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1、高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集正交设计法在泵送钢纤维混凝土施工配合比设计中的应用研究虞孝伟1 乐大容2( 1 吴江公兴混凝土有限公司，江苏2 1 5 2 2 1 ，2 深圳国全混凝土有限公司，深圳5 1 8 1 0 2 )1 前言钢纤维混凝土以其优异的增强、增韧、阻裂及耐磨等性能，在建筑、交通、能源、冶金、军事和耐火材料等领域得到广泛的应用。但由于钢纤维混凝土组成材料较多，影响因素复杂，加之目前对钢纤维混凝土拌合物的配合比设计尚未建立起合理而成熟设计方法H 1 。若按照常规的试验方法，短时间内难以试验出既能满足工程设计要求和施工需要、又经济合理的施工配合比。2 0 0 2 年8 月
2、，我公司根据承担1 0 7 国道S Z B A 机场至西乡立交桥段改造工程中的某跨线桥钢纤维混凝土的供应任务，开展了钢纤维混凝土配合比的设计、试验，并应用正交设计法对影响混凝土各因素进行分析。通过配合比的复验，最后提出符合要求的钢纤维混凝土配合比，并在实际工程中应用。2 原材料性能( 1 ) 水泥：华润牌P 0 4 2 5 广东东莞产，实测强度f o o 2 8 = 5 1 2 M P a 其他指标均符合G B l 7 5 1 9 9 9 标准要求。( 2 ) 细集料：河砂，细度模数u 。= 2 5 ，属I I 区，含泥量0 7 ，其他指标均符合J G J 5 2 9 2 标准要求。( 3 )
3、 粗集料：碎石，本试验采用三种不同最大粒径的碎石，其主要物理指标见表l 。1 虞孝伟，男，1 9 4 0 6 出生，高级工程师- 2 8 6 高强与商性能混凝土及其应用专题研讨会论文集( 4 ) 粉煤灰：来宾I 级粉煤灰，实测指标如下：细度= 7 4 ，烧失量= 3 0 8 ，S O 。= 0 5 4 ，需水比= 9 4 。表l 粗集料物理性能规格检验指标 产地最大粒径表观密度堆积密度编号含泥量( )压碎指标( )( i r a )( k g m 3 )( k g m 3 )铁岗大2 5 02 6 6 01 3 5 0O 89 4惠州市由2 0 O2 6 5 01 4 1 00 61 0 5马
4、鞍山小1 5 02 6 4 01 3 4 01 49 9( 5 ) 外加剂：高效缓凝减水剂，S T H 一2 型减水剂，减水率1 2 2 0 ，含固量3 6 。( 6 ) 钢纤维：本次采用了三种类型钢纤维，主要性能见表面2表2 钢纤维主要性能表编断石表面产几何参数号类型长度等级直径长径比形状状况地L ，( 咖)d ，( 咖)L f d f上 I 铣削型纤维三角形粗糙，两端带钩3 2O 65 3海上 I I 铣削型纤维三角形粗糙，不带钩2 8O 55 6海 板面光滑，剪切面上3 3 I I l 4剪切型纤维矩形3 0O 9较粗糙海3 混凝土配合比设计试配及结果分析钢纤维混凝土是在普通混凝土基体中
5、掺入一定数量钢纤维的复合体，影响钢纤维混凝土性能的因素较多，如混凝土的水胶比、水泥用量、粗骨料的最大粒径、砂率、钢纤维的长径比、外观尺寸及表面形状、体积率、以及混凝土搅拌工艺和浇筑方法等。因此，要按常规的试验方法在较短时间内来确定既符合设计和施工要求又经济合理的混凝土施工配合比是有一定困难的。正交设计法足一种可用较少的试验次数，安排多个试验因素，运用规定的统计分析方法，找出影响因素的主次排列和最佳组合的科学方法。本文的目的是运用这个方法，通过对影响钢纤维混凝土性能的有关因素和最佳组合进行分析、研究。在保证工程质量、施工方便和经济合理的前提下，在通过复验的基础上，提出生产用的钢纤维混凝土施工配合
6、比。( 1 ) 因素与水平表根据工程的要求和材料现状，并在多次试验的基础上，我们选择了钢纤维品种( 类型) 、钢2 8 7 高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集纤维的掺量( 体积率) 、混凝土的砂率及粗骨料最大粒径等四项内容作为这次正交设计试验的影响因素，每个因素各制定三个水平，其因素与水平表见表3 。表3 因素与水平表 D 钢纤维掺瞧A 钢纤维品种B 砂率( )C 粗集料最大粒径承乎量( k g m 3 )1I 。4 5大2 5 r a m1 2 0 ( p r = 1 5 2 )21 r5 0中2 0 m m1 0 0 ( P F I 2 7 )3I 。5 5小1 5 r a m8
7、0 ( P f = 1 0 2 )( 2 ) 正交设计安排表与试验结果根据表3 制定的四个因素三个水平的情况，我选择L 。( 3 4 ) 正交设计安排表进行试验，正交设计试验安排及试验结果详见表4 。表4L 9 ( 3 4 ) 正交设计及结果表。L 。( 3 4 ) 正交试验表试验结果项目 D 钢纤维坍落2 8 d 强度 A 钢纤维品种B 砂率C 碎石规格 掺量( )度抗压劈拉试验号列号用量列号用量列号用量列号用量( c 曲2 8 d2 8 d7 01I4l4 51大11 2 01 6 55 1 26 5 77 llI425 02由21 0 02 0 55 3 66 2 27 21I 35 5
8、3小38 02 3 55 4 36 4 l7 32I I l4 52由38 02 0 O5 0 O5 I t I7 42I I 25 03小l1 2 01 7 55 8 95 9 27 52I I 35 5】大2l o o1 8 0能65 4 87 63l i tl4 53小21 0 02 1 55 1 05 4 47 73f i r25 0l大38 02 3 O4 6 64 8 77 83I I r35 52中l1 22 2 O5 1 95 6 1本次试验中的其他参数为水胶比W C + F = O 3 3 用水量V = 1 8 0 k g m 3 匿) 粉煤灰等量取代率Bc = 1 8 高效
9、缓凝减水剂掺量2 5 。试配采用6 0 升强制式搅拌机搅拌时，先将水泥、粉煤灰、粗、细骨料及钢纤维干拌i m i n ，再加入规定的水和外加剂，湿拌2 m i n 。按钢纤维混凝土试验方法C E C S l 3 ：9 2 3 标准制作试件，静停2 4 h 后折模进行标准养护，养护令期为7 d 和2 8 d ，表4 所列结果为2 8 d 强度值。2 8 8 高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集( 3 ) 试验结果的分析本正交设计试验结果分析的目的，是通过对上述正交设计试验的结果进行统计分析，考核钢纤维的品种( 类型) 、钢纤维的掺量、混凝土的砂率及粗骨料的最大粒径对钢纤维混凝土的和易性、抗
10、压强度和劈拉强度指标的影响程度及最佳组合，为下一步确定施工配合比提供依据。本试验结果极差分析表见表5 。表5L 9 ( 3 4 ) 正交设计试验结果的极差分析表 黼 坍溷势，锄抗圈爨矾陌劈翘勤趴协 标因素BC 碎石A 钢BC 碎石A 钢纤BC 碎石D 钢纤_ rA 钢纤D 钢纤D 钢纤维品砂最大维掺参掰绷砂最大粒燧绷砂删缁缱蛊径种窒径种壅粒径里D 6 0 5鼹O飘55 & O1 5 曼11 5 2 21 4 2 4妲O坦21 7 21 6 9l l甄56 1 O6 2 56 0 0趣51 8 9 11 5 & 51 4 9 21 & 517 01 7 O17 1戥6 5鼹56 2 56 & 5
11、1 4 9 5m 81 6 龟2m 9l & 91 7 51 7 8l & 4Rl L O& 5& O1 0 59 532 L 8屹8& 3Q 50 91 7( 一) 坍落度分析钢纤维混凝土中，钢纤维的均匀分布是能否充分发挥其增强、增韧和阻裂作用的关键，因此，我们在进行混凝土拌合物和易性试验时，除分析坍落度的数值外，还注意观察混凝土的粘聚性、保水性及钢纤维的分布均匀性，作为衡量混凝土工作性能的指标之一。从表5 的极差分析结果来看，影响钢纤维混凝土坍落度的主次顺序：为钢纤维品种( A ) 一钢纤维的掺量( D ) 一混凝土的砂率( B ) 一粗骨料的最大粒径( C ) ，它们间的最佳组合为：A
12、aD 。B 。C 。也就是说，在一定条件下，影响钢纤维混凝土和易性的主要因素是钢纤维的品种和掺量。资料分析认为H 1 ：钢纤维在混凝土中形成网络结构，加上纤维表面积大，使拌合料内部摩阻力增加，阻碍了拌合物的流动，随钢纤维的长径比及表面粗糙程度的增加，以及掺量的提高，更不利于拌合物的流动，使混凝土坍落度降低和易性变差。甚至出现纤维结团、分布不均及纤维堆积等现象，给试验和施工带来困难，并影响混凝土质量。在本次试验的三种钢纤维中，I4 、I I4 的长径比和表面形状与粗糙程度均较4 纤维更不利于拌合物的流动，而且I = 钢纤维两端还有钩。故其坍落度均比I I I 。钢纤维混凝土差。水泥砂浆在混凝土拌
13、合物中起到填空和润滑作用。在水泥浆量一定的情况下，随着水泥砂浆量的增加，拌合物和易性有所提高。在试验中，我们发现水泥用量少和砂率低的混凝土拌合物，铡纤维均有堆积或离析现象。因此，我们认为钢纤维混凝土中的砂浆量不能太少，应保持一定数量，才能保证钢纤维混凝土的和易性。粗骨料的最大粒径主要是影响钢纤维在混凝土中的均匀分布，有资料认为旧：纤维分布的均匀是随着D m a x L ，增大而降低的，当D m a x L ，= 1 2 时，纤维对混凝土的增强效果最好，2 8 9 -高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集一般认为，粗骨料最大粒径( D m a x ) 应控制在钢纤维长度( L r ) 的I
14、2 2 3 之间，当其比值过大或过小，均会影响到纤维的均匀分布和骨料与纤维的协同作用，亦即影响到混凝土的增强效果及和易性。本试验的三种碎石规格中，以最大粒径2 0 m m 和1 5 m m 两种效果最好，以最大粒径2 5 r a m效果最差，也验证上述要求的正确性。( 二) 抗压强度分析从表5 抗压强度极差分析结果中可以看出，影响钢纤维混凝土抗压强度的排序为：粗骨料的最大粒径( C ) 一钢纤维掺量( D ) 一钢纤维的品种( A ) 一混凝土砂率( B ) ，其最佳组合为C 。D 。A 。& 。从极差分析结果看：混凝土中的粗骨料最大粒径成为影响钢纤维混凝土抗压强度的主要因素，而钢纤维的品种和
15、掺量对混凝土的抗压强度不是主要影响因素，这说明钢纤维掺入混凝土之后，增强效果并不明显。试验结果表明：钢纤维掺入混凝土之后能否提高抗压强度及提高的幅度，与混凝土基体本身的强度高低有关，当基体强度高时，纤维与混凝土界面的粘结力就强，能约束混凝土受压过程中的横向膨胀，对推迟混凝土的破坏过程有利。当基体的强度过低时，纤维与混凝土表面的粘结差，特别是当纤维掺量增大时，反而增加了界面的弱面，阻碍混凝土的抗压强度不能提高。因此，影响钢纤维混凝土抗压强度主要因素仍和普通混凝土一样，是水泥强度、水胶比及粗、细骨集料的性能等因素起主导作用，而不是钢纤维的各项参数。( 三) 劈拉强度分析从钢纤维混凝土劈拉强度极差分
16、析结果可知：影响钢纤维混凝土劈拉强度的主次顺序为：钢纤维的品种：( A ) 一钢纤维的掺量( D ) 一粗骨粒的最大粒径( C ) 一砂率( B ) ，其最佳组合为A 。D 。C 。B 。电就说，对钢纤维混凝土的劈拉强度而言，钢纤维品种是影响混凝土劈拉强度的主要因素，优其是I4 钢纤维。因其长径比较大，两端带钩，表面粗糙，有利增加与混凝土基体的界面的粘结力和咬合力。故其劈拉强度高于I 。钢纤维，不过4 纤维的单价较I 。、I I = 纤维便宜。试验结果也表明，钢纤维掺量在1 5 0 k g m 2 ( 体积率2 ) 以下时，钢纤维混凝土的劈拉强度也随着纤维掺量的增加而提高。( 四) 混凝土抗裂能力用G B 81 - 8 5 检测方法，从1 0 组试样( 7 0 4
