夏海江 ，梁 力

（1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819；2.遼寧省水利水電科學研究院,遼寧 沈陽 110003）

關于鋼纖維混凝土技術(shù)，早在1910年美國有相關研究報告，英、法、德等國在1940年也開始研究，并于1963年有了關于鋼纖維約束混凝土裂縫開裂機理的文獻，至此進入了這種新型復合材料的開發(fā)研究應用階段。

20世紀70年代，我國展開了鋼纖維混凝土基本性能與機理研究。研究表明鋼纖維混凝土具有截面小、強度高、韌性好、施工簡便等多方面優(yōu)點，在隧洞襯砌、礦山井巷襯砌、房屋建筑、公路橋梁等工程建設中廣泛應用，取得很好效果。

1 工程背景

遼寧省某大型輸水工程（一期）采用自流無壓引水，輸水隧洞全長近百公里，向中部地區(qū)6座城市提供工業(yè)和生活用水的一項大型跨流域引水工程。輸水隧洞開挖洞徑8.0 m，成洞洞徑7.16 m，設計調(diào)水流量為60 m3/s，多年平均調(diào)水量18.43億m3，總投資57.12億元。

該工程輸水隧洞部分段采用了鋼纖維混凝土襯砌，為開展鋼纖維混凝土技術(shù)應用研究提供了基礎條件。

2 材料與方法

2.1 材料

1）鋼纖維：特征參數(shù)主要有鋼纖維長度、直徑（或等效直徑）、長徑比及體積率[4]。采用鞍山市昌宏鋼纖維有限公司生產(chǎn)的螺紋型和超細型兩種。

2）水泥：渾河牌 PO42.5。

3）粉煤灰：沈海熱電廠Ⅰ級粉煤灰。

4）細骨料：撫順章京12號料場的天然河砂，中砂。

5）粗骨料：撫順章京12號料場的卵石，二級配（5～10，10～20 mm）。

6）外加劑：上海麥斯特高效減水劑，屬聚羧酸鹽類。

7）水：自來水。

2.2 基本參數(shù)

1）基準混凝土配合比粉煤灰摻量為10%。

2）最優(yōu)砂率為45%。

3）二級粗骨料重量比 1∶1。

4）初始坍落度控制為190±30 mm。

5）混凝土設計強度等級為CF30F100W8，配制抗壓強度按GB50204《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定，計算為38.2 MPa。

6）水灰比按JGJ55-200《普通混凝土配合比設計規(guī)程》及混凝土配制強度、水泥28 d實測強度值初算。根據(jù)CECS38：2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對于以耐久性為主要要求的混凝土，水灰比不得大于0.45；根據(jù)《泵送混凝土施工技術(shù)規(guī)程》FGJ/T10-95，泵送混凝土的水灰比宜為0.4～0.6，試驗中使用的外加劑具有高效減水作用。因此，確定基準混凝土配合比水灰比為W/（C+F）=0.40。

7）基準混凝土單位用水量為168 kg。

8）根據(jù)已有資料及工程經(jīng)驗，選擇鋼纖維體積率為0.50%，對應摻量為40 kg/m3。其他體積率的對應摻量按此等比例計算。

2.3 方法

基準混凝土配合比分別摻入2種鋼纖維，鋼纖維體積率分別為 0，0.25%，0.5%，0.75%，1.0%，1.25%，1.5%，1.75%，2.0%，進行混凝土拌合，測試抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、初裂強度、韌度指數(shù)。

3 結(jié)果

3.1 抗壓強度

隨著鋼纖維體積率增加，混凝土抗壓強度逐漸降低；在相同鋼纖維體積率時，超細型鋼纖維混凝土抗壓強度普遍大于螺紋型鋼纖維混凝土抗壓強度0.5～5.5 MPa，高出比例為1.2%～17.0%。當鋼纖維體積率為0時（即素混凝土），鋼纖維混凝土抗壓強度最高，摻超細型和螺紋型兩種鋼纖維的混凝土抗壓強度均為42.4 MPa；當鋼纖維體積率為2.0%時，摻兩種鋼纖維的抗壓強度均達到較小值，抗壓強度分別為31.9 MPa和30.1 MPa，相當于素混凝土抗壓強度的75%和71%?；炷量箟簭姸扰c鋼纖維體積率變化過程曲線見圖1。

同時，鋼纖維混凝土抗壓試驗過程中，試件破壞面較素混凝土的粗糙，與水平面夾角達到60°～70°，近似與加載方向平行，且混凝土破碎現(xiàn)象不明顯。說明鋼纖維混凝土抗剪切能力增強。

3.2 抗折強度

隨著鋼纖維體積率ρf由0.0%增大到1.5%，混凝土抗折強度緩慢逐漸增大；ρf由1.5%增大到2.0%，混凝土抗折強度逐漸降低。在相同鋼纖維體積率時，超細型鋼纖維混凝土抗折強度普遍大于螺紋型鋼纖維混凝土抗折強度0.10～0.53 MPa，高出比例為2.2%～12.6%。當鋼纖維體積率ρf為1.5%時，鋼纖維混凝土抗折強度最高，摻超細型和螺紋型兩種鋼纖維的混凝土抗折強度分別為5.05 MPa和4.62 MPa。

3.3 劈裂抗拉強度

隨著鋼纖維體積率ρf由0.0%增大到1.75%，混凝土劈裂抗拉強度緩慢逐漸增大；ρf由1.75%增大到2.0%，混凝土劈裂抗拉強度逐漸降低。在相同鋼纖維體積率時，超細型鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度普遍大于螺紋型鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度0.06～0.55 MPa，高出比例為1.6%～13.3%。當鋼纖維體積率ρf為1.75%時，鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度最高，摻超細型和螺紋型兩種鋼纖維的混凝土劈裂抗拉強度分別為4.99 MPa和4.91 MPa。

圖1 混凝土抗壓強度與鋼纖維體積率變化過程曲線

3.4 初裂強度和韌度指數(shù)

鋼纖維混凝土試件的初裂強度、韌度指數(shù)計算過程為：

1）將直尺與荷載～撓度曲線的線性部分重疊放置，重疊段端點A為初裂點，A點的縱坐標為初裂荷載Fcra，橫坐標為初裂撓度δcr，面積OAB為初裂韌度。

2）以0為原點，按橫坐標為 1.0，3.0，5.5和10.5初裂撓度δcr的倍數(shù),在橫軸上確定B，D，F(xiàn)和H點，用求積儀測得OAB，OACD，OAEF 和 OAGH 的面積, 分別記 1 作 Ωδ，Ω3δ，Ω5.5δ，Ω10.5δ。按下列公式計算不同變形幅度的彎曲韌度指數(shù)，以4個試件的算術(shù)平均值作為該組的韌度指數(shù)。

4）選取基準配合比編號為12-24-8的混凝土拌合物試驗結(jié)果，繪制鋼纖維混凝土（以超細型鋼纖維=0.5%時）的荷載～撓度曲線，計算初裂強度及韌度指數(shù)，計算結(jié)果見表1。

5）不同類型鋼纖維混凝土初裂強度和韌度指數(shù)比對分析。

當鋼纖維體積率為0.5%時，6次重復試驗，兩種鋼纖維混凝土的初裂強度、韌度指數(shù)比對，初裂強度相等，韌度指數(shù)基本相當，差異幅度在0.2%～1.8%以內(nèi)。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

3.5 荷載與撓度關系曲線比對

繪制基準混凝土及2種鋼纖維混凝土（鋼纖維體積率=0.5%時）的荷載～撓度曲線見圖2。

由曲線變化過程，可以得出鋼纖維混凝土較基準混凝土的荷載～撓度直線性過程延長；鋼纖維混凝土的極大荷載大于基準混凝土的極大荷載；極大荷載之后，混凝土承載能力均在減少，基準混凝土承載能力減少速度更快，鋼纖維混凝土承載能力始終大于基準混凝土的承載能力；超細型鋼纖維混凝土的極大荷載大于螺紋型鋼纖維混凝土的極大荷載，極大荷載之后，超細型鋼纖維混凝土承載能力始終大于螺紋型鋼纖維混凝土的承載能力。

表1 初裂強度及韌度指數(shù)計算結(jié)果

表2 不同類型鋼纖維混凝土初裂強度和韌度指數(shù)比對分析

4 結(jié)語

1）鋼纖維具有改變混凝土力學性能的作用。當鋼纖維體積率由0.0%增大到2.0%，混凝土抗壓強度逐漸降低；當由0.0%增大到1.5%，混凝土抗折強度逐漸增大，由1.5%增大到2.0%，混凝土抗折強度逐漸降低；當由0.0%增大到1.75%，混凝土劈裂抗拉強度緩慢逐漸增大，由1.75%增大到2.0%，混凝土劈裂抗拉強度逐漸降低。相同體積率的超細型鋼纖維混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度均大于螺紋型鋼纖維混凝土的相應指標數(shù)值。

圖2 基準混凝土及鋼纖維混凝土的荷載～撓度曲線

2）當鋼纖維體積率為0.5%時，超細型和螺紋型兩種鋼纖維混凝土的初裂強度相等，韌度指數(shù)基本相當，6次重復試驗結(jié)果差異幅度在0.2%～1.8%以內(nèi)。鋼纖維混凝土的荷載～撓度直線性過程延長；鋼纖維混凝土的極大荷載大于基準混凝土的極大荷載；極大荷載之后，混凝土承載能力均在減少，基準混凝土承載能力減少速度更快，鋼纖維混凝土承載能力始終大于基準混凝土的承載能力；超細型鋼纖維混凝土承載能力始終大于螺紋型鋼纖維混凝土的承載能力。

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[5]GB50204，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范[S].

[6]JGJ55-2000，普通混凝土配合比設計規(guī)程[S].

[7]CECS38∶2004，纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)要求[S].

[8]GJ/T10-95，混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程[S].