摘 要: 钢纤维混凝土作为一种新型结构混凝土, 其优越的使用性能被越来越多的工程采用。本文介绍了钢纤维混凝土材料的性能以及在工程中的应用, 为钢纤维混凝土材料在工程中的应用提供理论依据与工程实践。
关键词:钢纤维混凝土 性能 应用
中图分类号: T U 5 2 8 文献标识码: A 文章编号:1672-3791(2007)12(a)-0058-01
1 钢纤维混凝土概述
钢纤维混凝土(Steel Fiber ReinforcedConcrete·简称SFRC)是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短钢纤维组合而成的复合材料,我国自1993 年5 月中国工程建设标准化协会批准实施了《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》以来,钢纤维混凝土已被应用于路面、桥面、桥梁结构等工程的复杂受力区。
钢纤维的品种及性能是影响钢纤维混凝土质量的主要因素,钢纤维主要有以下几种:
(1)切断钢纤维:将压延拉拔的钢丝按规定长度切断而成。多是圆形断面而纵向呈平直状,一般称为圆直钢纤维。
(2)剪切钢纤维:将薄带钢高速剪切制造而成。这种钢纤维断面呈矩形,纵向为扭曲状,因而与混凝土基体的粘结力较好。
(3)熔抽钢纤维:将熔融的钢水利用旋转圆盘甩出快速冷却而成。这种钢纤维本身强度低而且脆,钢纤维表面的氧化层较多,增强效果比剪切钢纤维差。
2 钢纤维混凝土材料的基本性质
2.1 钢纤维混凝土独特的物理力学性能
(1)抗裂性和变形能力(韧性)
钢纤维混凝土的最显著的特点是抗裂性能好,在保持一定程度的耐力情况下变形能力较大。SFRC 不仅在裂缝发生时的变形为素混凝土的两倍以上,而且在裂缝发生后,钢纤维连着裂缝两边,具有传递应力的作用,因而能继续承受外力作用,在一定程度上能够限制变形的扩展。随着钢纤维掺人率的增加,韧性显著增大,韧性将达到混凝土的30 倍以上。
(2)抗冲击强度和耐疲劳性能
SFRC 的吸能能力比较大,因此其抗冲击(爆破冲击和机械冲击)强度约为素混凝土的5~10 倍。关于耐疲劳性能,根据单轴抗压荷载试验结果,在纤维掺人率为2% 时,经过210万次后,其强度为静载破坏强度的62%,又根据脉动抗弯疲劳试验结果, 在纤维掺人率为2%~3% 时,经过200 万次后,约达到其抗裂强度的90%。
(3)抗剪强度
SFRC 的直接抗剪强度与素混凝土的直接抗剪强度比随着钢纤维掺人率的增加而增大,仅掺人0.5% 的钢纤维时,其比值为1.5。另外,与抗弯强度的情况相同,在钢纤维长度一定的情况下,抗剪强度随着长细比的变化而变化,长细比较大,抗剪强度也越大,素混凝土的直接抗剪强度采用6.35MPa。
(4)弹性模量
2.2 钢纤维混凝土的增强机理
纤维间距机理是基于线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,就必须尽可能地减小缺陷的程度,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,其抗弯强度、抗冲击强度、抗疲劳强度、延展性韧性等力学性能也相应的提高。
2.3 钢纤维混凝土配合比设计
钢纤维混凝土的配合比设计应满足结构设计要求的抗压强度与抗折强度,以及施工中要求的和易性。在某些条件下还应满足对抗冻,抗渗性,耐腐蚀性或耐冲刷性等项要求。
钢纤维混凝土配合比设计应采用试验---- 计算法,并应按下述步骤进行:
(1)根据强度标准值或设计值以及施工配置强度提高系数确定试配抗压强度和抗折强度。
(2)按试配抗压强度计算水灰比,一般不大于0.50 水泥用量不大于500 公斤。
(3)根据试验抗折强度,按规定计算或通过已有资料确定钢纤维体积率。根据经验一般体积率选10%~1.5%。
(4)根据施工要求的稠度通过试验或已有资料确定单位体积用水量,如掺用外加剂应考虑外加剂的影响。
(5)根据试验或有关资料确定合理砂率,一般选用50% 左右,使用时根据所用材料的品种规格,纤维体积率,水灰比等适量调整。
2.4 钢纤维混凝土拌和
为防止钢纤维混凝土在搅拌时纤维结团,在施上时每拌一次的搅拌量不宜大于搅拌机额定搅拌量的80%,采用滚动式搅拌机拌和,在搅拌混凝土过程中必须保证钢纤维均匀分布。为保证混凝土混合料的搅拌质量,采用先干后湿的拌和上艺。投料顺序及搅拌时间为:
粗集料→钢纤维(干拌lmin)→细集料→水泥(干拌1min),其中钢纤维在拌和时分三次加入拌和机中, 边拌边加入钢纤维, 再倒入黄砂、水泥,待全部料投入后重拌2-3min,最后加足水湿拌1min,总搅拌时间不超过6min,超搅拌会引起湿纤维结团。按此程序拌出的混合料均匀。尚若在拌和中,先加水泥和粗、细集料,后加钢纤维则容易结成团。而且纤维团越滚越紧,难以分开,一旦发现有纤维结团,就必须剔除掉,以防止因此而影响混凝土的质量。
3 SFRC在工程中的应用
钢纤维混凝土在这方面的应用也是相当广泛的,使用方式包托新建和修补工程。由于钢纤维混凝土具有良好的抗裂性、弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点, 使面层厚度减少,伸缩缝间距加长,路面和跑道的使用性能优良,维修费用降低,寿命延长。据日本的经验,面层厚度较普通混凝土可减少30%~50%,公路伸缩缝间距可达30~100m,机场跑道的伸缩缝间距可达30m。用于路面和桥面修补罩面层厚仅为3~5cm,可减少工程量,特别是降低了桥面的自重荷载。我国目前每年生产的碳钢纤维约有40%用于路面工程。大庆、安徽省、辽宁盘锦市、山西太原市等先后在车流较大的公路段用钢纤维混凝土修筑试验路面。大庆的试验段长500m、宽7m,纤维掺量为0.8%,路而厚12cm,与厚24cm 的普通混凝土路面相比,造价接近。经一年多的营运,路面无裂缝,无破碎,状况良好。国外在用钢纤维混凝土筑路时大都采用专门的施工机械。美国还试用了辗压钢纤维混凝土筑路,与普通的浇注方法相比,在获得相同路面性能情况下可减少水泥和纤维用量。
4 结语
钢纤维混凝土的应用, 特别是旧路面处理,结构加固等方面显示出钢纤维混凝土具有很强的应用市场。钢纤维混凝土除了具有与普通钢纤维混凝土一样抗裂性强、耐老化、耐冲击、耐疲劳、抗冻、抗渗性好等优良性外,还快硬化、超早强、耐磨损,可以提高混凝土的抗拉强度,改善抗冲击力、抗疲劳等性能,且施工方便,浇注方法及浇注后外观基本与普通混凝土相同,造价相对合理。从实际效果来看,经济效益和社会效益都较好。
参考文献
[1] 赵冠鹏.钢纤维混凝土应用技术研究[J].河北工业大学成人教育学院学报,2006.
[2] 程庆高,高路彬.钢纤维混凝上理论及应用[M].北京,中国铁道出版社,1999.
[3] 钢纤维混凝土试验方法标准编制组.试验研究报告集.大连理工大学,哈尔滨建工学院等,1988.
