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1、抗冻混凝土中钢纤维与超微矿粉掺量的实践分析杭金联(苏州博大建设工程有限公司昆山混凝土分公司江苏苏州215300)【摘要】本文对昆山张浦镇规划食品工业园冷冻集中物流仓储中心设计用钢 纤维混凝土在满足-20C低温，配制高耐久耐磨、抗冻抗裂等复合要求下，通过 实验选择适合而经济的钢纤维规格与掺量，并分析选用超微矿粉与常规矿粉规双 掺后得到的试件综合性能优于纯水泥，对氯离子扩散控制更好提高了 SFRC的耐 久性。【关键词】钢纤维；混凝土；超微矿粉；氯离子；毛细孔结构一、前言众品物流冷链项目是江苏昆山食品产业园集中冷冻物流仓储中心之一，由在 美上市公司众品集团投资12亿规划19.5万平米一体化冷冻仓库，
2、混凝土总量约 7万立方分三期建成。投产预计可以实现清洁、新鲜的食品物流货值490亿元， 服务于上海及苏南周边地区。项目二期地坪计划2015年夏季施工，其中大体量仓库地坪设计标号C35钢 纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrent.以下称SFRC)，竣工后须需满足 -20C低温，配制高耐久耐磨、抗冻抗裂等复合要求下，笔者针对该项目对钢纤 维形状及掺量、普通矿粉与超细矿粉双掺、中效复合外加剂等进行总结并实验， 围绕提高抗渗性和抗冻融方面配置耐久抗冻混凝土满足设计使用。混凝土虽然是密实和坚硬的，在潮湿的环境中水仍然能通过毛细孔吸水与压 力透过渗水路径进入内部，这些孔隙
3、某种意义上是引起内部结构恶化的开始1， 这些孔隙随机分布并相互连通，形成一个孔隙网络贯穿整个空间，当零下其中的 水凝结会引起内部应力，若无法有效控制与缓解，容易产生更多微裂缝，导致整 体结构耐久性降低。本实验，针对该项目制作高耐久冷库使用的钢纤维混凝土。二、实验原料选用水泥：江苏金峰PO 42.5硅酸盐水泥；细骨料：芜湖中粗河砂，细度2.4，含水率4.8%；粗骨料：湖州妙西矿业，5mm25mm连续级配，含水率0.7%； 拌合水：民用自来水。三、基准配合比设计3.1水胶比：水胶比在抗渗角度看在0.40.5之间的渗透系数上升很小，大于0.55后渗透 系数急剧上升3，优先使用较小的水灰比。在超细矿粉
4、活性发挥作用看，水胶比 越小5%10%掺量发挥功能良好。结合实际施工情况：夏季高温施工需要保证钢 纤维泵送坍落度和拌合物和易性，选用缓凝作用HJ-304中效泵送剂，水胶比能 控制在0.450.5范围，实验选定水胶比为0.46。3.2砂率：根据泵送需要，选用基准0.4配制3.3外加剂：混凝土外加剂中引气剂的作用是引入气泡大小均匀在20-200微米，自由度 小且相互不容易聚并，稳定存在于新拌合混凝土。因为这些气泡塑化后形成的封 闭孔结构，减少了混凝土内部的渗水通道。对于混凝土的抗冻性研究一般认为和 充水程度、冻融循环次数、强度等均有关系囹。抗渗性的提高使得吸水率减小， 从而根本上降低了同等强度下混
5、凝土结构处于零下时，水结冰膨胀挤压未冻结水 导致孔内体积不足而产生的压力，这些压力因为不能释放而导致毛细孔扩张不能 释放形成破坏。引气剂制造的有效控孔缓解着温度在零度上下升降时引起的这种 内在压力，形成抗冻破坏能力。但同样存在另外两方面不利因素：混凝土强度由于孔结构的存在比相同配 合比的试件抗压强度略低。实践中含有引气剂的复配外加剂减水效果低，掺量 略大，较难配置低水灰比的混凝土导致混凝土成本也相对增加。本次实验使用：上海辰吉HJ-304中效复合泵送剂，液态，呈棕褐色。主要 功能：适应配制早强、高强、高抗渗、自密实、泵送混凝土。适于水电大坝桥梁 等低标号混凝土流化和塑化，以及延缓混凝土凝结，含
6、引气作用。密度为1.18 0.02g/m，对钢筋无锈蚀作用。推荐液体掺最为0.7-1.2%，为使引气发挥较好 掺量作用，参考以往试配用量增加45%，选用6.8kg。3.4混凝土容重：设计2400kg/m3，钢纤维确定后等量替代砂石料，矿粉掺量等量替代水泥胶 凝材。基准配合比见表1胶凝材料砂石拌合水HJ-304外加剂38573110981806.8表1混凝土基准配合比（kg/m3）四、钢纤维掺量确定试验4.1 钢纤维的选用项目设计图纸未指明钢纤维规格与型号，对掺量也未明确规定，结合该项目 钢纤维混凝土地坪单体30cm厚，长180m宽70m，分三次固定泵接管浇筑。本 次实验用钢纤维由上海钜弦厂提供
7、三款小样，性能特点分别为：钢丝纤维与剪 切纤维类似：长径比较大，易起团，表面有油，不利基体粘结，光滑表面，摩阻、 咬合力较小。熔抽纤维与不锈钢纤维类似：长径比合适，不起球，比面积大， 利于粘结，表面粗糙，摩阻、咬合力较大，以不锈钢为主。铣削纤维：长径比 合适，不会抱球起团，表面无油，比表面积大，利于基本粘结，单为毛面，头尾 带钩，摩阻、咬合力大。后两种制造成本略高，实验须满足设计抗拉强度600Mpa， 长度为40mm，长径比60，初步筛选，见如下表格2A高强度冷拔波浪型不锈钢纤维材质与价格430#不锈钢（4200）产地上海规格标准（如下图）抗压强度 N600Mpa品牌钜弦用途 混凝土、桥梁、隧
8、道B高强度铣削型钢纤维材质与价格铁（3800）产地上海规格标准（如下图）抗压强度600Mpa1200Mpa品牌钜弦用途 混凝土、桥梁、隧道表格2钢纤维比较（产品性能参照JG/T3064-1999标准规范）钢纤维首先考虑锈蚀，虽然研究发现完全被混凝土包裹的钢纤维即便有微小 锈蚀对抗压强度影响不大，对抗折与抗拉强度却随锈蚀程度增大而有所下降，抗 折韧性降低幅度能达37%5。该项目仓库地坪与底板间存在50cm架空封闭保温 层，地坪需承受仓储货物自重以及叉车反复行驶引起的共振，所以结构要较高的抗折韧性。铣削型钢纤维虽然在抗拉拔与强度上有优越表现，但因为施工等多重 外因下，如浇筑裂缝等情况仍然会出现绣蚀
9、。不锈钢纤维在建筑工业用一般选用 446#或430#，具有无需加抗锈剂、防腐剂，在抑制开裂漏水等方面效果较好。 经过与国内贸易工程设计研究院交换意见，决定选用高强度冷拔波浪型不锈钢纤 维进行施工。4.2钢纤维掺量采用水洗法测得A型号钢纤维体密度约为7.9kg/m3。通过实验取钢纤维掺量 0.5% ； 1.0% ； 1.5%分析对进行比较，配比掺量见表3编号钢纤维细集料粗集料水PC07311098180SF-0.5397231067180SF-1.0787011050180SF-1.51176871025180表3基准混凝土与钢纤维混凝土配合比（kg/m3）取样制作抗压标准试件，为避免振动台过震
10、导致混凝土中钢纤维下沉集中在 底部，实验使用人工木槌振实。相对动弹模量和质量损失测量采用截面100mm X 100mm长度400mm棱柱体，共制备8组24个试件;劈裂强度测量采用100mm 立方体，共制备8组共24个试件。钢纤维混凝土水冻试验依据钢纤维混凝土 试验方法中的快冻法进行，试件标养24d后，在水中浸泡4d，在第28d时进 行快速冻融试验，每冻融循环50次，四阶段，比较试件重量损失；相对动弹模 量；劈裂强度情况，取平均值得出如下数据，汇总表450次100次150次200次编号质量损失（%）PC1.12.134.2SF-0.51.91.42.12.4SF-1.00.61.41.82.1S
11、F-1.50.41.21.61.8相对动弹模量（%）PC95878175SF-0.596888580SF-1.097898882SF-1.597928986劈裂强度（Mpa）PC6.55.34.53.2SF-0.56.265.44.7SF-1.08.88.37.36.3SF-1.510.29.47.86.8表4水冻后质量损失率；相对动弹性模量变化；劈裂强度损失4.3结论随着钢纤维掺入量增加，混凝土质量损失减少，如果项目冷冻循环次数较 多，200次冻融后损失4.2%接近于破坏，如果循环次数较少情况下，1%掺量可 以满足使用，且功能效果表现与1.5%接近。相对动弹模量损失随着掺量增加 也得到抑制，
12、钢纤维能延缓内部微裂缝但不明显优于标准混凝土试件。掺 1%1.5%钢纤维劈裂强度明显高于低掺量，标准件在200次冻融后下降接近一倍 接近破环，掺入1%以上钢纤维能仍能保持新制标准件相近的劈裂强度，降低了 冻融后混凝土劈裂强度下降速度。标养标准混凝土时间孔的体积结构中dV 50nm的为60%，0.5%1%掺量钢纤维提高到85%，其中dV20nm的空比率达 50%，钢纤维掺量1.5%时，80%为20nm以下孔结构6。说明一定数量的钢纤维 能增加这种有益毛细孔结构的数量，具有较大变形能力，减小引发裂缝与促进裂 缝发展的冻融破坏力，从而提高抗冻的耐久力。综上实验，如果经济有限条件下0.5%钢纤维掺量可
13、以明显改善混凝土结构抗 冻性，1%与1.5%掺量间除大幅提高毛细孔数量外其他性能增强有限。五、超微矿粉的掺量实验近年来矿粉产量快速增加，达2.2亿吨，随着2014年矿渣粉分会成立，矿粉 在混凝土中的功能以及矿粉本身产品的研发进入一个新阶段刀。2015年来S95 总体价格稳定，保持普通硅酸盐水泥30%50%价差，在资源再生节能利用，降 低二氧化碳污染物，减少了建筑垃圾中发挥价值；在“绿色建筑评估体系”中掺 入后的混凝土减缓了 “城市热岛效应”冏。近年来得到广泛使用，发挥材料的性 能与社会公益的双重意义。超微矿粉是今年在配置高强高性能度配合比提出的新型矿物掺合料，市售最 高可达3000以上的比表面
14、积，更高活性，提高早期及后期强度优于SFA；降低 混凝土水化热、对氯离子扩散控制优于硅灰9，改善了和易性和可泵性等等。传 统钢纤维混凝土很少使用矿粉与粉煤灰等掺合料，主要考虑到对强度的影响，但 是随着超微矿粉的出现弥补了强度损失，实验选用： 普通矿粉：南钢嘉华，S95级普通矿粉(简称S95,下同) 超细矿粉：京诚嘉德，JD-W800微米级超细活性矿粉，比表面积N800m2/kg，平 均粒径5um (简称W800，下同)通过本次实验取样制作抗压标准试件，人工木槌振实。抗压强度测量采用 100mm立方体，共制备12组共36个试件，氯离子扩散实验直径为100mm，50mm 厚的圆柱试样6组18个试件
15、。在胶凝材料总量不变，拟定40%掺量，掺合料种 类分别为S95； S95+5%W800； S95+10%W800三种做比较，具体配合比及实验 结果，见表5编号水泥 (kg/m3)掺合 料 (%)S95矿粉 (kg/m3)W800超微矿粉(kg/m3)强度(Mpa)氯离子扩 散系数X 10-12 (m2/s)28d碳 化深度 (mm)3d7d28d56dA-023040154021.229.641.447.16.913A-0.5230401351921.833.041.948.24.041.5A-1.0230401163823.135.443.450.33.971.5表5 不同掺量的超微矿粉性能
16、结构5.1力学指标针对3中胶凝材料总量，加配40%掺合料分析数据表，不同胶凝材料总用量 相同下强度随着超微矿粉增加而上升。A-1.0掺量7d强度比A-0普通S95高19%， 28d强度提高5%，可见在标养龄期下抗压实验超微矿粉能进一步促进早期强度， 满足施工需要。在经过56d后，A-1.0试件强度达到了 50Mpa，比A-0试件28d 增长了 21%，而A-0.5提升不明显，以此推测后期强度随着超微矿粉掺量增加而 提高。5.2氯离子扩散与开裂性能引用RCM伐测试氯离子渗透性，复掺后的均能降低氯离子扩散系数。超微 矿粉掺量达1%时，可最大程度降低氯离子扩散系数接近于一倍。放入显微镜下 进行机理分
17、析，矿粉的掺入一方面减少了水泥水化物Ca（OH）2晶体的数量， 同时增加了 C-S-H胶凝数量，超微矿粉降低了孔隙率使得混凝土表面塑化后更 加密实，对混凝土的抗氯离子渗透性的提高。试件整体的粘聚性得到加强在塑性 收缩时起到了缓冲，微裂缝数量总体低于只掺普通S95。综上实验，选择1%掺量的超细矿粉与普通矿粉复掺在早强与耐久性功能上 有明显提高，对钢纤维混凝土各项指标有增强作用。六、施工过程的质量控制混凝土配比设计只是生产的一个环节，还需要结合施工现场气候，环境，浇 筑及养护方式，才能保证设计达到理想结果。6.1新拌合物搅拌方式夏季作业需要控制材料降温，实测白天气温353度。拌和方式选择：先投 入
18、50%的粗细骨料，再投入全部复掺矿粉、钢纤维干拌均匀，在投入水泥与其 余骨料和水，外加剂一起湿拌均匀。拌和时间的控制：干拌时间不宜小于1min， 拌和时间总计68min左右。6.2车辆运输的控制项目直接输送距离为5.4公里，耗时12min，计算交通复杂情况，平均为16 min 每车，卸车泵送9 min由于钢纤维阻力减速15%，11 min，合计35 min可以将混 凝土输送完成。钢纤维混凝土的运输应考虑运输距离和泵送时间，钢纤维混凝土 拌和物运输、铺筑施工规范内要求高温应控制在50 min内10以避免运输中的 过多搅拌振动使钢纤维下沉，影响拌和料的均匀性。6.3入模温度与收光冷缝会导致钢纤维在
19、接缝两侧独立排列成面而不相互咬合，起不到增强作 用，未来易产生裂缝。保证地坪整体一次性浇筑完成，泵送至施工部位后，采用 大功率平板式振捣器振捣密实，再采用振动梁压实整平。表面滚压整平后用3m 以上刮尺、刮板或抹刀纵横向精平表面。精平后的表面不裸露钢纤维和厚浮浆。 须注意不适宜使用振捣棒与人工插捣。6.4钢纤维凝土的养护须避免表面高温曝晒，及时做好遮阳与浇水湿润工作。七、结语通过本次实验，在众品物流冷链关键的冷库地坪配合比与施工中提供了依 据，实验得出钢纤维与超微矿粉多种复合材料复掺时，钢纤维在冻融环境下抗列 效果随着增加而增加，带引起作用的复合外加剂能进一步改善空的抗渗能力提高 抗冻性，而超微
20、矿粉双掺可以改善混凝土施工性并提升后期抗压值，最主要能有 效控制氯离子扩散，提高钢纤维混凝土本身耐久度。致谢：本文的所有试验工作是在博大建设昆山混凝土分公司水泥混凝土实验室 完成的，试验过程得到了实验员张卫国、郭长明、刘飞以及技术工人的大力协助, 在此谨表谢意。参考文献：1 Mohamed 0A,Rens K L,Stalnaker J J.Factors Affecting Resistance of concrete to Freezing and Thawing Damage. Cement and Concrete Research,2001( 12):489-4952 Selleek
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