钢纤维混凝土的性能及其应用.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 0年 2月 建筑技术开发 Bui l di n g Te c h n i q u e De v e l o pme n t Vo l ； 37，No 2 Fe b 2 01 0 钢 纤维 混凝 土 的性 能及 其应 用 莫 晓东 ( 广 东工业 大学土木与 交通 工程 学院 ， 广 州 5 1 0 0 0 6 ) 摘 要 介绍 了钢纤维混凝土 的性 能和特点 ， 分析 了钢纤维 混凝土在桥 梁 、 路桥 面 、 地铁隧道 、 水工 建筑物工程 的应 用 ， 在 当代 的工程界中 ， 钢纤维混凝 土已经成为一种不可缺少 的增强材料。 关键词 钢纤维混凝 土； 弹塑性材料 ； 桥梁工程 ； 路面 中图分类号 T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 B 文章编号】 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 2 -0 0 2 0 - 0 2 PRoPERTI ES AND APPLI CATI oNS oF S TEEL FI BER RE FoRCED CoNCRETE Mo Xi a o - d o n g A b s t r a c t K e y wo r d s I n t h i s pa pe r ，t h e p e r f o r ma n c e a n d c ha r a c t e ris t i c s o f s t e e l fibe r r e i nf o r c e d c o n c r e t e wa s p r e s e n t e d，a n d s o me r e l a t i v e a n a l y s e s we r e t a k e n t o i t s a p p l i c a t i o n i n b r i d g e s ，r o a d a nd b r i d g e s u r f a c e，s u b wa y t un n e l s ，hy dr a u l i c s t r u c t u r e s e n g i n e e r i ng a nd S O o nI n c o n t e mpo r a r y e n g i n e e r i ng，t h e s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e h a s b ec o me a n i nd i s p e n s a bl e r e i n f o r c i n g ma t e r i a 1 s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e；e l a s t opl a s t i c ma t e ria l ；b rid g e wo r ks；pa v e me nt ；s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e； e l a s t op l a s t i c ma t e r i a l ；b r i d g e wo r k s；p a v e me n t 钢纤 维混凝土是在 普通混凝 土中掺人适量 钢纤维而形 成 的一种新型复合材 料。钢纤维混凝 土克服 了混凝 土抗拉 强度低 、 极限延伸 率小 、 塑性 差等缺点 ， 具有优 良的抗拉 、 扰 弯 、 抗剪 、 阻裂 、 耐疲劳、 高韧性 等性能 ， 已在 建筑、 路桥 、 水工 等工程领域得到应用 。 1 钢纤维的基本性质 1 1 钢纤维的类型及特征参数 钢纤维按材质分 ， 有普通碳 钢钢 纤维 和不 锈钢钢 纤维 ， 其中以普通钢钢纤维用量居多 ； 按外形分有长直形 、 压痕形 、 波浪形 、 弯钩形 、 大 头形 、 扭 曲形 ； 按 截面 形状 分有 圆 形、 矩 形 、 月牙形及 不规则形 ； 按生产工 艺分有切 断型 、 剪切 型 、 铣 削型及熔抽 型； 按 施工 用途 分有 浇筑 用钢 纤维 和喷射 用 钢 纤 维 。 为满足钢纤维 的增强效果与施工性能 ， 通常采用钢纤维 长度为 1 5 6 0 m m， 直径 或等效直径为 0 31 2 mm， 长径 比 为 3 01 0 0 ， 纤维的体 积掺量为 0 5 2 。 1 2 钢 纤维 的 主要 性 能 钢纤维 的主要性 能包括抗 拉强 度与黏结 强度 。试验 表 明 ， 由于普通钢纤维 混凝 土主要是 因钢纤 维拔 出而 破坏 ， 并 收稿 日期 ： 2 0 0 91 11 5 作者简介 ： 莫晓东 ( 1 9 7 5 ) ， 男 ， 广东陆丰人 ， 毕业 于广 东工业大学 ， 本 科 ， 实验师 ， 实验教师 。 2 0 不是因钢纤维拉断而破坏 ， 因此钢纤维的抗拉强度一般 能满 足使用要求 ， 而其 与混凝士基体界面的黏结强度是影响钢纤 维混凝 土性能的 主要 因素 。黏结 强度 除与基体 的性 能有关 外 ， 就钢纤维本身而言 ， 与钢纤维的外形和截面形状有关。 2钢纤维混凝土的特点 纤维混凝土中以钢纤维混凝 土( S F R C ) 的力学性能最为 稳定 ， 是一种高强 的弹塑性材 料 ， 钢纤 维混 凝土 的最 大优点 在于大大提高了混凝土 的抗裂强度和抗 冲击韧性 ， 纤维混凝 土在受力过程中 ， 由于 有较大 的变形 能力 ， 其延 性为混凝 土 两倍 ， 其韧性为砼的 4 0 2 0 0倍 ； 抗裂 指标为混凝 土 7倍 ； 耐 冻融破坏指标为混凝 十的 1 9倍 ； 纤维混凝 土具 备有如桥梁 工程大气层需要 的高 冲击 、 高抗震 的性 能。当钢纤维掺率为 混凝土体积的 1 2 时 ， 纤维混凝土为普通 混凝土的抗爆 破抗冲击的动力 强度 51 O倍 ， 耐疲 劳试验 中 ， 对 2 0 0万 次 时强度 ， 单轴抗压强度提高 l 1 ， 偏震弯 曲疲 劳可达到裂 开 强 度 的 9 0 。 3钢 纤 维 混凝 土 的增 强 机 理 。 纤 维间距机理是 基于弹性 断裂力学 的基 础上来说 明纤 维对于裂缝发生和发展的约束作用 的。该机 理认 为 ， 在混凝 土 内部原来就存 在缺 陷， 欲提 高这种 材料 的强 度 ， 就 必须尽 可能的减少缺陷的程度 ， 提高 韧性 ， 降低 内部裂缝端 部的应 力集 中系数 。纤 维间距 愈小 ， 强度提 高的效果 就越好 ， 且纤 维的弹性模 量越 大， 抗裂效果越好 ； 抗裂效果好 了 ， 其抗弯强 第 3 7卷 莫晓 东： 钢纤维混凝土的性 能及其应 用 第 2期 度、 抗冲击强度 、 延展性 、 韧性等力学性能也相应 的提高。 4 钢纤维混凝土在工程 中的应用 由于钢纤维混凝 土比普通混凝土有诸 多的优 点 ， 在路 桥 工程 中的预应力 梁、 桥面铺装层 、 路面 、 桥梁的维修加 固中得 到应用 。但 由于钢纤维混 凝土 施工要求 高 ， 单 方造价 高 ， 而 设计 、 施工人员对钢纤 维混凝 土的特 性缺乏 了解 ， 在 工程 中 应用受到限制。由于钢纤 维混凝 土具有 良好 的抗 裂 、 抗弯 、 耐 冲击 、 耐疲 劳等 特性 ， 在 路 面、 桥 面 中应用 可降 低维 修 费 用 ， 延 长使用期 限， 并且可 以减少面层厚度 ， 因此可降低综合 造价 。在公路和城市道路 中， 路 面破坏 比较严 重 ， 经 常有拆 除重做的现象 。相 比之下 ， 在原有水泥路 面上做钢纤维混凝 土“ 罩面” 将更为经济 、 合理 、 有效 。在应用领域 ， 钢纤维混凝 土多用于路桥 面工程 。对 于新修 的路面 、 桥面按 有关 水 泥 混凝土路面设计规范 采用 ， 其厚度 估计可按 水泥混 凝土路 面板厚 度的 5 0 6 0 考虑 ， 并将水泥混凝土 的强度和其他 有关参数用钢纤维混凝土的代替。 4 1 钢 纤 维 混 凝 土在 桥 梁 工程 中的 应 用 在桥梁工程 中， 用钢纤维混凝土建造 的构件 可以承受重 力荷载 ， 起到类似施加部 分预应 力的作用 ， 如 广东工 业大学 结构力学试验室用钢纤维混凝 土材 料制造 的 T形梁 的抗弯 试验证 明， 受力筋 ( 用 H P B 2 3 5钢) 达 到屈服 ， 腹 板受拉 区 的 开裂宽度没有超 过 0 2 m m， 说明弯拉 区的混凝土仍参 加工 作 ， 相 当于预应力的受力状态 。1 9 9 7年广东工业大学应全 国 土木学会纤维混凝土学术委员会 的委托 ， 在广 州主办 了中国 第 一次 国际纤维混凝 土学术会 议 ， 会 议期 间 国内、 外代 表参 观了南海市和顺镇 的鲁 岗大桥 ， 这座桥 的结构 为连续 刚构 ， 主梁是 应用 钢纤 维 混 凝 土 材 料建 造 ， 单 跨 的计 算 跨 度 为 3 1 7 0 m。 而不须施加预应 力。这对 钢筋混凝 土简 支梁 桥大 于 2 0 m跨 度必须应用预应力混凝土建造 ， 成为 明显的对 比。 4 2 钢 纤维混凝土在桥 面工程 中的应 用 在钢纤维混凝土 应用 于 桥面铺 装 方面 ， 广东 于 1 9 8 7 1 9 8 8 年在 国内首先应用 比利时钢纤 维铺筑 了江 门大桥 、 外海 大桥的桥面铺 装 ， 在特大桥的桥面铺 装有 ： 广州解放大桥 、 南 海市三山两大桥 、 佛山市的佛 陈大桥等 应用了 国产钢纤维 混 凝土 ， 从 目前桥 面的状况来看 ， 均取得 了不错 的效果 。现在 ， 应用钢纤 维混凝土桥面铺装在全 国已经十分广 泛。 4 3 钢 纤 维 混 凝 土在 路 面 中 的应 用 在承受非重力荷 载 的结构物应用 钢纤维混凝 土非 常普 遍 ， 在 国内外 都有成熟 的经验 ， 有如道路 路面 、 机场道 面、 水 坝建造等等都发挥 钢纤维 混凝 土优 良的力学性 能。但 由于 钢纤维混凝土铺筑 的路 面 ， 初始投 资偏高 ， 推 广应用 受到 障 碍。东南大学首先提 出夹层路 面 ， 即上下 两层各 为 5 c m厚 的钢纤维混凝 土层 ， 中间层 为普通 混凝土 ， 但 在广东造 价仍 高出普通混凝 土路 面 1 7 ， 广东工业大学根据 国内外 的经验 及试验数值 ， 在南海市铺筑 了厚度 1 6 a m复合路 面 ，面层 为 4 c m厚的钢纤维混凝土 ， 底层铺设 23 层 网的混凝土 ， 路面 总造价下降了 9 ， 首 次解 决 了 S F R C造 价偏 高的问 题。因 此广东工业大学与南海市交通局在 1 9 9 4年共 同承担 了全 国 第 五届纤维水与纤维混凝 土学术会议 。 4 4 钢纤维混凝 土在地铁隧道 中的应用 在地铁隧道开挖工 程中 ， 很 注重 保护工程 岩体 的稳定 ， 防止岩体的脱落或塌方 。岩体开挖后需要立 即支 护， 用钢纤 维混凝土可 以起到快速支护作用 ， 特别 是在质量差 的岩体 中 开挖时 ， 支护效果 更加 明显。地 铁隧 道需暂 时支护设 计时 ， 常将暂时支护 和永 久支 护结 合起来 ， 以防 止岩体 掉落 或塌 方 ， 亦防止隧道 内渗水 ， 同时 节约工程 费用 。作为暂 时支护 的高质 量湿 喷 钢 纤 维 混 凝 土 ， 也 可 部 分 或 全部 作 为永 久 支护 。 4 5 钢 纤维混凝士在水工建筑物中的应 用 水工建 筑物特别是 水下部分对混 凝土 的要 求具有一定 的特殊性 ： 水工建筑物一般大部分淹 没在水 下或处于水位变 化 区， 就要求混凝土具有更高的抗 渗性 、 抗裂性 和抗冻 融性 ； 由于要承受水压力 ， 为防止渗流破坏要 求混凝土具有更高的 抗渗性 ； 大体积混凝土要求具有更高 的抗 裂性 ； 坝 面、 流道等 受水流高速冲击 的部 位要 求混凝土具 有更 高的抗裂 性和耐 磨性 ； 闸门、 泵梁、 泵 座等部位要 求混凝土具有 更高的抗 震、 抗冲击性能。而钢纤 维混凝 土能够在 很大程 度上满 足上述 要求 ， 加强这方面的研究 ， 将有 助于钢 纤维混凝 土在水 中建 筑物中的推广应用。钢纤维混凝土应用于水工建筑物。主 要为提高坝 面、 抽水站 流道等部 位的抗 渗、 抗裂 性能 和高速 水流作 用部位 的增强 以及闸门 、 泵梁 、 泵座等部位 的抗震 、 抗 冲击性能的增强 。如 浙江省 百丈涧高 压引水 洞和姚 岭水库 坝面以及葛洲坝 泄水 闸等。在 江苏省 丰县李楼 水利枢 纽抽 水站的设计 中 ， 进 、 出水涵洞 闸门和抽 水站进水 肘形 流道采 用了钢纤维混凝土 ， 并取得 了较好效果。 5 结论 钢纤维混凝土的优越性 能表 明： 钢纤维混凝 土不但 可以 解决钢筋混凝土难 以解决 的裂缝 、 耐久性 等问题 ， 广泛用 于 地 铁支 护 、 桥梁 、 路 桥面 、 水 工建筑等工 程 ， 而且 可 以大 幅度 降低造价 。因此 ， 钢纤维混凝 土在建筑、 路桥 、 水利水电等工 程中具有广 阔应用前景。 参考文献 1 赵国藩 ， 黄承逵 纤维混凝土的研究 与应 用 M 大连 ： 大连 理工 大学出版社 ， 1 9 9 2 2 程庆国， 高路彬 钢纤维混凝土理论及 应用 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 9 3 黄全 中， 李风梧 外掺钢纤维对高性能混凝 土高温后性能 的影响 J 山西建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 5 01 5 1 4 李丽娟 ， 张红州 纤维与混凝土粘结的界面力学性能研究 J 新 型建筑材料 ， 2 0 0 4， ( 1 0 ) ： 1 5 5 陆宏策 一 种新型 材料 钢纤 维混凝 土 J 广 东水利 水 电， 1 9 9 7 ， ( 1 ) ： 3 73 8 6 曾云川 喷射 钢纤维混 凝土在小 团山隧道 的应 用 J 云南交通 科技 ， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 2 5 2 6 7 郜勇剐 浅谈 喷射钢纤 维混凝土在 隧道加 固中的应用 J 山西 建筑， 2 0 0 3 ( 1 O ) 21