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文档简介
纤 维 混 凝 土 的 研 究 与 应 用摘要:本文阐述了钢纤维混凝土的增强机理和碳纤维、不同品种钢纤维、纤维掺量、加载应力水平对于疲劳寿命及能量吸收的影响规律,对目前钢纤维混凝土的性能研究与工程应用进行了分析和总结,并提出现状存在的问题与今后展望。关键词:钢纤维混凝土;增强机理;应用Abstract:As the steel fiber reinforced concrete (SFRC) has lots of advantage such as good toughness and durability, it is researched and applied broadly in each realm of the engineering. In this paper, the reinforced mechanism and characteristics of SFRC are analyzed, and the research of property and the application on engineering are analyzed and summed up, and the issue of the present condition and future prospects are raised. Key words: SFRC; property; application1引言纤维混凝土就是采用纤维提高钢筋混凝土的性能,使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高,在承重结构中,国内目前常用的是钢纤维(钢纤维主要有碳素钢纤维以及不锈钢纤维)。近几十年来,纤维混凝土的发展很快,已广泛应用于建筑、交通、水利、矿山、冶金、军事、耐火材料工业等对抗疲劳、抗震和抗冲击等有较高要求的土木工程领域。这些工程在其服役期内通常承受随机或周期性反复荷载的作用,因此,不少学者致力研究纤维混凝土在不同加载应力水平下的疲劳寿命、能量吸收和疲劳累积损伤特性,以及碳纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命、能量吸收值及疲劳累积损伤变量的影响规律。2钢纤维混凝土的基本性能钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期,水泥基料与纤维共同承受外力,当混凝土开裂后,横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。1.强度和重量比值增大这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。2.具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度在混凝土中掺入适量钢纤维,其抗拉强度提高25%50%,抗弯强度提高40%80%,抗剪强度提高50%100%。3.具有卓越的抗冲击性能材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能,称为冲击韧性,在通常的纤维掺量下,冲击抗压韧性可提高27倍,冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。4.收缩性能明显改善在通常的纤维掺量下,钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%9%。5.抗疲劳性能显著提高钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1106次时,应力比为0.68,而普通混凝土仅为0.51;当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2106次时,应力比为0.92,而普通混凝土仅为0.56。6.耐久性能显著提高钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外,由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好,因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。3. 钢纤维混凝土的增强机理现有钢纤维混凝土的基本理论,是在纤维增强塑料、纤维增强金属的基础上运用与发展起来的。由于钢纤维混凝土的组成与结构的多相、多组分和非匀质性,加以钢纤维的“乱向”与“短”的特征,它比纤维增强塑料或增强金属要复杂得多,如何使增强机理能充分体现其自身特性,仍在不断争论、完善和发展之中1。对钢纤维混凝土的增强机理,有一种是运用复合力学理论。最先将复合力学理论用于钢纤维很凝土的有:英国的RNSwamy、PMangat 等。该理论将钢纤维混凝土简化为钢纤维和混凝土两相复合材料,复合材料的性能为各相性能的加和值。复合力学理论仅适用于钢纤维混凝土初裂前的情况,一旦基体开裂,该理论就不能适用了。另一种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。纤维间距理论的主要代表有:JPRomualdi、JBBatson和JAMandel。该理论建立在线弹性断裂力学的基础上,认为混凝土内部有尺度不同的微裂缓、空隙和缺陷,在施加外力时,孔、缝部位产生大的应力集中,引起裂缝的扩展,最终导致结构破坏。因此,提高像混凝土这一类脆性材料的抗拉强度、减少与缩小其裂缝源的尺度和数量,缓和裂缝尖端应力集中程度,提高抑制裂缝引伸与发展的能力是致关重要的。因此,在脆性基体中掺人钢纤维后,在复合材料结构形成和受力破坏的过程中,有效地提高了复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力,达到纤维对混凝土增强与增韧的目的。所有其他理论均可认为是以这两个理论为基础经综合完善而发展起来的。当今的研究,又进一步深化到界面细观结构和由此面产生的界面效应、钢纤维混凝土微观结构与宏观行为的关系等。钢纤维与水泥基体间界面层的形成、强化、消失和消失之后的再强化过程,将直接影响界面效应,即钢纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂能力。4. 钢纤维混凝土的性能研究 钢纤维对混凝土强化与韧化程度,及其机理主要体现在复合材料的物理力学与耐久性上。目前,主要研究了纤维混凝土的抗裂、抗拉、抗折、抗剪等性能。混凝土基体本身就是一种多相、多组分、非匀质的颗粒型脆性复合材料,拉压比只有十分之一左右,阻裂能力很低。钢纤维的掺入,阻止了裂缝引发,减少与缩小裂缝源尺度和数量;在受力过程中,又抑制了裂缝的引伸和扩展,缓和了裂缝尖端应力集中程度。钢纤维混凝土断裂模型有多种,其中以KVisalvanich断裂模型2和MWecharatana断裂模型3最具代表性。衡量材料断裂特性的主要参数有断裂能4、临界应变能释放率、断裂韧性5和裂缝张开位移6。关于钢纤维混凝土断裂特性的研究,不断有新的进展。但断裂特性如何与复合材料的组成结构,尤其界面结构及由此而产生的界面效应紧密结合,从细观上剖析断裂特性的本质、使之更符合钢纤维混凝土多相多组分的复杂特征,是今后研究的主要方向。钢纤维混凝土的拉伸性能是其诸优异特性的集中表现,也是钢纤维改性混凝土的基本性能。影响钢纤维混凝土抗拉强度的因素很多,其中最关键的仍然是纤维78、基体特性9和纤维含量1011。钢纤维混凝土的抗折性能主要指在静载作用下的抗折初裂强度、抗折极限强度、抗折初裂与抗折极限强度的差值和弯曲韧性等,在动荷载作用下的抗冲击与耐疲劳性能。与普通混凝土相比,钢纤维混凝土不仅抗折初裂与抗折极限强度有很大提高,抗折韧性的增长尤为显著1215。初裂点的高低是反映钢纤维混凝土受力前后阻裂能力的重要标志。准确确定初裂点的位置是计算初裂强度、判断韧性的依据。习惯上人们把肉眼可见裂缝(裂缝宽度为0.02mm)出现时相点的点为初裂点,亦可采用比较准确的方法,如超声脉冲法和声发射法或计算机断层X射线扫描技术16。钢纤维混凝土弯曲韧性的测试与计算方法中,有代表性的是ACI(American Concrete Institute)544委员会的韧度指数法;JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委员会弯曲韧度系数法;美国材料与试验协会ASTM(American Society of Testing Materials)C1018韧度指数法等1。钢纤维混凝土的抗冲击性能是在反复冲击荷载作用下,复合材料吸收动能的能力,与普通混凝土相比,其冲击强度与冲击韧性均有用著提高1721。钢纤维混凝土的疲劳过程,实际上是在反复荷载作用下裂缝引、发扩展、回复,再引发、再扩展、再回复的循环过程。在每一循环中,将不同程度地引起裂缝宽度和裂缝高度的变化,最终导致结构破坏。疲劳过程中钢纤维混凝土的损伤程度和持续时间主要取决于组成材料的结构、界面特性,即原生裂缝的尺度、数量及在重复荷载作用下阻止裂缝引伸与发展的能力2229。钢纤维混凝土具有优异的抗剪性能3033,对提高钢筋混凝土结构抗剪能力有重要意义。通常在钢筋混凝土的构件中,其抗剪承载力主要靠箍筋和弯起钢筋承担,这些筋多了,不仅要提高工程投资,而且施工很不方便,尤其对薄壁、抗震结构和复杂形状的特种结构,问题则尤为突出。因此,采用钢纤维混凝土是提高结构抗剪能力的有效途径。钢纤维混凝上与普通混凝上相比,其抗剪性能最大特点是,在混凝土基体全部剪断和滑动之后,试件并不马上破坏,因钢纤维跨越裂缝两端而仍具承载能力,随纤维不断拔出,荷载逐渐降为零。另外,在受剪时,钢纤维混凝土中的裂缝,受垂直于裂缝尖端的钢纤维限制与阻挡,且在开裂之后,纤维不是受顺力方向拔出,而是与受力方向成一角度,从而增大了纤维拔出过程中的锚固作用,推迟了剪切破坏过程,使抗剪承载能力明显提高。目前对于钢纤维混凝土耐久性的研究比较少,现有报导的主要为徐变、收缩1、腐蚀34,35、抗渗36,37、冻融38等。邓宗才做了钢纤维混凝土低周抗压疲劳特性的试验。试验表明,随着加载应力水平的提高,纤维混凝土的疲劳寿命减少,纤维体积率增加时,疲劳寿命增大。钢纤维混凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的1.66.5倍;在较低应力水平下,纤维混凝土的疲劳寿命高,但当0.80时,疲劳寿命明显降低。试验时清晰地观察到:当应力水平较低时(如图1(a)所示),在循环初期,试件表面的可视裂纹少而短,循环次数增加,已有裂纹不再继续增长或增长十分缓慢,随着循环次数的进一步增加,新生疲劳裂纹不断萌生和扩展,最后,已有裂纹与新生裂纹共同向前扩展,并相互贯通,形成一条通缝,导致试件破坏。从试件内部损伤机制看,在低应力水平下,疲劳裂纹端部的应力集度小于纤维的阻力,纤维阻止了裂纹的扩展,要使裂纹通过钢纤维或高强碳纤维,就需增加循环次数,促使疲劳裂纹的扩展与贯通。在较高应力水平,如0.80时,循环初期,试件表面可视裂纹多而粗,当循环次数增加时,已有裂纹不断扩展,新裂纹逐渐萌生和扩展,最后两种裂纹在疲劳荷载作用下,相互搭接和贯通,导致试件破坏(如图1(b)所示).从试件内部损伤机制看,较高应力水平下,混凝土基体中裂纹端部的应力集度大于纤维的阻力,裂纹进一步扩展,累积损伤增大,疲劳寿命减少;碳纤维混凝土的疲劳寿命与应力水平密切相关,当应力水平由0.70升为0.80时,碳纤维混凝土疲劳寿命与素混凝土疲劳寿命的比值明显减小;纤维混凝土的累积损伤为非线性损伤,用Miner线性损伤准则计算纤维混凝土结构的剩余寿命偏于保守,加载应力水平对于能量吸收或损伤演化有影响。纤维混凝土材料的能量吸收或累积损伤发展大致分为三个阶段:第一阶段,循环初期,n/N0.15时,能量吸收较快,由于材料的弹性变形在吸收能量,但损伤变形发展较慢,因此该阶段用能量吸收值来估算累积损伤不够准确;第二阶段,0.2n/N0.85,材料处于能量吸收或损伤演化的稳定发展阶段,能量吸收或累积损伤与循环次数基本呈线性增长规律,试件所吸收的能量用于裂纹萌生、稳定扩展和纤维的脱粘等,能量吸收反映了累积损伤发展规律;第三阶段,n/N0.85,处于能量吸收或累积损伤的快速发展阶段,试件中的裂纹由稳定扩展变为非稳定扩展,裂纹扩展速率加快,纤维不断被拔出,当纤维被拔出后,试件完全丧失承载力。因此,在对纤维混凝土进行疲劳设计和疲劳强度分析时,应考虑应力水平对疲劳寿命及能量吸收的影响。纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命和能量吸收比高应力水平时有明显的增大趋势。当应力水平大于或等于破坏荷载的80%时,纤维混凝土的疲劳寿命和能量吸收明显降低;纤维在较低应力水平下表现出很强的阻滞作用,延缓了混凝土基体的损伤发展;当钢纤维体积率为1.0%2.0%,碳纤维体积率为1.02.5时,钢纤维混凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的1.66.5倍,能量吸收是碳纤维混凝土的3.94.8倍;试件在疲劳过程中所吸收能量的相对值,较真实地反映了钢纤维和碳纤维混凝土的非线性疲劳累积损伤过程,用Miner线性累积损伤理论计算纤维混凝土的疲劳累积损伤偏于保守。5. 钢纤维混凝土的应用 钢纤维混凝土在工程中的实际应用始于上世纪70年代,由美国Battele公司开发的熔抽钢纤维技术为钢纤维混凝土的应用提供了条件。此后在加拿大、英国、瑞典、日本等国家也迅速进行这方面的应用研究。我国是从上世纪70年代着手对钢纤维混凝土进行材料力学性能的实验研究,1989年颁布钢纤维混凝土试验方法(CECS13:89),1992年颁布钢纤维混凝土结构设计与施工规程(CECS 38:92),2004年颁布纤维混凝土结构技术规程(CECS38:2004)。目前纤维混凝土在结构工程、支护工程、管道工程、地下结构及其他特种结构工程等领域得到了比较广泛的应用。1.支护工程钢纤维混凝土由于抗拉、抗弯、抗剪强度高,能承受较大的围岩和土体的变形作用而保持良好的整体性,因此可用于隧洞支护、山体护坡等工程。如浙江省开化县齐溪水电站有压隧洞在两个工程段内采用喷射钢纤维混凝土衬砌,使围岩能在较大程度上发挥作用,减少了衬砌厚度,由原来的钢筋混凝土衬砌厚度500mm减至钢纤维混凝土喷衬厚度60mm,省去了钢筋加工和绑扎工程量,同时不需立模和回填灌浆,造价由每延米1175元减至398元,施工工作量减少3/4。工程至今正常运行。2.储水、防渗、输水管道工程钢纤维混凝土由于抗裂性能好、收缩率低,因而防水、防渗性能较好,可用于低压输水管、蓄水池、地下室防渗等工程。而在储水和防渗结构中钢纤维混凝土可作防水层,有时也可兼作结构层代替钢筋混凝土。如浙江省余姚岭水库混凝土坝面多次出现裂缝、下游面局部出现渗水,在混凝土面层采用喷射钢纤维混凝土,厚度50mm,达到了防渗效果,与高频振荡钢丝网水泥砂浆防渗面板相比,具有工艺简单、施工方便、造价低等优点。3.高速水流冲刷磨损部位钢纤维混凝土具有较高的抗冲磨、抗气蚀能力,因此可用于溢洪道、消力池、闸底板等承受高速水流作用的部位。如:大渡河支流南桠河石棉二级电站,该电站是引水式径流电站,1965年建成发电。当年汛期后,冲砂闸底板和护坦被冲成深槽,最深处达0.7m,埋设的28mm钢筋全部磨断,1968年和1969年先后两次用辉绿岩铸石板、环氧混凝土、呋喃混凝土进行修补加固对比试验,除环氧混凝土在一个汛期内磨损1050mm外(后来也被冲毁了),其余材料不到一个汛期全部被砸碎冲掉。1977年在毁坏处采用硅锰渣铸石板、改性环氧砂浆、胶乳水泥砂浆、MC尼龙板、高强混凝土、钢纤维混凝土等材料进行补强试验,结果表明钢纤维混凝土是较好的抗冲耐磨材料。4.处于腐蚀环境中的构件钢纤维混凝土具有良好的耐腐蚀性能,可用于海水等腐蚀环境中的闸门、输水管道等构件的防蚀层或结构层。5.动力荷载作用部位和抗震结构节点由于钢纤维混凝土具有较高的抗拉强度、断裂韧性和抗疲劳等性能,因此,可用于承受动力荷载的机墩、抗震结构的框架节点等部位。6.复杂应力部位钢纤维混凝土中的钢纤维一般呈三维乱向分布,沿每个方向都有增强和增韧作用。钢纤维对混凝土结构复杂应力区增强是非常有利的,而且容易浇筑成型,比钢筋更能适应各种复杂的结构形式。此外,钢纤维限制混凝土裂缝的作用也是钢筋不能相比的。因此,可用于大坝内廊道、泄水孔等孔口复杂应力区和牛腿等受弯构件的抗剪以及板的抗冲切部位等。7.部分应用钢纤维混凝土的水利水电工程浙江省淳安县河村水库泄洪洞支护,浙江省文成县百丈际水电站引水隧洞、葛洲坝二江泄水闸、三门峡泄水排砂底孔、贵州乌江渡水电站、江西大港水电站的工程修补,湖南省永川市向阻坝渡槽局部槽身加强,浙江省玉环县四海闸闸槽二期,三峡临时船闸闸槽二期,杭州市德胜坝闸门门体等。钢纤维混凝土在以上工程应用均取得良好效果。5. 存在问题与展望钢纤维混凝土的优异特性,使其广泛应用于各个工程领域,但其本身存在的问题,也抑制了它的应用。1钢纤维造价普遍较高,国产的性能相对较低,难以大规模使用,例如在建筑结构上一般只用钢纤维混凝土于梁柱节点。若能开发出更好的钢纤维制造工艺,必能再进一步推广钢纤维混凝土的应用。钢纤维混凝土的增强机理至今也还不是很清楚,现行的几种理论都并不完善,复合理论忽略了纤维复合带来的耦合效应,纤维间距理论忽略了纤维自身的耦合作用,都有应用局限性,需待进一步的研
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