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浅谈钢纤维混凝土的性能特征及应用
周佳鹏 黑龙江大学 水利电力学院 20115153
指导教师：史长莹
【摘要】钢纤维混凝土作为一种新型结构混凝土，具有较高的抗拉强度和断裂韧性、抗疲劳等性能,容易浇筑成型,适用于水利水电工程中的复杂应力部位。其优越的使用性能被越来越多的工程采用, 结合钢纤维混凝土在工程中的实际应用经验,对其施工工艺及注意事项进行了初步研究，并指出钢纤维混凝土的应用取得了良好的经济效益和社会效益。
【关键词】钢纤维混凝土；性能；施工工艺；应用
0 引言
钢纤维混凝土就是在普通混凝土中掺入适量钢纤维而成的一种新型复合材料, 近年来在国内外得到迅速发展近年来在国内外得到迅速发展。由于混凝土本身抗拉强度低,混凝土结构在受拉区会出现裂缝.这些裂缝会加速混凝土的碳化,而且混凝土结构的承载力和使用寿命会随着裂缝的扩展而下降.与普通混凝土相比,钢纤维混凝土具有抗拉、抗弯、抗剪强度高的优点,并会显著改善混凝土抗裂性能、韧性、抗冲击性能及耐久性等。由于混凝土本身抗拉强度低,混凝土结构在受拉区会出现裂缝.这些裂缝会加速混凝土的碳化,而且混凝土结构的承载力和使用寿命会随着裂缝的扩展而下降.与普通混凝土相比,钢纤维混凝土具有抗拉、抗弯、抗剪强度高的优点,并会显著改善混凝土抗裂性能、韧性、抗冲击性能及耐久性等。
1 钢纤维混凝土的定义及基本性能
1.1 钢纤维混凝土的定义
钢纤维混凝土是指把直径为0.3 mm~0.6 mm、长度为20 mm,40 mm的短钢按某个特定方向或随机方向均匀地掺入到混凝土中的一种新的复合混凝土。钢纤维的使用量为混凝土体积的1%~2%。
1.2 钢纤维混凝土的性质
1.2.1 形状、尺寸
作为混凝土增强材料的钢纤维,必须具备以下条件:当把它投入搅拌机中后其形状、尺寸一定要适合于能够均匀地分散到混凝土中去,如果纤维过细过长,搅拌过程中多数纤维将会出现纤维球,从而使钢纤维难以均匀分散。反之,如果纤维过粗过短,振捣时容易与混凝土分离而下沉。考虑了以上各点以后,钢纤维的直径(或一边长度)以0.3 mm~0.6 mm,长度以40 mm为好。如果纤维过短,就收不到增强效果,因此其长度为直径的40倍~60倍时,比较能够均匀地分散到混凝土中去。
1.2.2 粘结强度
为了能够发挥钢纤维对混凝土的增强作用,钢纤维与混凝土的粘结强度一定要高。粘结强度越高,抗裂性能越好,抗拉强度和抗弯强度也能得到明显的提高。一般来说,提高钢纤维粘结强度的方法有二:1)沿钢纤维的轴线方向以一定间距对截面进行塑性加工;2)对钢纤维的端部进行加工,使其成为异形钢纤维。
1.2.3 硬度
现在市场上销售的钢纤维,大多在制作加工时硬化,以低碳钢为原料的钢纤维也具有一定的硬度,所以搅拌时很少发生弯曲现象。但如果在热处理过程中钢纤维过于软化,则搅拌时容易弯曲,增强效果将减少一半;反之,如果钢纤维过硬过脆,搅拌中容易折断,其增强效果也将显著减少。尽管钢纤维有一定的硬度,人们还是希望它也具有一定的弹性。
1.2.4 抗拉强度
对钢纤维抗拉强度的要求,只是在钢纤维混凝土发生破坏时没有被拉断的那个值。一般来说,若钢纤维的长度为l,直径为d,与混凝土的粘结强度为S,假定钢纤维在混凝土中所产生的抗拉应力为Rt,则Rt=S#l/d,现在市场上销售的钢纤维的S值为50 kg/cm2~60 kg/cm2,l/d(长细比)为60~80,钢纤维的抗拉强度若能达到50 kg/cm2就很不错了。
1.2.5 耐腐蚀性能
因为钢纤维比钢筋细得多,所以如果钢纤维被腐蚀,那么钢纤维混凝土就会立即损坏。钢纤维在混凝土中不容易遭到腐蚀但暴露在混疑土表面的钢纤维,其中一部分将产生褐色斑点。因此,在有碍观瞻的幕墙等处使用钢纤维混凝土时,要对所用钢纤维进行防锈处理。一般有阿塞尔处理法、镀锌和环氧树脂双镀层等。
2 钢纤维混凝土的特点
2.1
钢纤维混凝土其抗裂,抗拉,抗弯,抗剪,耐磨性能,疲劳强度和抗冻融性能均较普通混凝土有大幅提高。因此,可减少钢筋材料消耗并减少混凝土的用量。用钢纤维混凝土铺设公路路面或机场跑道,厂房地面等,可使厚度减薄一半,并使接缝间距延长数倍至十倍,且寿命大大增加。用钢纤维混凝土喷浇铁路、公路、矿山隧道内衬,喷浇厚度可减至50mm以下,免去盘条和金属网配筋,不仅节约钢材而且混凝土质量更加可靠。
2.2
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,每立方米混凝土中分散有数百万根钢纤维。因此可以用于有抗裂和承受冲击强度要求的各种构造物中。用钢纤维混凝土浇注的刚性屋面或防水设施,由于有混凝土的抗裂性能大大提高,因而防漏性能良好,其寿命比/三毡四油0的传统卷材屋面延长数倍。
2.3
使用钢纤维喷射混凝土,可以方便地解决年久失修或失火烧损的建筑物补强修复问题。
2.4
由于改善了混凝土的性能,钢纤维混凝土的寿命能够大大延长,维护修理费用也能够大幅度降低。
3 钢纤维混凝土的缺点
在中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土委员会纤维混凝土专业委员会的领导下,从事纤维混凝土研究的科研工作者进行了多年的试验研究和理论分析工作,所作的工作大多以科学的、实事求是的态度公开发表在各学术期刊上及相关著作中。关于纤维混凝土的缺点,已在早期的研究成果中明确指出,本文在此作一简单总结。
3.1对混凝土抗压强度影响较小
对钢纤维混凝土的抗压试验结果及其受力破坏过程的研究成果表明,在受压的条件下,在试件达到其抗压强度之后,钢纤维才发挥限制裂缝开展的作用,因此,宏观表现为钢纤维并不明显提高混凝土的抗压强度,而是较好地改善混凝土的后期变形能力。
3.2 配合比设计比较复杂
由于加入了钢纤维,需要大量的水泥砂浆来包裹钢纤维较大的总表面积,而且钢纤维的存在增加了混凝土拌合物的摩擦力和屈服剪力,使混凝土拌合物的流动性显著降低,且降低程度随钢纤维体积率的增大愈加显著。这就需要在配合比设计时根据钢纤维体积率的大小调整单位用水量和砂率等参数以满足施工性能,不同钢纤维掺量、不同钢纤维类型的混凝土配合比不尽相同,从而带来了配合比设计的复杂性。
3.3 施工比较麻烦
拌和钢纤维混凝土,首先要保证钢纤维在混凝土中分散均匀,不产生纤维结团现象,这是钢纤维发挥增强增韧作用的前提。工程中或者是采用将钢纤维与其它骨料先干拌再加水湿拌的方法,或者是采用混凝土拌和后分散加入钢纤维的方法进行的。但无论哪种拌和方式,都要延长拌和时间,且拌和后必须目测一下钢纤维在混凝土拌合料中的分散情况,这就对施工人员提出了进一步的要求。
3.4 造价较高
由于原材料价格较高,钢纤维的价格也一直居高不下,从而使钢纤维混凝土的造价比混凝土提高一倍以上。目前国内市场上常用的钢纤维品种较多,价格在每吨4000元~8000元之间,相差比较大。因此,对于实际工程,应根据工程情况和使用目的选用满足要求的钢纤维品种,并进行试验确定合理掺量,不一定都用价格高的钢纤维。
3.5 裂缝出现前作用不明显
混凝土处于弹性工作阶段而尚未出现裂缝时,钢纤维作用较小。因为钢纤维的主要作用在于限裂阻裂,如果不出现裂缝,或者裂缝不发展,则通过钢纤维与混凝土之间的粘结力传递给钢纤维的应力较小,钢纤维就不能发挥较大的作用。

4 钢纤维混凝土的拌和工艺要求
(1)宜采用机械拌和。当钢纤维体积率高,拌和物稠度较大时,搅拌机一次拌和量不大于其额定拌
和量的80%。
(2)各种材料的重量计量准确,称量偏差在允许范围内。
(3)搅拌的投料次序和方法应以搅拌过程中钢纤维不结团,不产生弯曲或折断,不因拌和机超负荷
而停止运转,出料口不堵塞为原则。宜选用将钢纤维,水泥,粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法。
(4)钢纤维混凝土的搅拌时间应通过现场搅拌试验确定,并比应该普通混凝土规定的搅拌时间延长1~2min,采用先干拌后湿拌的拌和试验时,干拌时间不宜小于1. 5min。
5钢纤维混凝土在水利水电工程中的应用
5.1 支护工程
钢纤维混凝土由于抗拉、抗弯、抗剪强度高, 能承受较大的围岩和土体的变形作用而保持良好的整体性,因此可用于隧洞支护、山体护坡等工程。
5.2 储水、防渗、输水管道工程
钢纤维混凝土由于抗裂性能好、收缩率低,因而防水、防渗性能较好,可用于低压输水管、蓄水池、地下室防渗等工程。而在储水和防渗结构中钢纤维混凝土可作防水层, 有时也可兼作结构层代替钢筋混凝土。
5.3 高速水流冲刷磨损部位
钢纤维混凝土具有较高的抗冲磨、抗气蚀能力,因此可用于溢洪道、消力池、闸底板等承受高速水流作用的部位。
5.4 处于腐蚀环境中的构件
钢纤维混凝土具有良好的耐腐蚀性能,可用于海水等腐蚀环境中的闸门、输水管道等构件的防蚀层或结构层。
5.5 动力荷载作用部位和抗震结构节点
由于钢纤维混凝土具有较高的抗拉强度、断裂韧性和抗疲劳等性能,因此,可用于承受动力荷载的机墩、抗震结构的框架节点等部位
5.6 复杂应力部位
钢纤维混凝土中的钢纤维一般呈三维乱向分布,沿每个方向都有增强和增韧作用。钢纤维对混凝土结构复杂应力区增强是非常有利的,而且容易浇筑成型,比钢筋更能适应各种复杂的结构形式。
6 结语
钢纤维混凝土自发展以来,已在公路路面、桥面、机场跑道等工程中得到广泛应用,同时也取得了一定的经济效益和社会效益。它除了具有良好的抗弯强度外,而且还具有优异的抗冲击、抗开裂性能。但在应用上目前还受到一定的限制。这虽然有工艺上的一些原因,但价格贵亦是影响钢纤维推广使用的一个重要因素。事实上,要对钢纤维混凝土作出合格的技术经济的评价,现在还为时尚早,还需要对长期利益和短期利益,一次性投资和维修保养费用以及材料费用等进行综合考虑。。因此,钢纤维混凝土在水利水电工程中具有广阔应用前景。随着生产方法的改善和技术设备的更新,钢纤维的制造价格将不断降低,我们完全有理由相信,在不远的将来,它一定会在国内外更多的应用范围内显示出强大的优越性。
参考文献：
　　[1]钢纤维混凝土结构与施工规程。中国工程建筑标准化协会标准。
　　[2]张中海。钢纤维混凝土及其质量检验。
　　[3]钢纤维混凝土试验方法。中国建筑工业出版社。