀率为0.0050%，而未掺PJ的钢纤维混凝土为-0.0093%（“-”意味着收缩）。④在已掺PJ后的钢纤维混凝土中，再加入S3型速凝剂，可以增大钢纤维混凝土的前期（7d内）水中限制膨胀率，后期则有所降低。⑤加入P的钢纤维混凝土1d干缩率是未加P的钢纤维混凝土的1.78倍，此后两者相差无几。⑥在已掺加P后的钢纤维混凝土中，再加入S3型速凝剂，前期（14d内）钢纤维混凝土的干缩率略有降低，28d的钢纤维混凝土的干缩率略有增大。⑦加入P的钢纤维混凝土，水中限制膨胀率略大于未加P的钢纤维混凝土，两者均在0.01%以下。⑧在已掺加P后的钢纤维混凝土中，再加入S3型速凝剂，可以降低钢纤维混凝土的水中限制膨胀率。加入S3型速凝剂后的钢纤维混凝土的水中限制膨胀率仅为0～0.0028%，低于两者均未掺加的钢纤维混凝土的水中限制膨胀率。

表4.17　掺不同外加剂的钢纤维混凝土水中限制膨胀率

从以上分析来看，同时加入PJ和S3型速凝剂既可以降低钢纤维混凝土的干缩率，又可以增大钢纤维混凝土的水中限制膨胀率，且加入PJ和S3型速凝剂的钢纤维混凝土的干缩率最小，水中限制膨胀率也较高，故选用PJ作为膨胀剂。

4）温度变化对钢纤维混凝土变形的影响。为了解温度变化对钢纤维混凝土变形的影响，测量了掺不同外加剂的钢纤维混凝土温度降低10℃、15℃（基准温度20℃）时的长度变化率。测试结果见表4.18。

表4.18　温度降低时钢纤维混凝土的长度变化值

从表4.18中测试结果可以得出以下结论：①温度下降，钢纤维混凝土长度表现为收缩，且三个配合比的钢纤维混凝土收缩率无明显区别，即PJ膨胀剂和S3型速凝剂对钢纤维混凝土温度变形几乎无影响。②温度下降15℃时的钢纤维混凝土收缩率大于下降10℃时的钢纤维混凝土收缩率。