鋼纖維混凝土的性能機(jī)理與工程應(yīng)用

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本文結(jié)合鋼纖維混凝土的性能機(jī)理，對(duì)鋼纖維混凝土的力學(xué)性能、耐久性、耐凍融性等多項(xiàng)性能進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)代鋼纖維混凝土的實(shí)際應(yīng)用和其獨(dú)特的性能對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

　　鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，簡(jiǎn)寫(xiě)為 SFRC）是在普通混凝土中摻入適量短鋼纖維而形成的可澆筑、可噴射成型的一種新型復(fù)合材料。它是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種性能優(yōu)良且應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料。

　　近年來(lái)鋼纖維混凝土在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展，它克服了混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、性脆等缺點(diǎn)，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能，已在建筑、路橋、水工等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　1.鋼纖維混凝土的性能研究

　　1.1 鋼纖維混凝土的力學(xué)強(qiáng)度

　　1.1.1 抗壓強(qiáng)度

　　鋼纖維混凝土雖受壓強(qiáng)度增加不明顯，但受壓韌性卻大幅度提高了。這是由于鋼纖維的存在，增大了試件的壓縮變形，提高了受壓破壞時(shí)的韌性。從宏觀上呈現(xiàn)，鋼纖維混凝土受壓破壞時(shí)，沒(méi)有明顯的碎塊或崩落，仍保持這整體性。

　　1.1.2 抗剪強(qiáng)度

　　鋼纖維混凝土具有優(yōu)異的抗剪性能，對(duì)提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗剪能力有重要意義。通常在鋼筋混凝土的構(gòu)件中，其抗剪承載力主要靠箍筋和彎起鋼筋承擔(dān)，這些筋多了，不僅要提高工程投資，而且施工很不方便，尤其對(duì)薄壁、抗震結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀的特種結(jié)構(gòu)，問(wèn)題則尤為突出。因此采用鋼纖維混凝土是提高結(jié)構(gòu)抗剪能力的有效途徑。

　　1.1.3 抗彎強(qiáng)度

　　鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度，隨著纖維摻量的增加而提高。鋼纖維混凝土等級(jí)提高，使抗彎強(qiáng)度提高明顯。在彎曲荷載作用下，鋼纖維混凝土受拉區(qū)開(kāi)裂，中性軸向上移，受拉區(qū)仍有部分纖維與基材的粘結(jié)力承受拉力，增加韌性，提高了混凝土的抗彎強(qiáng)度。而普通混凝土則很快發(fā)生斷裂，以致脆性破壞。

　　1.2 鋼纖維混凝土的韌性和抗裂性

　　韌性是在材料受壓破壞前吸收能量的性質(zhì)。抗裂性是指鋼纖維在脆性混凝土基體中減少裂縫和阻滯裂縫進(jìn)一步發(fā)展的性質(zhì)。鋼纖維混凝土具有很好的韌性和抗裂性。鋼纖維混凝土的韌性隨著鋼纖維數(shù)量的增加而大幅度提高，同時(shí)與纖維和基材的粘結(jié)力有關(guān)?；膹?qiáng)度提高，纖維混凝土的韌性也相應(yīng)提高。

　　1.3 鋼纖維混凝土的抗沖擊性能

　　在動(dòng)荷載作用下，鋼纖維混凝土在裂縫擴(kuò)展時(shí)，首先是鋼纖維克服基材的粘結(jié)力而被拔出，或是鋼纖維達(dá)到屈服強(qiáng)度而被拉斷。這都需要消耗大量的能量。因此，鋼纖維混凝土能提高抗沖擊性能。若采用剪切鋼纖維制成試件?？缍葹?，鋼纖維混凝土等級(jí)為CF55時(shí)，采用水泥硬練重錘沖擊。當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，耐沖擊次數(shù)為素混凝土的3～4倍；纖維摻量為1%時(shí)，耐沖擊次數(shù)為11～12倍；纖維摻量為1.5%時(shí)，耐沖擊次數(shù)為21～22倍?？梢?jiàn)，鋼纖維混凝土的耐沖擊性能隨著纖維摻量的增加而大幅度提高。

　　1.4 鋼纖維混凝土的抗疲勞性能

　　鋼纖維明顯改善了混凝土的彎曲疲勞性能。若CF80鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，當(dāng)鋼纖維摻量為1%時(shí)，200萬(wàn)次疲勞極限可提高10%；當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，疲勞極限可提高15%.當(dāng)疲勞應(yīng)力比為0.7時(shí)，對(duì)鋼纖維摻量1%的鋼纖維混凝土，疲勞壽命可延長(zhǎng)。

　　1.5 鋼纖維混凝土的抗凍融性能

　　鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中，由于溫度的變化，在混凝土內(nèi)形成溫度應(yīng)力場(chǎng)。鋼纖維混凝土的基體組成部分的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度應(yīng)力作用下變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部界面產(chǎn)生拉應(yīng)力，影響了界面的黏結(jié)性狀。鋼纖維體積率的增大，增加了混凝土內(nèi)的界面，這些界面是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)凍融次數(shù)不大時(shí)，鋼纖維與砂漿的黏結(jié)性狀良好，鋼纖維能有效地發(fā)揮阻裂增強(qiáng)作用，減少裂縫源的數(shù)量和裂縫的寬度。所以，在凍融次數(shù)較低時(shí)，隨鋼纖維體積率的增加，使混凝土強(qiáng)度下降的幅度降低。

　　2.鋼纖維混凝土的工程應(yīng)用

　　2.1 水利工程

　　鋼纖維混凝土在水利工程中的應(yīng)用比較廣泛，主要將其用于受高速水流作用以及受力比較復(fù)雜的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓疏水道、消力池、閘底板和水閘、船閘、渡槽、大壩防滲面板及護(hù)坡等。

　　2.2 建筑工程

　　鋼纖維混凝土在建筑工程中的影響越來(lái)越廣泛，一般應(yīng)用于房屋建筑工程、預(yù)制樁工程、框架節(jié)點(diǎn)、屋面防水工程、地下防水工程等工程領(lǐng)域中。如抗震框架節(jié)點(diǎn)中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節(jié)點(diǎn)對(duì)強(qiáng)度、延性、耗能等方面的要求，而且還能提供類似于箍筋約束混凝土的作用，并解決節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋擠壓使混凝土難于澆注的施工問(wèn)題；

　　2.3 道路和橋梁工程

　　鋼纖維混凝在道路和橋梁工程方面，主要廣泛應(yīng)用于路面、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道等工程中，包括新建及修補(bǔ)工程。鋼纖維混凝土較普通混凝土有較好的韌性，抗沖擊、抗疲勞性。它可使面層厚度減少，伸縮縫間距加長(zhǎng)，使用性能提高，維修費(fèi)用減低、壽命延長(zhǎng)。面層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.路面及橋面修補(bǔ)，其罩面厚度僅為3～5cm.

　　2.4 鐵路工程

　　在鐵路工程方面，鋼纖維混凝土主要用于預(yù)應(yīng)力鋼纖維混凝土鐵路軌枕、雙塊式鐵路軌枕及搶修鐵路橋面防水保護(hù)層中。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數(shù)萬(wàn)次的振動(dòng)，所以要求混凝土必須具有較高的強(qiáng)度、較高的抗沖擊性及較大的塑性。這正好利用了鋼纖維混凝土的抗沖擊性及較好的塑性。建成的工程有：沈陽(yáng)鐵路局長(zhǎng)達(dá)線維修工程、柳州鐵路局黔桂鐵路鋪設(shè)工程、南昆鐵路隧道工程和西安安康鐵路椅子山隧道等工程土。鋼纖維混凝土的應(yīng)用，使維修工作量大為減少，并提高了線路的使用壽命，效果良好。

　　2.5 港口及海洋工程

　　鋼纖維混凝土在海洋工程中的使用主要是鋼纖維混凝土的腐蝕問(wèn)題，所以有待進(jìn)一步研究，但在日本和挪威的使用經(jīng)驗(yàn)是令人鼓舞的。日本鋼鐵俱樂(lè)部采用鋼纖維混凝土作鋼管樁防腐層，在海水中浸泡10年，鋼纖維混凝土防腐完好，鋼管表面無(wú)銹蝕，仍有金屬光澤。挪威將鋼纖維混凝土用于北海海底輸氣管道的隧道襯砌、Forsmark核電站海底核廢料庫(kù)的支護(hù)、海洋平臺(tái)后張預(yù)應(yīng)力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補(bǔ)等。我國(guó)江蘇石舀港碼頭的軌道梁工程中也使用了鋼纖維混凝土。