喷射钢纤维混凝土的性能研究

根据室内试验的一些成果，选用了多组配合比进行喷射钢纤维混凝土大板试验，与此同时，亦进行了同配合比钢纤维混凝土的室内模注成型试验。试验项目有抗压强度、抗折强度、劈拉强度、抗拉强度和抗拉弹模、弯曲韧度指数和韧度系数以及喷射大板的韧度（能量吸收）试验。

（1）喷射钢纤维混凝土的施工工艺。根据钢纤维混凝土的搅拌和运输工艺的不同，喷射钢纤维混凝土有干式喷射和湿式喷射两种，本次试验采用湿式喷射的方式。它是用泵或喷射机将已拌和好的钢纤维混凝土拌和物压送至喷嘴处，在此加入速凝剂，在压缩空气的助推下喷向建筑物表面。同干式喷射相比，湿式喷射具有以下优点：①施工过程中粉尘少，对人体危害小。②回弹量少，可减少材料用量。③钢纤维混凝土质量稳定。④生产效率高。

（2）钢纤维混凝土配合比。第一次喷射大板的钢纤维混凝土配合比见表4.19，第二次喷射大板的钢纤维混凝土配合比见表4.20，表4.21是与第二次喷射对应的室内模注钢纤维混凝土配合比。

表4.19　第一次喷射大板的钢纤维混凝土配合比

注 第一次喷射大板所用石子为1号样碎石。

表4.20　第二次喷射大板的钢纤维混凝土配合比

表4.21　室内模注钢纤维混凝土的配合比

注 1.钢纤维混凝土拌和物的坍落度均为未加速凝剂时的钢纤维混凝土拌和物指标。
2.25～28配合比所用石子为1号样碎石，其余均为2号样碎石。

（3）钢纤维混凝土的力学性能试验。第一次喷射钢纤维混凝土大板的力学性能试验结果见表4.22，第二次喷射钢纤维混凝土大板的力学性能试验结果见表4.23，室内模注钢纤维混凝土的力学性能试验结果见表4.24和表4.25。

表4.22　第一次喷射大板钢纤维混凝土的力学性能试验结果

表4.23　第二次喷射大板钢纤维混凝土的力学性能试验结果

注 P2—40、P2—60、P2—80硬化钢纤维混凝土中钢纤维分别为：21～31kg、35～41kg、23～25kg。

表4.24　室内模注钢纤维混凝土的力学性能试验结果

表4.25　钢纤维混凝土的各强度之间的比值

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第一次喷射钢纤维混凝土大板拌和物的坍落度偏低，回弹率大，且力学性能试验结果既不能完全满足设计要求，也没有一定的规律性，故在此不对此进行分析。下面仅就第二次喷射钢纤维混凝土大板和室内模注钢纤维混凝土的试验结果进行分析，可以得出如下结论：①室内模注钢纤维掺量为80kg的钢纤维混凝土各项力学性能均能满足设计要求。②室内模注钢纤维混凝土的强度均随钢纤维掺量的增加而增加，这和前面的试验结果相一致。③室内模注钢纤维混凝土的抗压强度与抗折强度、轴拉强度、劈拉强度的比值，随钢纤维掺量的增加而降低，劈拉强度与轴拉强度的比值在1.33～1.56之间，且有随钢纤维掺量的增加而增大的趋势。④喷射钢纤维混凝土中钢纤维掺量为80kg的钢纤维混凝土力学性能指标均较好，其次为钢纤维掺量为40kg的钢纤维混凝土。钢纤维掺量为60kg的钢纤维混凝土因为速凝剂掺量太高（6.3%）而强度偏低。⑤从喷射钢纤维混凝土抗压强度与抗折强度、轴拉强度、劈拉强度的比值来看，亦有随钢纤维掺量的增加而降低的趋势，钢纤维掺量为60kg的钢纤维混凝土的比值异常，表明钢纤维混凝土的抗折强度、轴拉强度、劈拉强度对速凝剂掺量变化的反映比抗压强度更敏感。⑥不掺钢纤维时，喷射混凝土28d强度略高于室内模注的混凝土。28d抗压强度高4.3%，28d抗折强度高7.8%，28d劈拉强度高8.2%，28d轴拉强度提高4.0%。⑦掺80kg钢纤维时，喷射钢纤维混凝土28d强度略低于室内模注的钢纤维混凝土。28d抗压强度低7.3%，28d抗折强度低1.7%，28d劈拉强度低17.9%，28d轴拉强度低12.1%。⑧掺40kg钢纤维时，与室内模注的钢纤维混凝土相比，喷射钢纤维混凝土28d抗压强度高6.6%，28d劈拉强度高17.0%，28d轴拉强度高11.1%，但28d抗折强度低7.6%。从前面的分析可知，加入速凝剂后钢纤维混凝土的抗折强度增长率最小，试验编号为P2—40的喷射钢纤维混凝土的速凝剂掺量为1.5%，小于室内模注的钢纤维混凝土3%的掺量，这可能是造成喷射钢纤维混凝土28d的抗折强度低于室内模注的钢纤维混凝土的原因。⑨掺60kg钢纤维时，喷射钢纤维混凝土28d强度低于室内模注的钢纤维混凝土。28d抗压强度低1.4%，28d抗折强度低19.2%，28d劈拉强度低12.9%，28d轴拉强度低11.7%。⑩从试验编号为15和27的两组钢纤维混凝土配合比的试验结果来看，不同料场的石子对钢纤维混凝土的力学性能影响很小。

（4）钢纤维混凝土的弯曲韧性试验。钢纤维混凝土的弯曲韧性采用中国工程建设标准化协会标准CECS13：89《钢纤维混凝土试验方法》的试验方法。该方法采用尺寸为400mm×100mm×100mm的试件，试验时将小梁两边简支，净跨300mm，喷射面（成型侧面）向下在试件跨中的两三分点同时作用集中荷载，初裂前加荷速率控制为0.05～0.08MPa/s，初裂后控制试件中心挠度变化为0.1mm/min，绘制荷载—挠度曲线，计算给定挠度的韧度实测值、弯曲韧度指数和韧度系数R30/10，并以此作为衡量喷射钢纤维混凝土韧度特性的指标。

按照上述试验方法分别进行了掺量为0、40kg、60kg、80kg钢纤维的喷射钢纤维混凝土弯曲韧性试件（由大板上切割取得）和与其对应的室内模注试件的弯曲韧性试验。试验委托上海同济大学材料研究与国家重点实验室进行，试验采用Instron 8501电液伺服万能试验机加载，该试验机可自动绘制荷载—挠度曲线。试验结果见表4.26及图4.1。

表4.26　钢纤维混凝土的弯曲韧性试验结果

图4.1　弯曲荷载挠度曲线（1）

图4.1　弯曲荷载挠度曲线（1）

对表4.26中的试验结果进行分析，可以得出如下结论：①不掺钢纤维的喷射混凝土弯曲韧度指数η10为4.41，η30为6.10，韧度系数R30/10为8.42，远低于室内模注的钢纤维混凝土。由此可见，加入钢纤维后确实可以大幅度地提高钢纤维混凝土的韧性。②室内模注钢纤维混凝土的弯曲韧度指数η10、η30和韧度系数R30/10均随钢纤维掺量的增加而增加。即钢纤维掺量越高，钢纤维混凝土的韧性越好。③钢纤维掺量为60kg、80kg的室内模注钢纤维混凝土的弯曲韧度指数η10、η30和韧度系数R30/10均满足设计要求。钢纤维掺量为40kg的室内模注钢纤维混凝土的弯曲韧度指数η30（17.86）和韧度系数R30/10（55.40）略小于设计要求。④喷射钢纤维混凝土的弯曲韧度指数η10、η30和韧度系数R30/10均比同掺量的室内模注钢纤维混凝土小。⑤钢纤维掺量为60kg的喷射钢纤维混凝土的弯曲韧度指数η10在3.58～7.43之间，η30在9.59～22.32之间，韧度系数R30/10在30.07～74.49之间，其最大值与同掺量的室内模注钢纤维混凝土接近；同掺量为40kg、80kg喷射钢纤维混凝土相比，弯曲韧度指数η10、η30和韧度系数R30/10均较优。⑥不管是室内模注的钢纤维混凝土还是喷射钢纤维混凝土，不管钢纤维掺量多少，其初裂挠度均在0.04～0.07mm之间，这表明钢纤维并不能阻碍混凝土的变形和裂缝产生，且在裂缝开展到一定程度后钢纤维才能发挥作用。

从上面的试验结果来看，在该施工工艺和施工参数的条件下，钢纤维掺量为60kg时，喷射效果最佳。

（5）喷射钢纤维混凝土大板韧度（能量吸收）试验。在工程实际应用中，钢纤维混凝土一般至少处于双向受力状态，梁的韧性试验方法仅仅体现了分布在主拉应力方向上的钢纤维的增强作用，与之相比，板的受力状态更切合实际，故有必要进行大板韧度（能量吸收）试验，以便真实地了解钢纤维对钢纤维混凝土韧性的增强作用。试验是按照欧洲喷射混凝土规范（EFNARC）平板的试验方法进行。EFNARC平板试验是研究和评价喷射钢纤维混凝土韧度特性的有效方法。该方法规定试件尺寸为600mm×600mm×100mm，试验时将大板四边简支，净跨500mm，喷射面（成型面）向下，在试件中心100mm×100mm面积上作用一集中荷载，加荷速率控制为中心点挠度变化为1.5mm/min，绘制荷载—挠度曲线，计算中心点挠度达到25mm时的能量，并以此能量值作为衡量喷射钢纤维混凝土韧度特性的指标。

按照上述试验方法，分别进行了钢纤维掺量为0、40kg、60kg、80kg的喷射钢纤维混凝土大板和与其对应的未加速凝剂的钢纤维掺量分别为40kg、60kg、80kg的室内模注大板韧度（能量吸收）试验。试验委托上海同济大学结构工程与防灾研究所进行，试验采用InstronModel1343电液伺服压力试验机加载，该试验机可自动绘制荷载—挠度曲线。试验结果见表4.27。能量、荷载与位移曲线见图4.2和图4.3。

表4.27　钢纤维混凝土大板的韧度（能量吸收）试验结果

注 14（40）、14（80）同14（60）配合比，仅钢纤维掺量不同，均未加速凝剂。

图4.2　荷载位移曲线

图4.3　能量位移曲线

试验结果表明：①不论是采用喷射还是模注方式成型的大板试验，在钢纤维混凝土中加入G1冷拉型钢丝纤维（40～80kg），可有效的改善混凝土的韧度和提高混凝土板的变形能量吸收的能力，能量吸收性能明显高于普通混凝土。②从模注大板试验结果来看，钢纤维掺量越大，变形能量吸收值越高，钢纤维混凝土韧度特性就越好。③钢纤维掺量都在40kg时，采用喷射成型的大板20d龄期的变形能量吸收值为664.6J，而采用模注成型的大板14d龄期的变形能量吸收值为691.9J。④钢纤维掺量在80kg时，喷射钢纤维混凝土大板20d龄期变形能量吸收值仅为872.4J，远低于同掺量模注成型大板14d龄期试验值1729.4J。这表明对喷射钢纤维混凝土来说，钢纤维掺量仅是决定钢纤维混凝土韧度特性好坏的一个因素，钢纤维混凝土韧度特性还受到配合比、施工工艺、施工参数的影响，如果仅一味增加钢纤维掺量，而不适当调整施工工艺和施工参数等因素是达不到改善钢纤维混凝土韧度的目的。⑤钢纤维掺量在60kg时，喷射钢纤维混凝土韧度特性最好，20d龄期大板变形能量吸收值为1086.2J，略高于同掺量室内模注14d龄期大板的试验值1011.6J，达到欧洲喷射混凝土规范（EFNARC）所规定的C级（优级，1000J）标准。这表明，在该施工工艺和施工参数的条件下，从钢纤维混凝土的变形能量吸收能力的角度来说，钢纤维掺量为60kg较好。