摘 要: 鋼纖維混凝土作為一種新型結(jié)構(gòu)混凝土, 其優(yōu)越的使用性能被越來(lái)越多的工程采用。本文介紹了鋼纖維混凝土材料的性能以及在工程中的應(yīng)用, 為鋼纖維混凝土材料在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)與工程實(shí)踐。
關(guān)鍵詞:鋼纖維混凝土 性能 應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào): T U 5 2 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1672-3791(2007)12(a)-0058-01
1 鋼纖維混凝土概述
鋼纖維混凝土(Steel Fiber ReinforcedConcrete·簡(jiǎn)稱(chēng)SFRC)是一種由水泥、粗細(xì)集料和隨機(jī)分布的短鋼纖維組合而成的復(fù)合材料,我國(guó)自1993 年5 月中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批準(zhǔn)實(shí)施了《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》以來(lái),鋼纖維混凝土已被應(yīng)用于路面、橋面、橋梁結(jié)構(gòu)等工程的復(fù)雜受力區(qū)。
鋼纖維的品種及性能是影響鋼纖維混凝土質(zhì)量的主要因素,鋼纖維主要有以下幾種:
(1)切斷鋼纖維:將壓延拉拔的鋼絲按規(guī)定長(zhǎng)度切斷而成。多是圓形斷面而縱向呈平直狀,一般稱(chēng)為圓直鋼纖維。
(2)剪切鋼纖維:將薄帶鋼高速剪切制造而成。這種鋼纖維斷面呈矩形,縱向?yàn)榕で鸂?因而與混凝土基體的粘結(jié)力較好。
(3)熔抽鋼纖維:將熔融的鋼水利用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)甩出快速冷卻而成。這種鋼纖維本身強(qiáng)度低而且脆,鋼纖維表面的氧化層較多,增強(qiáng)效果比剪切鋼纖維差。
2 鋼纖維混凝土材料的基本性質(zhì)
2.1 鋼纖維混凝土獨(dú)特的物理力學(xué)性能
(1)抗裂性和變形能力(韌性)
鋼纖維混凝土的最顯著的特點(diǎn)是抗裂性能好,在保持一定程度的耐力情況下變形能力較大。SFRC 不僅在裂縫發(fā)生時(shí)的變形為素混凝土的兩倍以上,而且在裂縫發(fā)生后,鋼纖維連著裂縫兩邊,具有傳遞應(yīng)力的作用,因而能繼續(xù)承受外力作用,在一定程度上能夠限制變形的擴(kuò)展。隨著鋼纖維摻人率的增加,韌性顯著增大,韌性將達(dá)到混凝土的30 倍以上。
(2)抗沖擊強(qiáng)度和耐疲勞性能
SFRC 的吸能能力比較大,因此其抗沖擊(爆破沖擊和機(jī)械沖擊)強(qiáng)度約為素混凝土的5~10 倍。關(guān)于耐疲勞性能,根據(jù)單軸抗壓荷載試驗(yàn)結(jié)果,在纖維摻人率為2% 時(shí),經(jīng)過(guò)210萬(wàn)次后,其強(qiáng)度為靜載破壞強(qiáng)度的62%,又根據(jù)脈動(dòng)抗彎疲勞試驗(yàn)結(jié)果, 在纖維摻人率為2%~3% 時(shí),經(jīng)過(guò)200 萬(wàn)次后,約達(dá)到其抗裂強(qiáng)度的90%。
(3)抗剪強(qiáng)度
SFRC 的直接抗剪強(qiáng)度與素混凝土的直接抗剪強(qiáng)度比隨著鋼纖維摻人率的增加而增大,僅摻人0.5% 的鋼纖維時(shí),其比值為1.5。另外,與抗彎強(qiáng)度的情況相同,在鋼纖維長(zhǎng)度一定的情況下,抗剪強(qiáng)度隨著長(zhǎng)細(xì)比的變化而變化,長(zhǎng)細(xì)比較大,抗剪強(qiáng)度也越大,素混凝土的直接抗剪強(qiáng)度采用6.35MPa。
(4)彈性模量
2.2 鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理
纖維間距機(jī)理是基于線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上來(lái)說(shuō)明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用的。該機(jī)理認(rèn)為,在混凝土內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷,欲提高這種材料的強(qiáng)度,就必須盡可能地減小缺陷的程度,提高韌性,降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。纖維間距愈小,強(qiáng)度提高的效果就越好; 且纖維的彈性模量越大,抗裂效果越好?？沽研Ч昧?其抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、延展性韌性等力學(xué)性能也相應(yīng)的提高。
2.3 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)
鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度,以及施工中要求的和易性。在某些條件下還應(yīng)滿足對(duì)抗凍,抗?jié)B性,耐腐蝕性或耐沖刷性等項(xiàng)要求。
鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)采用試驗(yàn)---- 計(jì)算法,并應(yīng)按下述步驟進(jìn)行:
(1)根據(jù)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值或設(shè)計(jì)值以及施工配置強(qiáng)度提高系數(shù)確定試配抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。
(2)按試配抗壓強(qiáng)度計(jì)算水灰比,一般不大于0.50 水泥用量不大于500 公斤。
(3)根據(jù)試驗(yàn)抗折強(qiáng)度,按規(guī)定計(jì)算或通過(guò)已有資料確定鋼纖維體積率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般體積率選10%~1.5%。
(4)根據(jù)施工要求的稠度通過(guò)試驗(yàn)或已有資料確定單位體積用水量,如摻用外加劑應(yīng)考慮外加劑的影響。
(5)根據(jù)試驗(yàn)或有關(guān)資料確定合理砂率,一般選用50% 左右,使用時(shí)根據(jù)所用材料的品種規(guī)格,纖維體積率,水灰比等適量調(diào)整。
2.4 鋼纖維混凝土拌和
為防止鋼纖維混凝土在攪拌時(shí)纖維結(jié)團(tuán),在施上時(shí)每拌一次的攪拌量不宜大于攪拌機(jī)額定攪拌量的80%,采用滾動(dòng)式攪拌機(jī)拌和,在攪拌混凝土過(guò)程中必須保證鋼纖維均勻分布。為保證混凝土混合料的攪拌質(zhì)量,采用先干后濕的拌和上藝。投料順序及攪拌時(shí)間為:
粗集料→鋼纖維(干拌lmin)→細(xì)集料→水泥(干拌1min),其中鋼纖維在拌和時(shí)分三次加入拌和機(jī)中, 邊拌邊加入鋼纖維, 再倒入黃砂、水泥,待全部料投入后重拌2-3min,最后加足水濕拌1min,總攪拌時(shí)間不超過(guò)6min,超攪拌會(huì)引起濕纖維結(jié)團(tuán)。按此程序拌出的混合料均勻。尚若在拌和中,先加水泥和粗、細(xì)集料,后加鋼纖維則容易結(jié)成團(tuán)。而且纖維團(tuán)越滾越緊,難以分開(kāi),一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結(jié)團(tuán),就必須剔除掉,以防止因此而影響混凝土的質(zhì)量。
3 SFRC在工程中的應(yīng)用
鋼纖維混凝土在這方面的應(yīng)用也是相當(dāng)廣泛的,使用方式包托新建和修補(bǔ)工程。由于鋼纖維混凝土具有良好的抗裂性、彎曲特性、耐沖擊性、耐疲勞性等特點(diǎn), 使面層厚度減少,伸縮縫間距加長(zhǎng),路面和跑道的使用性能優(yōu)良,維修費(fèi)用降低,壽命延長(zhǎng)。據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn),面層厚度較普通混凝土可減少30%~50%,公路伸縮縫間距可達(dá)30~100m,機(jī)場(chǎng)跑道的伸縮縫間距可達(dá)30m。用于路面和橋面修補(bǔ)罩面層厚僅為3~5cm,可減少工程量,特別是降低了橋面的自重荷載。我國(guó)目前每年生產(chǎn)的碳鋼纖維約有40%用于路面工程。大慶、安徽省、遼寧盤(pán)錦市、山西太原市等先后在車(chē)流較大的公路段用鋼纖維混凝土修筑試驗(yàn)路面。大慶的試驗(yàn)段長(zhǎng)500m、寬7m,纖維摻量為0.8%,路而厚12cm,與厚24cm 的普通混凝土路面相比,造價(jià)接近。經(jīng)一年多的營(yíng)運(yùn),路面無(wú)裂縫,無(wú)破碎,狀況良好。國(guó)外在用鋼纖維混凝土筑路時(shí)大都采用專(zhuān)門(mén)的施工機(jī)械。美國(guó)還試用了輾壓鋼纖維混凝土筑路,與普通的澆注方法相比,在獲得相同路面性能情況下可減少水泥和纖維用量。
4 結(jié)語(yǔ)
鋼纖維混凝土的應(yīng)用, 特別是舊路面處理,結(jié)構(gòu)加固等方面顯示出鋼纖維混凝土具有很強(qiáng)的應(yīng)用市場(chǎng)。鋼纖維混凝土除了具有與普通鋼纖維混凝土一樣抗裂性強(qiáng)、耐老化、耐沖擊、耐疲勞、抗凍、抗?jié)B性好等優(yōu)良性外,還快硬化、超早強(qiáng)、耐磨損,可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度,改善抗沖擊力、抗疲勞等性能,且施工方便,澆注方法及澆注后外觀基本與普通混凝土相同,造價(jià)相對(duì)合理。從實(shí)際效果來(lái)看,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都較好。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙冠鵬.鋼纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)研究[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào),2006.
[2] 程慶高,高路彬.鋼纖維混凝上理論及應(yīng)用[M].北京,中國(guó)鐵道出版社,1999.
[3] 鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)編制組.試驗(yàn)研究報(bào)告集.大連理工大學(xué),哈爾濱建工學(xué)院等,1988.
