纤维增强混凝土.ppt

纤维增强混凝土,黄政宇,纤维增强混凝土的定义,以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤维、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料。,水泥混凝土的特点,优点 就地取材、价格便宜 可塑性好、易于成型 抗压强度高、耐久性好 缺点 抗拉强度低、脆性大 受拉变形能力小、易开裂,纤维在纤维混凝土中的作用,限制在外力作用下混凝土中裂缝的扩展： 在受荷初期，混凝土与纤维共同承受外力，而混凝土是外力的主要承担者着；当基体（混凝土）发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承担者。若纤维的体积掺量超过某一临界值，纤维混凝土可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直到纤维被拉断或从基体中拔出，纤维混凝土破坏。,纤维混凝土的特点,与普通混凝土相比，纤维混凝土具有如下特点： 1、较高的抗拉和抗弯极限强度。 2、较大的极限变形，抗裂性能显著改善； 3、韧性和抗冲击性能大幅度提高； 4、抗疲劳性能大幅度提高。,纤维混凝土中常用的纤维,按纤维种类： 金属纤维： 钢纤维和不锈钢纤维等 无机纤维： 耐碱玻璃纤维、碳纤维和天然矿物纤维等 有机纤维： 聚乙烯醇纤维（维纶pva)、聚丙烯纤维(丙纶pp)、聚丙烯腈纤维（腈纶pan)和芳族聚酰胺纤维（芳纶kevlar)等。,按弹性模量： 高弹性模量纤维： 弹性模量高于混凝土的纤维，如钢纤维、碳纤维和玻璃纤维等； 低弹性模量纤维： 弹性模量低于混凝土的纤维，如聚丙烯纤维、天然植物纤维等。 按纤维长度： 非连续的短纤维和连续的长纤维。,纤维混凝土的发展历史,公元前2500年左右，芬兰人曾用石棉纤维增强陶瓷。 1910年h.f.porter提出掺用短钢纤维提高水泥混凝土的抗拉性能的想法。 1963年j.p.romualdi和g.b.batson发表有关纤维水泥混凝土的一系列研究成果。,20世纪70年代，美国battelle公司开发了熔抽技术，降低了钢纤维的价格，为钢纤维混凝土的实际应用创造了条件。 20世纪7080年代，钢纤维混凝土开始广泛应用，芳纶（kevlar）纤维和改性晴纶等有机纤维开始在水泥砂浆和混凝土中应用。 其他纤维在水泥混凝土中的应用也有较大进展。,我国纤维混凝土的发展,20世纪70年代，开始钢纤维混凝土的研究； 90年代前后，编制并颁布了钢纤维混凝土试验方法（cecs13:89）和钢纤维混凝土结构设计与施工规程（cecs38:93），近十几年的发展异常迅速，广泛应用于公路路面、机场道面、桥面铺装、结构构件等结构中。 20世纪90年代末，开始有机纤维混凝土的研究，近年也已有相当应用。,第一篇 钢纤维混凝土,钢纤维混凝土的基本特性,钢纤维混凝土的力学性能： 一、抗压性能 当钢纤维掺量较低（2%)时，钢纤维对提高普通混凝土的抗压强度不显著，抗压强度的提高在20%以内；但抗压韧性却大幅度提高，受压极限应变增加，下降段的残余强度提高。,钢纤维掺量对钢纤维混凝土轴向应力-轴向应变曲线的影响,钢纤维混凝土单轴压缩应力-应变典型曲线,钢纤维掺量对钢纤维混凝土单轴抗压性能的影响如下： 1、随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土单轴压缩情况下的不连续点强度、临界应力、极限应力以及临界剪切点强度均得到不同程度的提高； 2、随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土单轴压缩情况下与极限应力对应的极限应变以及临界剪切点的应变均得到提高 3、随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土单轴压缩情况下的应力-应变曲线的下降段变得更加平缓，残余强度提高。,二、抗拉性能 钢纤维的掺入对钢纤维混凝土的抗拉性能有明显的改善，拉伸峰值应力可提高40%，拉伸峰值应变可提高100%，也就是说钢纤维的掺入对变形的影响要比对强度的影响大约大2倍。 另外，钢纤维的掺入对钢纤维混凝土拉伸应力-应变曲线软化段的影响尤其显著，并且钢纤维对抗拉性能的改善效果要比对抗压性能的影响大。,cf45钢纤维混凝土拉伸应力应变曲线,cf50钢纤维混凝土拉伸应力-应变曲线,钢纤维混凝土拉伸峰值应力和峰值应变,钢纤维掺量对劈拉强度的影响,钢纤维混凝土的劈拉强度与纤维直径、纤维长径比、基材质量以及纤维掺量有关，随着纤维掺量的增加而提高。同时随着纤维混凝土等级的提高，劈拉强度提高的幅度加大。,三、抗剪强度 钢纤维混凝土制成受弯构件，更能充分发挥纤维在混凝土中的作用。钢纤维混凝土的抗剪强度随着纤维掺量的增加而提高。同样随着钢纤维混凝土强度的提高，抗剪强度提高幅度加大。,钢纤维掺量对抗剪强度的影响,四、抗弯强度 钢纤维混凝土的抗弯强度，随着纤维掺量的增加而提高。钢纤维混凝土等级提高，使抗弯强度提高越明显。,钢纤维掺量对抗弯强度的影响,钢纤维混凝土抗弯挠度与荷载变化曲线,钢纤维混凝土受弯破坏过程可分为三个阶段： 1、当荷载从零增加到初裂时，荷载与变形基本成线性增加。 2、从初裂荷载继续增加到极限荷载时，钢纤维通过界面粘结力横贯裂缝传递内力，使钢纤维混凝土仍能继续承载。 3、当荷载继续增加到破坏，此时钢纤维与混凝土的界面粘结力被破坏，钢纤维从基材中拔出，吸收大量能量。,钢纤维混凝土韧性指数比较,钢纤维混凝土的力学性能比较,钢纤维混凝土主要力学性能增长情况,五、钢纤维混凝土的抗冲击性能 钢纤维混凝土能提高冲击性能。当钢纤维掺量为体积的1%时，终裂时冲击次数是素混凝土的4倍。钢纤维掺量为2%时，终裂抗冲击次数为普通混凝土的12倍。钢纤维混凝土的耐冲击性能随着纤维掺量的增加而大幅度提高。此外，钢纤维混凝土具有受冲击裂而不碎的良好性能。,六、钢纤维混凝土的疲劳性能 1、单轴受压疲劳 a、钢纤维混凝土的疲劳变形及疲劳损伤特性得到显著改善，疲劳寿命约提高20%左右； b、基材混凝土强度等级对钢纤维混凝土的疲劳变形及疲劳损伤影响不明显。 c、随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的疲劳性能得到了改善。,2、弯曲疲劳 a、钢纤维明显改善了混凝土的弯曲疲劳性能。 b、当疲劳应力比为0.7时，对钢纤维掺量1%的钢纤维混凝土，寿命可延长1.2倍。当钢纤维掺量为 1.5%时，疲劳寿命可延长6.5 倍。,七、钢纤维混凝土的受压弹性模量 混凝土的弹性模量取决于混凝土集料的体积、种类、以及配合比。钢纤维混凝土中的纤维占有的体积较小，一般对弹性模量影响不大。,八、收缩与徐变 钢纤维混凝土的收缩和徐变值都低于相同配合比的普通混凝土。,钢纤维混凝土与普通混凝土的收缩变形曲线,钢纤维混凝土与普通混凝土徐变值比较,钢纤维混凝土的原材料,水泥 可采用硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣硅酸盐水泥等通用水泥；也可采用快硬水泥、膨胀水泥、硫铝酸盐水泥等专用水泥和特性水泥。 骨料 细骨料：宜用中偏粗砂，不得使用海砂，也 不得掺加氯盐及氯盐类早强剂、防冻剂。 粗骨料：可用质量符合要求的卵石和碎石， 粗骨料的最大粒径不宜大于20mm和钢纤维长 度的2/3。,外加剂 钢纤维混凝土宜选用优质的高效减水剂，对抗冻性有要求的钢纤维混凝土宜选用引气型减水剂。常用的高效减水剂有多环芳香族磺酸盐类减水剂、水溶性树脂类减水剂和聚羧酸类减水剂。常用的引气剂有松香热聚物、松香皂和烷基苯磺酸盐。,常用的高效减水剂 1、多环芳香族磺酸盐系减水剂。 此类减水剂的主要成分为萘或萘的同系物的磺酸盐与甲醛的缩合物，故又称萘系减水剂。 2、水溶性树脂类减水剂 此类减水剂是以一些水溶性树脂为主要原料的减水剂，如三聚氰胺树脂，古玛隆树脂等。,3、聚羧酸类减水剂 它是通过不饱和单体（不饱和酸、聚苯乙烯磺酸盐和甲基丙烯酸盐等）在引发剂作用下共聚，将带活性基团的侧链接枝到聚合物的主链上而获得的一类减水剂。,常用的引气剂 松香热聚物：它是松香与石炭酸、硫酸、氢氧化钠以一定配比经加热缩聚而成，适宜掺量为水泥质量的 0.005%0.02%。 松香皂：它是由松香经氢氧化钠皂化而成，掺量为水泥质量的0.005%0.01%。,掺和料 钢纤维混凝土中掺入优质的掺合料，如硅灰、优质粉煤灰、磨细矿渣等，可显著改善混凝土的抗侵蚀性（如抗海水侵蚀、酸雨侵蚀、硫酸盐侵蚀及除冰盐侵蚀等）和耐磨性。,粉煤灰 粉煤灰是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑。根据氧化钙含量，粉煤灰有高钙粉煤灰（cao 10%）和低钙粉煤灰（ cao 10% ）低钙粉煤灰的来源广泛，是当前用量最大、使用范围最广的混凝土掺合料。掺入混凝土中不仅可以节约水泥，还能改善混凝土拌合物的和易性、可泵性和抹面性，降低水化热，提高混凝土的抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性，抑制碱骨料反应。,粉煤灰质量指标与等级（gb 1596-91）,磨细矿渣 将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料，其细度大于350m2/kg，一般为400600 m2/kg。作为混凝土的掺合料，粒化高炉矿渣粉根据细度、活性指数和流动性比，分为s105，s95和s75三个级别。 粒化高炉矿渣粉可以等量取代水泥，并降低水化热、提高抗渗性和耐蚀性、抑制碱骨料反应和提高长期强度等。,硅灰 硅灰又称硅粉，是从生产硅铁或硅钢时排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘，呈玻璃球状，其粒径为0.11.0m，是水泥粒径的1/501/100，比表面积为18.520m2/g。由于比表面积高，需水量大，作为混凝土掺合料，必须与减水剂配合使用，才能保证混凝土的和易性。硅灰具有很高的火山灰活性，可配置高强、超高强混凝土，掺量一般为水泥用量的5%10%，在配制超高强混凝土时，掺量可达20%30%。 硅灰用作混凝土掺合料，可提高混凝土强度，改善混凝土的孔结构，提高混凝土抗渗性、抗冻性及抗腐蚀性，抑制碱骨料反应。,钢纤维按其制造方式分切断钢纤维、切削钢纤维、剪切钢纤维和熔抽钢纤维四种： 1、切断钢纤维：切断钢纤维的截面有圆形或长方形。切断钢纤维是将冷拔至一定直径的钢丝按一定长度切断而成。这种纤维的抗拉强度很高，一般为10002000mpa，因较平直光滑，故与混凝土的粘结强度较低。为克服上述缺陷，可对纤维表面进行变形处理，有的加工成大头纤维或弯钩纤维。,2、切削钢纤维 切削钢纤维是由厚钢板或钢锭，用旋转的平铣刀切削而成。在切削过程中，纤维产生较大的塑性变形，其断面呈现三角形，强度比原材料有很大提高，与混凝土的粘结强度也有所增加。,3、剪切钢纤维 剪切钢纤维是将一定厚度的带钢，用旋转切削的刀具，将带钢剪切扭曲成矩形断面的钢纤维。钢纤维的长度以带钢的宽度而定。钢纤维界面以切削时的进刀量与带钢的厚度而定。一般带钢厚度要求在0.40.8mm之间，切削进刀量为0 .4 0.6mm。因剪切时刀具与带钢成一定角度，因此剪切钢纤维一般都扭成12周的角度。,4、熔抽钢纤维 熔抽钢纤维是由电路温度约1500 1600 将碳钢熔化成钢液，然后在钢液上面安装一个带有刻痕且能高速旋转的熔抽轮接近钢液面。由于熔抽轮的旋转，将熔抽轮内有保持一定流速的冷却水，以10000 /s的速度冷却成形。甩出的钢纤维互不黏结，形成了熔抽钢纤维。,目前我国生产的剪切钢纤维的主要形态有： 剪切钢纤维：呈现直角矩形截面，长度方向上稍有扭曲。 大头形剪切钢纤维：带钢边部扩大，经剪切而成的纤维。 刻痕钢纤维：带钢表面刻痕，经剪切而成的纤维。,压波钢纤维：波形带钢剪切而成的纤维。 集束钢纤维：几个甚至几十个纤维并排在一起，掺入拌合料时，与水以及砂、石搅拌，使集束纤维均匀分散在混凝土中。,钢纤维混凝土的配合比设计,一、钢纤维混凝土的配合比设计原则： （一）配合比设计的基本要求： 1、满足结构设计要求的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度。 2、满足施工要求的和易性。 3、满足使用环境的耐久性，如抗冻性、抗渗性、耐冲刷性和耐磨性等。 4、尽可能的经济。,（二）配合比原则： 1、钢纤维的选择： 圆直和熔抽纤维增强效果较差，适宜配制中低强度等级的混凝土。 剪切钢纤维增强效果较好，适宜配制强度等级较高的混凝土。 钢纤维截面的直径或等效直径应在0.30.8mm之间，一般宜控制在0.45 0.7mm内，钢纤维的长径比宜控制在5080；,钢纤维几何参数采用范围,2 、合理的纤维掺量 钢纤维的掺量(体积掺量)应不低于0.5%;一般纤维掺量宜控制在1%2%. 钢纤维体积率采用范围,3、最优砂率 钢纤维掺入混凝土中，由于钢纤维的存在，使混凝土和易性下降，必须增大砂率。因此配置钢纤维混凝土时，应选择最优砂率。,混凝土掺量与砂率的关系,钢纤维掺量与塌落度的关系,4、粗骨料最大粒径 钢纤维混凝土中，粗骨料最大粒径除由构件的最小尺寸和钢筋间距决定外，还应根据掺入钢纤维的长度来决定。粗骨料最大粒径以纤维长度的一半为宜，以1520mm 为好。,骨料最大粒径对sfrc强度的影响,粗骨料最大粒径对抗折强度的影响,5、外加剂和掺合料 钢纤维混凝土宜掺入高效减水剂，以减少用量，降低水灰比，并改善混凝土基体与钢纤维的粘结。 钢纤维混凝土中也适宜掺入粉煤灰、细磨矿渣和硅灰等优质掺合料，以增加混凝土的粘聚性，减少内泌水，提高水泥浆与纤维的粘结强度和混凝土的强度，并改善耐久性。,二、钢纤维混凝土配合比设计的步骤： （一）确定试配抗压强度与抗拉强度或试配抗压强度与抗弯强度。 （二）根据试配抗压强度计算水灰比 （三）根据试配抗拉强度或抗弯强度，通过计算或已有资料确定钢纤维体积率。 （四）根据施工要求的和易性，通过试验或已有资料确定单位体积用水量。,（五）通过试验或有关资料确定合理砂率。 （六）按体积法或表观密度法计算砂、石材料用量，确定初步计算配比。 （七）按初步计算配比进行拌合物性能试验，调整用水量和砂率，确定强度试验用基准配合比。 （八）根据强度试验结果调整水灰比和钢纤维体积率，确定实验室配合比。,配合比设计示例,公路 钢纤维水泥混凝土配合比设计,（一）28d 配置抗弯强度fcf的确定,式中：fcf28d 配置抗弯强度（mpa ); fc设计弯拉强度标准值（mpa); s抗弯强度试验样本的标准差 （mpa); t 保证率系数（见下表）。,保证率系数 t,（二）计算和确定水灰（胶）比,碎石或碎卵石混凝土： 卵石混凝土： 式中：w/c水灰比； fs水泥实测28d抗折强度（mpa）。 上式计算所得水灰比与耐久性要求的水灰比（见下表）中，取小值。,混凝土满足耐久性要求的最大水灰（胶）比和最小单位水泥用量,（三）钢纤维品种和掺量体积率的确定,1、钢纤维单丝抗拉强度不宜小于600mpa； 2、钢纤维长度应与混凝土粗集料最大粒径dmax相匹配，最短长度宜大于1/3 dmax ，最大长度宜小于1/2 dmax ； 3、宜使用有锚固端的钢纤维，路面和桥面混凝土中，宜使用防锈蚀处理的钢纤维； 4、钢纤维掺量体积率宜在0.60%1.0%范围内初选。,（四）根据混凝土和易性要求选择用水量 1、塌落度选择： 钢纤维混凝土塌落度的选择可比下表规定值小20mm,2、用水量初选 钢纤维混凝土掺高效减水剂时的单位用水量按下表初选，再由拌合物实测塌落度确定。,钢纤维混凝土单位用水量选用表,3、钢纤维混凝土单位水泥用量的计算,式中：cof 钢纤维混凝土的单位水泥用量 （kg/m3); wof钢纤维混凝土的单位用水量 (kg/m3)。 取计算值与耐久性规定值两者中的大者，但不宜大于500 kg/m3。,（五）选择合理的砂率,钢纤维混凝土的砂率宜在38%50%之间；可按下式计算： spf=sp+10f 式中,spf钢纤维混凝土砂率（%） f 钢纤维掺量体积率(%). 也可按下表初选,钢纤维混凝土砂率选用值（%）,(六)按体积法或密度法计算砂石材料用量,(1)密度法可按下列两公式联立计算:,式中: co f 、fo 、 wof 、 sof、gof分别为水泥、钢纤维、水、砂和石子的单方用量（kg）； 假定钢纤维混凝土的单位质量，可取 24502580（kg）。,（2）体积法可按下式与式（a）联立计算：,式中： c 、f 、w 、s 、g 分别为水泥、钢纤维、水、砂和石子单位质量（kg）； a 含气量（%）。,钢纤维混凝土的施工,钢纤维混凝土的搅拌： 钢纤维混凝土搅拌应采用机械搅拌，当钢纤维体积率较高，拌合物稠度较大时，搅拌机一次搅拌量不宜大于其额定搅拌量的8%。 钢纤维混凝土搅拌的投料次序宜优先采用将混凝土、水泥、粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法。搅拌时间应延长12分钟。,当桥梁伸缩缝等零星工程使用少量的钢纤维混凝土时，可采用容量较小的搅拌机拌和，每种原材料应准确称量后加入，不得使用体积计量。搅拌时间应较搅拌机搅拌延长12min.,钢纤维混凝土的运输： 可采用与普通混凝土相同的运输规定；应缩短运输时间，运输过程应避免拌合物离析，如产生离析应作二次搅拌。所用的运输器械应易于卸料。,钢纤维混凝土的浇筑： 钢纤维混凝土的浇筑方法应保证钢纤维分布的均匀性和结构的连续性，在一个规定连续浇筑的区域内，浇筑施工过程不得中断。拌合料从搅拌机卸出到浇筑完毕所需时间不宜超过30min 。在浇注过程中严禁因拌合料干涩而加水。拌合物塌落度相同时，宜比相同机械施工方式的普通混凝土路面松铺高度高10 mm左右,钢纤维混凝土路面的振捣和整平 应保证钢纤维在混凝土中分布的均匀性。整平后的面板表面不得裸露上翘的钢纤维，表面下1030mm深度内的钢纤维应基本处于平面分布状态。 采用滑模摊铺机、轨道摊铺机时，振捣棒组的振捣频率不应低于10000r/min，振捣棒组不得插入混凝土内部振捣。,采用三辊轴机组摊铺时，振动棒组不得插入内部，也不得使用人工插捣。可采用大功率平板式振捣器振捣密实，再采用振动梁压实整平,钢纤维混凝土的振捣 钢纤维混凝土应采用机械振捣，所采用的振捣机械和振捣方法除应保证混凝土密实外，尚应保证钢纤维分布均匀。 公路路面、机场道面和桥面的钢纤维混凝土应用平板式振捣器振捣密实，然后用振动梁振捣整平。,钢纤维混凝土的应用,公路路面和机场路面 公路和城市道路桥面 工业建筑地面 刚性防水屋面 结构受弯构件 铁路轨枕 局部增强预制桩 抗震框架节点,第二篇 合成纤维混凝土,合成纤维的分类,1、按照形状分 单丝和束状单丝、膜裂网状 2、按照材料分 目前使用较多的有：聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、改性维纶纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等。 3、按照粗细分 直径为1099m的细纤维； 直径大于0.1mm的粗纤维。,合成纤维的技术要求,1、混凝土必须用100纯聚丙烯、聚丙烯腈、聚酯、芳族聚酰胺生产的纤维，这样才能确保纤维在混凝土中具有优良的抗酸、抗碱等抗腐蚀性能。不能用再生的材料生产土木工程用纤维，否则纤维在混凝土中的抗腐蚀性、耐久性难以保障。,2、应使纤维与混凝土间具有良好的黏结性能。 3、满足分散性要求。 4、生产纤维的过程应该符合环保的要求。 5、合成纤维的极限伸长率不宜过大，极限伸长率宜在816之间。,6 、为了解决混凝土早期抗裂、减少原始裂缝及缺陷、抑制混凝土塑性状态裂缝的扩展、提高混凝土的连续性和均质性等，所用纤维抗拉强度应不低于250mpa，形状为单丝或网状的纤维。 如果既希望解决混凝土早期抗裂，又希望采用纤维提高硬化混凝土的增韧和抵抗温度应力的能力，应选用抗拉强度不低于400mpa、同时弹性模量较高的合成纤维。,纤维的合理掺量,1、单丝或束状聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维的掺量一般为0.51.5kg/m3，不宜超过2kg/m3 。 2、膜裂网状纤维掺量为0.73kg/ m3 。当掺量为23 kg/m3时，纤维混凝土抗弯韧性试验中可以测得稳定的荷载挠度全曲线。 3