钢纤维混凝土性能分析报告

钢纤维混凝土性能分析报告

切断型钢纤维混凝土目前已在物流、冷库、工业厂房、停车场等多领域的建筑地坪得到广泛应用，其优点是对建筑地坪开裂现象有着显著的改善并且相比于传统工艺具有更高的施工效率，但对钢纤维混凝土掺量的计算设计，尚未建立起浅显的设计方法。

国外有关机构曾发表过关于钢纤维混凝土配合比相关的资料，甚至提出一些参考用表和经验配合比的分享。国内有关领域团队也曾提出要以抗折强度为指标进行钢纤维混凝土配合比设计，并通过试验，建立抗折强度与各主要影响因素之间量的关系，有利于配合比的设计。但多数仍按普通硅酸盐水泥混凝土的配合比设计方法，以混凝土的抗压强度确定拌合料的配合比，只是适当调整砂率、用水量和水泥用量。按此确定配合比时，为了获得较高的抗折强度，势必使抗压强度也相应提高，这是不必要的。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。 

钢纤维混凝土配合比设计的要求和特点

 一、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的材料，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。对建筑工程一般应满足抗压强度和抗拉强度的要求对路面工程一般应满足抗压强度和抗折强度的要求。 

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。 

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（注：本次研究分析对象为波尔派丝切断型钢纤维）。  

二、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硅酸盐水泥混凝土相比，其主要特点是：

1.在普通硅酸盐水泥混凝土的配合拌合料中掺入钢纤维，可以明显的提高混凝土的抗弯、抗拉、抗疲劳的能力和韧性，因此通过配合比设计进行强度控制，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，分别按抗折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，而普通硅酸盐水泥混凝土一般以抗压强度控制(道路混凝土以抗折强度控制)来确定拌合料的配合比。

 2．配合比设计时，应考虑掺钢纤维在混凝土中进行理想的均匀分散（注：波尔派丝切断型钢纤维具有二次分散效果，本次研究未进行分散效果影响系数的考虑），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，有必要适当减少粗集料的含量。   

 钢纤维混凝土配合比设计原理与方法。 

钢纤维混凝土配合比设计的基本方法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。其主要目的是根据使用要求，合理确定拌合料的水灰比，钢纤维体积率、单位用水量和砂率等四个基本参数，由此，即可计算出各组成材料的用量。 

在确定基本参数时，既要满足抗压强度要求，又要符合韧度、抗折强度和抗拉强度要求，以及和易性、经济性要求。 

实验数据表明，钢纤维混凝土的抗压强度、抗折强度和抗拉强度与混凝土标号；配合比、钢纤维体积率和长径比、粒料最大粒径、钢纤维抗拉强度等因素有关，其中钢纤维掺量、长径比和混凝土标号对基体的抗压强度影响最大。因此，采用以韧度与长径比，钢纤维掺量的关系来确定钢纤维掺量，然后用抗压强度确定基体的配合比（注：本次实验采用波尔派丝粘结成排钢纤维SF80/50BP型切断型钢纤维，其他型号钢纤维实验数据或有差异）。

由此确定的配合比与钢纤维掺量，既能满足抗压强度要求，又能满足抗折强度或抗拉强度要求，在初步确定配合比比和体积率（注：体积率为钢纤维掺量的相关表示参数，体积率越大钢纤维掺量越高）后，再根据和易性要求确定钢纤维混凝土的级配（注：本次实验采用波尔派丝粘结成排钢纤维SF80/50BP型切断型钢纤维，由于配制钢纤维混凝土原材料品种、类型的差异和施工条件的不同，在实际工程中，其配合比的设计，一般是在初步计算的基础上，通过试验和结合施工现场的条件调整确定）。

一、水灰比的确定 

由于钢纤维混凝土的抗压强度，主要取决于普通硅酸盐水泥混凝土的强度及钢纤维与骨科间的粘结力。混凝土的强度及其与骨料间的粘结力又主要取决于水泥标号和水灰比的大小，而钢纤维的体积率和长径比对抗压强度影响不大(可提高抗压强度的5％～10％)。因此，钢纤维混凝土的水灰比，可按普通硅酸盐水泥混凝土抗压强度与水泥标号、水灰比的关系式（1-1）求得。 

 ƒfcu=ARC（C/W-B）  公式（1-1） 

ƒfcu―――钢纤维混凝土试配拉压强度（Mpa）

RC―――水泥实测28d的抗压强度（Mpa）

C/W―――钢纤维混凝土所要求的灰水比

1. B―――经验系数。（当粗骨料为碎石时，A＝0.46， B＝0.52； 为砾石时，A＝0.48， B＝0.61。）

钢纤维混凝土的试配抗压强度，可按（1-2）式确定；

 ƒfcu= ƒfcu + Zσ1 公式（1-2）

ƒfcu―――钢纤维混凝土设计抗压强度（Mpa）

Z―――保证率系数

σ1―――抗压强度的标准差（Mpa） 

保证率系数的大小，应根据工程的重要程度，按保证率的要求，可根据下表确定。强度标准差，可由施工单位统计资料确定。若无统计资料时，钢纤维混凝土的强度等级为CF25-30时，σ1＝5.0（Mpa）; CF35-CF60时，σ1＝6.0Mpa。   

保证率与保证率系数关系A-1

根据试配拉压强度、粗骨料状况及水泥的标号代入式（1-1），即可求得水灰比。 通常，满足抗压强度要求时，其耐久性也能满足（注：严寒冰冻地区，其最大水灰比、最小水泥用量等应按有关规范规定执行）。

在最后确定水灰比时，应将强度或耐久性要求的水灰比作比较，选定较小者为设计水灰比。钢纤维混凝土的水灰比不易大于0.50（根据 《建筑地坪设计规范》GB0037-2013相关要求）。 

 二、钢纤维体积率的确定

 1. 对于有抗压强度和抗折强度要求时，钢纤维体积率（注：体积率为钢纤维掺量的相关表示参数，体积率越大钢纤维掺量越高）的确定。[引] 经空军工程设计研究局等单位的145组试验数据综合回归分析，钢纤维混凝土抗折强度与水灰比、钢纤维体积率、长径比及水泥的抗折强度有如下关系：

 ƒfcu=Rtm(0.12C/W + 0.31 + βtmρfιτ/df )  (1-2) 

ƒfcu―――钢纤维混凝土试配抗折强度（Mpa）

Rtm―――实测28d的水泥抗折强度（Mpa）

C/W―――钢纤维混凝土所要求的灰水比

βtm―――切割型 0.30 32 1.004 0.126 0.125 

公式（1-3）适用于水泥标号为M4.25和M5.25水泥，水灰比0.4-0.6，中秒，砂率为40%-60%，碎石粒 径为5-20mm，钢纤维体积率0.5-2.5%，长径比为40-100。   

钢纤维混凝土试配抗折强度可按式（1-4）计算：   

ƒfcu= ƒfcu + Zσ2   （1-4） 

ƒfcu―――钢纤维混凝土设计抗折强度（Mpa）

Z―――保证率系数 

σ2―――钢纤维混凝土抗折强度标准差  

 试配抗强度也可根据有关规范规定，由设计抗折强度乘以提高系数1.10-1.15计算。  

 由式（1-3）可知，当已知钢纤维混凝土的试配抗折强度、水灰比、水泥抗折强度及钢纤维的品种 后，即可求得钢纤维的体积率。确定体积率时，在满足强度要求的原则下，必须考虑经济性和便于施工， 尽量减少钢纤维的用量，必要时可适当调整水灰比，以求得合适的体积率。   

（2）根据抗折强度和由抗压强度确定的水灰比及水泥抗压强度，也可按式（1-5）确定剪切钢纤维 的体积率。   

[引]根据东南大学试验结果，剪切钢纤维混凝土的抗折强度与水泥比，体积率、长径比以及水泥抗压强 度有如下关系：   

ƒfcu=Rc(0.0802C/W + 0.08ρfιτ/df –0.0801)  (1-5) 

ƒfcu―――钢纤维混凝土试配抗折强度（Mpa）

Rc―――实测28d的水泥抗压强度（Mpa）

C/W―――钢纤维混凝土所要求的灰水比   

若已知钢纤维混凝土的抗折强度、水灰比、水泥抗压强度及钢纤维长径比，按式（1-5）即可求得 剪切钢纤维的体积率。 2.对有抗压强度和抗拉强度要求时，钢纤维体积率的确定 根据文献，钢纤维混凝土抗拉强度与其基体混凝土抗拉强度、钢纤维体积率、长径比有下列关系：

ƒft=ƒt(1 + αtρfιf/df )   (1-6) 

ƒft―――钢纤维混凝土设计抗拉强度（Mpa）

ƒt―――钢纤维混凝土设计抗拉强度（Mpa）

αt―――钢纤维对抗拉强度的影响系数。； 

δ―――离散系数

三、钢纤维混凝土单位体积用水量和水泥用量的确定 

在水灰比保持一定的条件下，单位体积用水量和钢纤维体积率是控制拌合料和易性的主要因素，用水量的确定应使拌合料达到要求的和易性、便于施工为准。钢纤维混凝土的和易性，按维勃稠度控制，一般以15-30s为宜。 由于影响单位体积用水量的因素较多，选用的原材料差异，因而用水量也有不同。在实际应用中， 可通过试验或根据已有经验确定。也可根据材料品种规格、钢纤维体积率、水灰比和稠度参照表选用。

四、成排钢纤维混凝土单位体积含气量的确定 

（1）准备一块平整的玻璃板，将它和空的量钵一起 称量W2（精确至0.05kg）; 在容器中加满水，并用玻璃板沿上缘滑过，不时用注水器加水，使量钵内盛满水而玻璃板下无 气泡，将盛满水的量钵与玻璃板一起称中，得重量W1（精确至0.05kg）则量钵的体积V： W=W1-W2（W、W1、W2-kg） V=W1-W2（W、W1、W2-kg） V=W/r （V-L） r- 标定时温度下水的比重（r-kg/L）  

（2）量钵内加满未掺入粘结成排钢纤维普通硅酸盐水泥，并把直管接在钵盖下面的排气阀底部。 把U型管接排气阀上部。 打开进水阀，把钵盖轻放在量钵上，用夹子夹紧，用水平仪检查仪器水平。 打开排气阀，用注水器从进水阀处加水直至U型管出水口冒水匀速度流出为止，然后关闭进水阀和排气阀 。用手泵打气加压，使表压稍过-3，停5 秒钟后，用微调阀调压，使表压准确的停在-3上，轻敲表盘，表压仍为-3，然后按 下压力阀2-3次，使气室压力与量钵压力平衡， 读压力表数值相当于含气量0%  

（2）将钢纤维按照设计掺量谨慎的掺入制备好的普通硅酸盐水泥混凝土中，充分搅拌，保障粘结剂充分分解。按顺时针的方向敲击制备钢纤维混凝土的容器，以便将混凝土中在掺入钢纤维时格外进入的外部空气排除，重复步骤（1）。

两次实验的数据进行相减即为钢纤维对混凝土增长的含气量（注：本次实验采用波尔派丝粘结成排钢纤维SF80/50BP型切断型钢纤维，该型号钢纤维采用环保型粘接剂与混凝土不发生反应增长含气量可视为零，其他型号钢纤维实验数据或有差异）。