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浅谈钢纤维混凝土特性和工程运用王松林 张箭 （中南大学土木建筑学院 湖南长沙 410075）摘要：由于钢纤维混凝土具有韧性高、耐久性好等诸多优点，被广泛研究和应用于工程的各个领域。本文分析了钢纤维混凝土的增强机理和特点，并提出了今后的展望。关键词：钢纤维混凝土，机理，性能，应用波特兰水泥问世以来，混凝土就凭借它易成型，耐久性好，价格便宜等优点成为工程建设中使用最广泛的建筑材料之一。但随着国民经济建设和公路交通事业的飞速发展，城市道路和国道干线公路桥梁上的车辆密度及荷载越来越大，行驶速度越来越快，对路面的要求也越来越高。普通混凝土自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的扩大应用。特别是普通水泥混凝土路面，虽然强度高，板块性好。但它最大的缺陷是脆性大、容易开裂、路面板块容易受弯折而产生断裂。 纤维混凝土是混凝土改性的一个重要手段，钢纤维混凝土是其中的一种。它是在普通混凝土中掺入适量钢纤维而形成的一种新型复合材料。它克服了混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、脆性等缺点，具有优良的抗拉强度、抗弯曲韧性、抗冲击性能、抗裂缝开展等力学性能及应用特点，已在建筑、路桥、水工等领域得到应用。1 钢纤维混凝土的增强机理对于钢纤维混凝土的增强机理，目前存在两种不同的解释，一种是美国 JPRomualdi 等人提出的纤维间距机理，另一种是英国 RNSwamy、PSMangat等人提出的复合材料机理1。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，在施加外力时，由于应力集中作用，使得裂纹扩大，最终导致结构破坏。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，越有效地提高了混凝土抗拉强度、抗弯曲韧性、抗冲击性能、抗裂缝开展等力学性能，达到纤维对混凝土增强与增韧的目的。复合材料机理是将钢纤维混凝土简化为钢纤维和混凝土两相复合材料，它综合了两种材料的性能。钢纤维混凝土中均匀无序乱向分布的短纤维的主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和防止宏观裂缝的发生。而钢纤维混凝土破坏时，都是纤维从混凝土拔出，而不是拉断，因此改善基体与钢纤维的黏结力, 成为提高钢纤维混凝土力学性能的主要目标。该机理忽略了复合带来的耦合效应,仅适用于初裂前的情况。理论分析表明，纤维所受的应力与纤维长径比和界面黏结强度成正比，要提高纤维在混凝土中的增强效果，一是提高钢纤维的长径比，二是提高钢纤维与基体之间的黏结强度。但长径不能太大，一般为30100，否则使混凝土和易性降低，还会产生纤维结团等现象，破坏拌合物的均匀性，从而影响钢纤维混凝土的性能。2 钢纤维混凝土的力学性能2.1 钢纤维混凝土的强度根据纤维间距、复合材料等理论以及大量实验数据的分析，纤维的增强效果主要取决于基体强度、纤维的长径比、纤维体积率、纤维与基体间的粘结强度，以及纤维在基体中的分布和取向的影响，即钢纤维混凝土的强度为：当钢纤维的体积率在1%2%范围内，混凝土的抗拉强度提高2550%；抗弯强度提高4080%；抗剪强度提高50100%；抗压强度提高025%。2.2 钢纤维混凝土的变形性能钢纤维混凝土弹性阶段的变形性能与其他条件相同的混凝土没有明显差别，受压弹性模量和泊松比与普通混凝土基本相同，受压弹性模量随钢纤维体积率增加约提高020%。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。钢纤维混凝土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，钢纤维可以借助两端的锚钩或表面压痕，将裂缝锚固以减少混凝土开裂宽度，传递拉应力，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。2.3 钢纤维混凝土的收缩和徐变 钢纤维混凝土的收缩与徐变随着钢纤维体积率的增加而降低，当体积率为1.5%时，收缩率可降低79%。2.4 钢纤维混凝土的疲劳性能 钢纤维增强使抗弯疲劳寿命显著提高。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。2.5 钢纤维混凝土的耐久性钢纤维混凝土的抗冻性、耐热性和抗气蚀性都有显著提高。如当体积率为1.5%，lf/df =50的混凝土（w/c=0.5），经150次快速冻融循环，其抗压强度和抗弯强度下降约20%，而普通混凝土下降约60%。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。3钢纤维混凝土的配合比设计 钢纤维混凝土混合料配合比除按抗压强度设计外，还应按照抗折强度和抗拉强度控制，同时应考虑钢纤维的分散均匀性。为了获得适宜的拌和料和易性，适当增加单位用水量和水泥用量2。3.1 水灰比确定方法利用公式确定：式中：s1标准差，CF2530，s1=5.0；CF3560，s1=6.0 Z保证率系数80% ，Z=0.84；85%，Z=1.04；90% ，Z=1.28；95%，Z=1.64；98%，Z=2.05钢纤维混凝土的水灰比一般取0.450.50。3.2 钢纤维体积率的确定按钢纤维混凝土的抗拉强度计算，来确定钢纤维的体积率：式中：为钢纤维混凝土抗折强度设计值； 为素混凝土的抗折强度设计值为钢纤维对抗折强度的影响系数(试验确定)3.3 单位体积用水量、砂率和石用量的确定在实际工程中，单位体积用水量和砂率可通过实验或根据已有经验确定。利用绝对体积法确定石子的用量。4 钢纤维混凝土的工程应用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。如在管道工程中，用钢纤维混凝土制成壁厚为2055mm的圆管，能承受一定的环向拉力和外加荷载，可用于低压输水管或排水管。在公路桥梁工程里用钢纤维混凝土作薄壁连续箱形樑，桥面板等，可提高抗弯疲劳寿命。可使公路路面及机场道面的抗折强度提高3080%，抗弯疲劳强度提高5080%，抗裂强度提高1020%；冲击韧性提高24倍等。5 结语由于钢纤维混凝土的抗拉强度、抗剪强度、抗弯性能、冲击韧性、抗磨性、抗冻性、抗疲劳特性较普通混凝土有很大的提高，是路桥面及机场跑道的理想材料。随着生产方法的改善和技术设备的更新，设计和施工人员对其特性了解的逐渐深入，钢纤维的制造价格也会不断降低，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 Romualdi J P and Baston G B. M