模注泵送钢纤维混凝土的试验研究

（1）模注泵送钢纤维混凝土初期试验。在现场喷射试验过程中，起初已认识到，即使通过试验摸索，使麦斯特湿喷机完全具备产品说明书中所介绍的工艺性能，鉴于佛子岭大坝加固这种特定的施工环境，局部部位也有可能需要采用模注泵送钢纤维混凝土的方式进行施工。为此，早在2002年10月27日，在喷射现场就做了一组配合比（表4.61中的试验编号为10.27）的模注泵送钢纤维混凝土试验。

佛子岭大坝加固结构性要求很高。该坝经过50年的运行，坝体混凝土抗压强度都达到C40以上，从提高混凝土的弹性模量，增强其韧性考虑，选择了钢纤维增强混凝土而不是普通混凝土。鉴于佛子岭大坝加固这种特定的施工环境，两端拱上下游面加固厚度分别为15cm和10cm钢纤维混凝土，且是斜面，立模浇筑不仅施工难度大，成本高，而且也难以实现；而垛内加固，空间窄小，立模浇筑也十分困难。同时，也想通过加固，达到新贴厚加固的钢纤维混凝土与原结构共同起作用的目的，不仅要求新老混凝土结合面具有较高的粘结强，而且要求其干缩变形很小，避免产生裂缝。批复加固方案中优先选择了喷射钢纤维混凝土的施工工艺，而未考虑模注钢纤维混凝土的施工工艺。

从现场喷射试验的测试结果中可以发现，喷射钢纤维混凝土的轴拉强度低于设计要求，特别是新老混凝土间的粘结强度远达不到设计要求。在现场试验过程中，虽然严格控制了钢纤维混凝土拌和物的水胶比，尽可能降低坍落度，但在喷射形成的钢纤维混凝土实体结构上已发现了有裂缝产生。在普通混凝土施工中存在的问题，也不能通过喷射钢纤维混凝土的施工工艺来彻底解决。

随着现场喷射试验的深入进行，愈来愈觉得有必要进行模注钢纤维混凝土试验。继2002年10月27日之后，又于2003年1月18日至2月2日，进行了一系列模注泵送钢纤维混凝土试验。试验结果见表4.61、表4.62、表4.63、表4.64和表4.65。这时的试验都是探索性的，主要是与现场喷射钢纤维混凝土的施工工艺进行比较，进一步了解在配合比基本相同的情况下，仅钢纤维混凝土的施工工艺不同，其各项性能指标的变化情况。

表4.61　模注泵送钢纤维混凝土拌和物性能的初期试验结果

续表

注 1.1.20.2钢纤维混凝土初凝时间为12h00min，终凝时间为17h40min。
2.10.27、1.18配合比为现场浇注的钢纤维混凝土配合比，其余为室内模注的钢纤维混凝土配合比。

1）模注泵送钢纤维混凝土的拌和物性能的初期试验。从表4.61可以看出：①钢纤维混凝土初始坍落度在135～145mm之间，30min后坍落度在105～120mm之间，均满足泵送要求。②胶凝材料用量接近时，掺粉煤灰（掺量为23.9%）的钢纤维混凝土单位用水量比掺硅粉（掺量为5.3%）的少13%。这与原材料检验结果中，得出的粉煤灰有减水效果而硅粉却要增加钢纤维混凝土的单位用水量的结果一致。③随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的密度也随之增大，但幅度很小。这是因为钢纤维掺量的增加虽很小，但其密度高于混凝土的缘故。

2）模注泵送钢纤维混凝土的力学性能的初期试验。按表4.61给出的配合比，进行了室内和现场模注钢纤维混凝土的力学性能试验，其结果见表4.62和表4.63。

表4.62　模注泵送钢纤维混凝土强度的初期试验结果

①表示龄期为28d。

从表4.62和表4.63可以看出：①在胶凝材料减少70～80kg/m3、钢纤维减少10kg/m3的情况下（钢纤维型号由G2改为G1），泵送钢纤维混凝土的各项力学性仍能达到喷射钢纤维混凝土的性能指标。②随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的抗压强度增长不明显，这再次验证了前面的试验结论。③随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的抗折强度、劈拉强度、轴拉强度和抗拉弹模有不同程度的增长，这与前面的试验结果也吻合。④室内模注试件的28d抗压强度低于相同配合比现场浇筑的结构实体上芯样的37d抗压强度，但前者的劈拉强度却高出后者52%～66%，这主要是因为两者试件的形状不同（室内模注的试件为边长100mm的立方体，现场取出的芯样则加工成直径和高度均为100mm的圆柱体试件），试验方法的差别造成了试验结果的悬殊。此外取芯时芯样周边的钢纤维被钻断也减弱和降低了钢纤维在钢纤维混凝土中增强作用（尽管两者钢纤维含量基本相同）。⑤从钢纤维混凝土的各强度之间的比值来看，轴拉强度、劈拉强度及抗折强度与抗压强度的比值随钢纤维掺量的增加而增加，这表明了钢纤维的掺量对轴拉强度、劈拉强度及抗折强度的影响高于对抗压强度的影响；劈拉强度及抗折强度与轴拉强度的比值随钢纤维掺量的增加而增加，这表明了钢纤维的掺量对劈拉强度和抗折强度的影响高于对轴拉强度的影响；抗折强度与劈拉强度的比值随钢纤维掺量的增加而增加，这表明了钢纤维的掺量对抗折强度的影响高于对劈拉强度的影响。也就是说，钢纤维掺量的变化对钢纤维混凝土的抗折强度影响最大，其次是劈拉强度、轴拉强度，对抗压强度的影响最小。⑥钢纤维掺量相同时，掺粉煤灰的钢纤维混凝土的各强度之间的比值与掺硅粉的钢纤维混凝土的各强度之间的比值比较接近，这表明在对不同强度的影响方面，粉煤灰和硅粉具有一定的相似性。

表4.63　模注泵送钢纤维混凝土初期试验的强度增长率及强度比

3）模注泵送钢纤维混凝土初期试验的粘结强度。按照表4.61给出的钢纤维混凝土配合比，在现场进行了模注钢纤维混凝土的粘结性能试验，其结果见表4.64。

从表4.64的试验结果可以看出：①泵送钢纤维混凝土与老混凝土结合面的粘结轴拉强度在0.4～1.7MPa范围内变化，离散性较大，其最大值为1.7MPa，不满足设计3.0MPa的要求。②在斜拱上浇筑钢纤维混凝土时，新老混凝土结合面粘结轴拉强度在0.5～1.0MPa之间，其平均粘结轴拉强度仅为0.7MPa；而在侧墙上浇筑钢纤维混凝土时，新老混凝土结合面粘结轴拉强度在0.4～1.7MPa，其平均粘结轴拉强度为1.0MPa，略高于前者。③新老混凝土联合结构的破坏也是在新老混凝土结合面发生的，这是因为凿毛施工时老混凝土面受到创伤所致，这与现场喷射钢纤维混凝土的试验结果一致。④取芯时钻头与混凝土之间的摩阻力矩，有可能使新老混凝土结合面粘结轴拉强度有所降低。

表4.64　模注泵送钢纤维混凝土新老结合面粘结轴拉强度的初期试验结果

4）模注泵送钢纤维混凝土韧性的初期试验。按照表4.61给出的钢纤维混凝土配合比，进行了室内模注钢纤维混凝土的弯曲韧性试验，其结果如表4.65和图4.5所示。

表4.65　模注泵送钢纤维混凝土的弯曲韧性初期试验结果

注 试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

图4.5　弯曲荷载挠度曲线（3）

从上面的试验结果可以看到：①泵送钢纤维混凝土弯曲韧度指数η10在6.14～8.45之间，η30在18.46～26.01之间，韧度系数R30/10在61.61～87.85之间，均满足设计要求。②在胶凝材料减少70～80kg/m3、钢纤维减少10kg/m3的情况下（钢纤维型号由G2改为G1），泵送钢纤维混凝土的韧性指标仍能达到甚至超过喷射钢纤维混凝土的性能指标。③随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的弯曲韧度指数η10、η30、韧度系数R30/10均有较大幅度的增长。这充分体现了钢纤维在改善混凝土韧性方面的效果。④在相同钢纤维掺量和相近的胶凝材料用量的条件下，掺用粉煤灰的泵送钢纤维混凝土的韧度指标优于掺用硅粉的钢纤维混凝土。

5）模注泵送钢纤维混凝土初期试验的变形性能。按照表4.61给出的钢纤维混凝土配合比，进行了室内模注钢纤维混凝土的干缩、限制膨胀率和温度变形系数试验，其结果见表4.66、表4.67和表4.68。

从表4.66、表4.67和表4.68可以看出：①从钢纤维混凝土干缩率结果来看，在胶凝材料用量高10kg/m3的情况下，掺粉煤灰的钢纤维混凝土干缩率仍低于掺硅粉的钢纤维混凝土，3d后各龄期的干缩率仅为掺硅粉的钢纤维混凝土的64%～80%。这是因为硅粉的比表面积特大（大于等于15000m2/kg），远高于水泥（比表面积大于300m2/kg）和粉煤灰（比表面积大于600m2/kg），需水量比大（121%），钢纤维混凝土单位用水量高，从而增加了钢纤维混凝土的干缩率。而粉煤灰水化较晚，初期在钢纤维混凝土中只充当了细骨料的作用，这相当于前期减少了胶凝材料的用量，此外它还可以减少钢纤维混凝土单位用水量，故可以减少钢纤维混凝土的干缩。②从钢纤维混凝土限制膨胀率结果来看，两者的变化规律基本一致，水中前期均表现为膨胀且在缓慢增长，水中后期表现为膨胀但在逐渐降低。水中14d后又放置在空气中14d的试件均表现为收缩状态。从具体测值来看，初期（水中3d）掺粉煤灰的钢纤维混凝土限制膨胀率高于掺硅粉的钢纤维混凝土，此后前者又低于后者。③掺粉煤灰的模注泵送钢纤维混凝土的干缩率比喷射钢纤维混凝土（2.12成型）小15%～39%，掺硅粉的模注泵送钢纤维混凝土干缩率与喷射钢纤维混凝土（2.12成型）相接近；掺粉煤灰、硅粉的模注泵送钢纤维混凝土水中限制膨胀率要比喷射钢纤维混凝土（2.12成型）大一些，这有利于新老混凝土联合结构的防裂；但两者水中14d后又放置在空气中14d的试件变形却大于喷射钢纤维混凝土（2.12成型）。④从模注泵送钢纤维混凝土的温度变形系数试验结果来看，掺粉煤灰的钢纤维混凝土和掺硅粉的钢纤维混凝土在温度升高10℃（基准温度20℃）和降低10℃（基准温度30℃）时试件长度变化基本相同，与普通混凝土的此项性能亦一致。

表4.66　初期模注泵送钢纤维混凝土干缩试验结果

表4.67　初期模注泵送钢纤维混凝土限制膨胀率试验结果

表4.68　初期模注泵送钢纤维混凝土温度变形系数试验结果

6）初期推荐模注泵送钢纤维混凝土配合比及其性能。根据对上述试验成果的分析，初步推荐泵送钢纤维混凝土配合比见表4.69，其各项性能见表4.70、表4.71、表4.72和表4.73。

表4.69　模注泵送钢纤维混凝土初期推荐配合比

表4.70　初期推荐配合比模注泵送钢纤维混凝土强度试验结果

表4.71　初期推荐配合比模注泵送钢纤维混凝土的弯曲韧性试验结果

表4.72　初期推荐配合比模注泵送钢纤维混凝土干缩试验结果

由表4.69～表4.73可知：采用推荐配合比的钢纤维混凝土拌和物坍落度控制在100～140mm之间可正常泵送，模注钢纤维混凝土的各项力学性能和韧度特性均满足设计要求，且其变形性能优于喷射钢纤维混凝土，但新老混凝土之间的粘结性能仍不能满足设计要求。

表4.73　初期推荐配合比模注泵送钢纤维混凝土限制膨胀率试验结果(www.xing528.com)

将前面喷射钢纤维混凝土的试验结果与上面模注泵送钢纤维混凝土的初步试验结果进行比较，特别是从两组推荐配合比及其各项性能指标可以看出：①喷射钢纤维混凝土的胶凝材料总量为550kg/m3，而模注泵送钢纤维混凝土为480kg/m3，其中水泥少40kg/m3，硅粉少25kg/m3（不用硅粉），PJ少5kg/m3。②喷射钢纤维混凝土较模注泵送钢纤维混凝土的钢纤维掺量由60kg/m3降为50kg/m3。③喷射钢纤维混凝土较模注泵送钢纤维混凝土的坍落度由190～155mm降为145～105mm。④喷射钢纤维混凝土与模注泵送钢纤维混凝土相比，28d轴拉、抗压、抗折和劈拉强度基本相当。⑤喷射钢纤维混凝土与模注泵送钢纤维混凝土相比，弯曲韧性指标略低。⑥喷射钢纤维混凝土与模注泵送钢纤维混凝土相比，干缩率略小，而限制膨胀率略大。

若从施工工艺和保证质量角度看，模注泵送钢纤维混凝土也较喷射钢纤维混凝土优越。喷射钢纤维混凝土施工工艺将钢纤维混凝土输送、浇筑捣实合为一道工序，减少立模、折模和振捣工序，增加了一道清理钢纤维混凝土回弹物工序，但操作工艺要求高，通风条件差时需增加通风设备。且佛子岭大坝垛内加固，有水平隔板必须采用常规混凝土立模浇筑，若按原加固方案需要两种施工工艺轮换作业，工序相对复杂。如采用喷射工艺施工，结构强度要求还需布置较多配筋，可能影响其密实性。相比之下，模注钢纤维混凝土施工工艺较常规，质量控制有把握。

通过现场试验研究，对喷射钢纤维混凝土的配合比及其各项性能、施工设备、操作工艺等方面有了进一步认识和了解，通过现场模注泵送钢纤维混凝土的初步试验结果可以看出，在使用相同骨料和其他材料组分都略有降低的情况下，模注钢纤维混凝土的各项性能较喷射钢纤维混凝土优，且施工质量便于控制。

鉴于佛子岭大坝加固的实际情况，通过对泵送钢纤维混凝土和喷射钢纤维混凝土的配合比及其各项性能的分析和比较，认为两端拱加固仍然采用原喷射工艺施工的加固方案，可以充分发挥其喷射工艺的优点；而垛内加固改为模注工艺施工的方案，这样也可以充分发挥模注泵送钢纤维混凝土的各项优点。况且以上模注泵送钢纤维混凝土的试验是为与喷射钢纤维混凝土试验的结果进行比较而作的初步探索，如果有关部门同意修改还可以就此方案作一些深入研究，该方案还有改进的余地。

在试验取得上述成果之后，一方面组织国内有一定影响的特别是在钢纤维混凝土方面的研究和实践方面有较高造诣的专家和学者，对当时的试验成果进行总结和论证。另一方面，要求设计单位编制大坝加固的修改方案，报有关部门批准。2003年4月23日，专家们对佛子岭大坝水库加固工程现场钢纤维混凝土试验成果进行了评审，专家们在充分肯定试验成果的基础上，还给予了很高的评价，这给试验小组增强了信心。特别是，上级部门根据专家们提出的意见，同意将坝垛加固方案由原来的喷射钢纤维混凝土改为模注泵送钢纤维混凝土。仅此一项，节省投资1000多万元。

（2）模注泵送钢纤维混凝土配合比的优化与确定。此前所进行的室内和现场模注钢纤维混凝土的各项试验，都是为了与现场喷射钢纤维混凝土的施工工艺进行比较的，试验结果表明，在水泥和钢纤维用量均能节省的条件下，模注钢纤维混凝土的力学性能较喷射钢纤维混凝土有所提高。正是根据这一成果，有关部门已批准同意将垛内14000多m3喷射钢纤维混凝土改为模注泵送钢纤维混凝土。为了选择出更适合佛子岭连拱坝垛内加固设计和施工的需要，经济合理的模注泵送钢纤维混凝土的配合比，有必要结合实际施工条件，有针对性地对现场试验阶段确定的模注泵送钢纤维混凝土的初期配合比做进一步优化试验，主要优选外加剂的品种、钢纤维的品种和规格及骨料的最大粒径，并进行各项试验研究和有关指标测试，以选定用于实际施工的钢纤维混凝土的各种原材料及配合比。

为了进行多方面比较，也便于将来施工时材料采购有一定的选择余地，模注泵送钢纤维混凝土配合比优化试验阶段，又选用了另一厂家生产的PJ型高效减水剂（为与前面使用的PJ区别起见，以下以PJ′示之）和另一种缓凝型高效减水剂（以PJ″示之），进行了限制膨胀率和干缩的对比试验。各组模注钢纤维混凝土试验的配合比见表4.74。

表4.74　模注泵送钢纤维混凝土配合比一览表

注 石子栏中“大”表示石子粒径为5～20mm，“小”表示石子粒径为5～15mm。

1）模注泵送钢纤维混凝土的拌和物性能。从表4.74和表4.75可以看出：①PJ′减水效果最好，PJ次之，PJ″减水效果最差，这也和前面外加剂检验结果吻合。从表4.74、表4.75和表4.76可以看出，掺PJ″缓凝型高效减水膨胀剂的钢纤维混凝土在单位用水量为230kg时，钢纤维混凝土坍落度仅为130mm，不能满足施工要求，其抗压强度亦不能满足设计要求，故可从候选外加剂中剔除；PJ′和PJ的钢纤维混凝土单位用水量较小，坍落度较大，凝结时间较长，能够满足泵送施工要求。②钢纤维品种对钢纤维混凝土坍落度有一定影响，其他材料不变，钢纤维长度和长径比亦不变，掺G7、G8、G9钢丝型纤维的钢纤维混凝土坍落度均比掺G10、G11钢丝型纤维略高一些；③水胶比不变，在保持钢纤维混凝土坍落度基本相同的条件下，5～15mm小粒径碎石混凝土所需胶凝材料用量比5～20mm较大粒径碎石多20kg/m3，凝结时间约缩短2～4h。

表4.75　模注泵送钢纤维混凝土拌和物性能一览表

注 1.（）内的坍落度为30℃时的测值，其余均为20℃时的测值。
2.表中所测的凝结时间为未加钢纤维的同配合比的钢纤维混凝土凝结时间。

2）模注泵送钢纤维混凝土的力学性能和粘结性能。从表4.74和表4.76可得出以下结论：①在胶凝材料用量相同的条件下，虽然PJ的钢纤维混凝土单位用水量略高一些，但其各项力学性能均优于掺PJ′的钢纤维混凝土。②钢纤维品种对钢纤维混凝土抗压强度、劈拉强度基本无影响，但对钢纤维混凝土的轴拉强度有一定影响。从表4.76可以看到，在钢纤维掺量相同的情况下，掺G10、G11钢丝型纤维的钢纤维混凝土轴拉强度最大，掺G7、G8钢丝型纤维的钢纤维混凝土轴拉强度次之，掺G9剪切型钢纤维的钢纤维混凝土轴拉强度最小，且钢纤维混凝土断裂后钢纤维未能起到承受荷载作用。③在水胶比保持不变的情况下，5～15mm粒径碎石混凝土胶凝材料用量虽比5～20mm粒径碎石多20kg/m3，但两者各项力学性能指标无较大差异。④从表4.76来看，室内新老混凝土粘结劈拉强度能够满足设计要求。

表4.76　模注泵送钢纤维混凝土力学性能性能一览表

3）模注泵送钢纤维混凝土的变形性能。按照表4.74配合比，进行室内模注钢纤维混凝土的干缩、限制膨胀率和线膨胀系数试验，其结果见表4.77。

表4.77　模注泵送钢纤维混凝土干缩试验结果

从表4.76和表4.78可以看出：①掺PJ的钢纤维混凝土的自由干缩和限制干缩比掺PJ′的钢纤维混凝土小一些，即PJ对钢纤维混凝土的干缩等变形性能更有利。②水胶比相同条件下，采用粒径大的粗骨料可减少胶凝材料用量，从而减小钢纤维混凝土的干缩和限制膨胀率，有利于降低钢纤维混凝土出现裂缝的几率及其危害程度。③线膨胀系数是表示钢纤维混凝土温度每变化1℃时沿其长度方向的尺寸变化量，它可用水泥石和骨料的线膨胀系数的加权平均值来表示，由于水泥石的线膨胀系数为11～20（10-6/℃），而骨料的线膨胀系数为5～13（10-6/℃），因此灰骨比大的钢纤维混凝土线膨胀系数要大一些，表4.79中的数据亦证实了这一点。

表4.78　模注泵送钢纤维混凝土限制膨胀率试验结果

表4.79　模注泵送钢纤维混凝土线膨胀系数试验结果

4）模注泵送钢纤维混凝土的韧性。钢纤维混凝土弯曲韧度试验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。采用尺寸为400mm×100mm×100mm试件，用以比较不同钢纤维对钢纤维混凝土弯曲韧度的影响。按照表4.74配合比，进行室内模注钢纤维混凝土的韧性试验，其结果见表4.80和图4.6。

表4.80　钢纤维混凝土的弯曲韧性试验结果

注 试件尺寸均为100mm×100mm×400mm。

图4.6　弯曲荷载挠度曲线（4）

从表4.80可以看出：相同条件下：①掺G11型、G10型钢丝纤维的钢纤维混凝土韧性指标高于掺同样长度和掺量的G8型、G7型钢纤维的钢纤维混凝土相应指标。②采用长径比大的钢纤维和粒径大的粗骨料拌制的钢纤维混凝土韧性要优于采用长径比小的钢纤维和粒径小的粗骨料拌制的钢纤维混凝土。

5）成果及建议。

a.推荐模注泵送钢纤维混凝土配合比。根据对上述试验结果的分析，推荐模注钢纤维混凝土配合比见表4.81，其性能见表4.82、表4.83和表4.84。

表4.81　推荐模注泵送钢纤维混凝土配合比

表4.82　推荐配合比钢纤维混凝土的强度及弯曲韧性试验结果

注 弯曲韧度试验试件尺寸为150mm×150mm×550mm。

表4.83　推荐配合比钢纤维混凝土干缩试验结果

表4.84　推荐配合比钢纤维混凝土限制膨胀率试验结果

b.几点建议。

a）新老混凝土结合面是结构的薄弱面。老混凝土的表面宜采用风镐凿毛，凿毛后应用高压水或其他措施将表面一层已松动受损的混凝土剔去；钢纤维混凝土浇筑前，老混凝土表面应保持潮湿状态。

b）施工过程中应按照有关规范要求，严格控制钢纤维及外加剂的计量，并采取措施防止钢纤维在混凝土拌和过程中出现分布不均匀、结团等现象。