钢纤维混凝土的力学特性及其在工程中的应用

钢纤维混凝土的力学特性及其在工程中的应用摘要：钢纤维增强混凝土是近二十年来迅速发展起来的一种新型复合材料，它具有优良的物理力学性能，本文简要阐述了其力学特性，并结合工程实例介绍了钢纤维混凝土的应用情况，对钢纤维混凝土的进一步研究和探讨具有指导意义。关键词：钢纤维混凝土；力学特性；工程应用1引言钢纤维是现代世界各国广泛采用的新型混凝土增强材料，是将一定量的钢纤维掺入普通混凝土中形成钢纤维混凝土，能有效地改善和提高普通混凝土的抗拉抗弯强度、抗冲击性能、耐磨性、耐冻性、耐疲劳强度以及抗裂缝开展、结构刚度增大、承载力增强等性能，目前，钢纤维混凝土已广泛用于道路、桥梁、隧道、水利、海港码头、高层建筑等工程中，并取得了良好的效果。通常钢纤维根据其加工工艺可分为熔抽型、剪切型、铣削型和冷拔型4种。其中冷拔型钢纤维抗拉强度最高，性能最好，应用最广泛。钢纤维混凝土应用于工程中，可以充分发挥其自身特点，在某些部位可取代钢筋，缩小构件截面尺寸（如应用于路面工程中，可减小路面厚度），加大伸缩缝间距，缩短施工周期，提高工程质量，降低工程造价和维修费用，延长工程使用寿命。2钢纤维混凝土及其力学特性2.1钢纤维混凝土的定义钢纤维混凝土（简称SFRC）是指把直径为0.3~0.6mm、长度为20mm,40mm的短钢纤维按某个特定方向或随机方向均匀地掺入到混凝土中的一种新型复合混凝土。钢纤维的使用量为混凝土体积的1%〜2%。2.2钢纤维混凝土的形状尺寸作为混凝土增强材料的钢纤维，必须具备以下条件：当把它投入搅拌机中后，其形状、尺寸一定要适合于能够均匀地分散到混凝土中去，如果纤维过细过长，搅拌过程中多数纤维将会出现纤维球，从而使钢纤维难以均匀分散。反之，如果纤维过粗过短，振捣时容易与混凝土分离而下沉。考虑了以上各点以后，钢纤维的直径（或一边长度）以0.3〜0.6mm,长度以40mm为好，如果纤维过短，就收不到增强效果。因此当其长度为直径的40~60倍时，能较好地均匀分散到混凝土中去。2.3钢纤维混凝土的力学特性2.3.1抗裂性和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。随着钢纤维掺入率的增加，韧性显著增大，韧性将达到素混凝土的30倍以上。2.3.2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，在纤维掺入率为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，在纤维掺入率为2%~3%时，经过200万次后，约达到其抗裂强度的90%。2.3.3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入率的增加而增大，仅掺入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。2.3.4弹性模量当钢纤维掺入率在2%〜3%以下时，SFRC的压缩弹性模量与相同水灰比的素混凝土几乎没有什么显著差别，其抗拉弹性模量随着钢纤维掺入率的增加而增大。虽然在使用长细比较大的钢纤维时，其增大程度比较显著，但设计时对弹性模量的增大可不予考虑。3钢纤维混凝土在工程中的应用钢纤维混凝土由于其优良的力学特性，使其非常适用于防爆、抗震、抗裂等建筑物及其它土木工程的补强加固，目前已引起国内外有关学者和工程界的广泛关注，在许多领域得到了应用。3.1在机场跑道和道路路面中的应用如1991年上海虹桥机场高架车道，全长490m，其中正桥长约375m，为一现浇钢筋混凝土梁板结构，该道面铺装层原设计为9.0cm原沥青混凝土，后改用10cm钢纤维混凝土取代，以提高高架车道路面的抗裂性和耐久性，自1991年10月开始至11月全部完工，浇筑面积为6400m2，运行至今效果良好。1998年，昆明理工大学建筑工程及力学系对利用钢纤维混凝土试制的窨井盖进行了研究，研究表明其初裂荷载可达50〜80KN，完全能满足国家公路路面设计规范的要求，而且具有良好的力学性能和较高的韧性，能很好地承受冲击和重复荷载,初裂后裂缝细小，卸荷后恢复性能好，完全有可能取代铸铁井盖。钢纤维混凝土制作的窨井盖成本较低，又无被盗之虑，因而具有良好的社会效益和经济效益。3.2在水工建筑物中的应用如2003年在唐山市丰南区沙河西郑庄橡胶坝的施工过程中，由于特殊部位对混凝土有特殊要求，需韧性好、强度高的混凝土，设计采用钢纤维混凝土，共浇铸楔形钢纤维混凝土锚块540个，用于橡胶坝袋的安装。采取了控制坍落度、缩短人仓时间、严格控制收面作业等措施，使浇铸过程顺利完成，施工中没有出现混凝土锚固块开裂现象，保证了施工质量，取得了满意的效果。浙江姚岭水闸大坝长159m，为浆砌石硬壳坝，坝体防渗采用迎水面上浇20cm厚C15混凝土垫层，在高程20m以下为C20混凝土。工程1987年完工，经多年蓄水运行，坝面多处出现裂缝，下游局部地方渗水，为了提高坝面防渗和抗裂性能，在原设计20m高程以上面板采用5cm钢纤维混凝土进行防渗处理，处理后运行良好。3.3在隧道工程中的应用我国梅山铁矿西区隧道，地处构造裂隙地段，于1981年采用普通混凝土支护，不到三个月后喷层发生多处开裂，丧失承载能力。后经采用SFRC对隧道进行加固，衬砌施工完成后，曾在巷道附近采矿大爆破达20余次，其中一次最大用药量为2.5t，爆破后SFRC衬砌仅出现了3〜5mm的裂缝，整个衬砌仍完整无损。此外，位于高烈度地震区的某车站隧道，隧道埋深仅为38m，开挖跨度达13.60m。隧道的二次衬砌采用钢筋钢纤维混凝土，使其衬砌结构厚度减薄（仅为30cm）。衬砌厚度减薄后，降低了地震时结构的惯性力，对结构抗震有利；使隧道的开挖和圬工数量减少，节省了工程投资。与采用普通混凝土作衬砌相比，减少开挖量21%，衬砌圬工量减少62%，取得了明显的经济效益。3.4在民用建筑中的应用例如温州市解放南路19号地块商住楼总建筑面积为28647m2，基础为机械成孔钢筋混凝土灌注桩，主体为框剪结构，地下1层，地上30层，第4层为结构转换层，以上为标准层。除转换层框支梁采用钢纤维混凝土外，其余均为普通混凝土。为了防止大体积混凝土在水泥水化过程中产生的内外温差引起混凝土收缩裂缝，在转换层框支梁及梁柱结点部位的混凝土(强度等级为C40)中掺加了钢纤维,而且钢纤维采用铣削型,长径比L/D为40,长度为30〜50mm,抗拉强度4380MPa,混凝土中的体积含量为0.6%。该工程在完工时经现场观察,未发现任何裂缝现象。所以，为了减少民用高层建筑中转换层梁或地下室剪力墙出现混凝土收缩及变形裂缝，建议在经济合理的情况下掺加钢纤维。此外，1992年在福建省科委的支持下，福州市建委和福州大学联合开展了对钢纤维混凝土预制桩的专项研究，对钢纤维混凝土的力学性能做了深入的探讨，并在四个工程的工地(福建省保险公司综合楼、福州五里亭立交桥、涵江“武夷大厦”、福州“武夷中心”)进行了现场试验，结果表明钢纤维混凝土桩是一种抗冲击能力很强的新型桩，采用此种桩可以明显地减少在实际打桩过程中桩顶混凝土被锤打碎或桩身断裂的发生。在沿海城市的软土地区建立高层建筑时，为了获得较高的单桩承载力,解决软土震陷及砂土液化问题，而采用打入式预制钢筋混凝土桩无法满足要求时，建议采用钢纤维混凝土预制桩。4结语二十一世纪以来，钢纤维混凝土由于其具有良好的抗弯性能、优异的抗冲击和抗开裂性能，已在道路、桥梁、隧道、水利、海港码头、高层建筑等工程中得到了广泛的应用，同时也取得了一定的经济效益和社会效益。随着生产方法的改善和技术设备的更新，钢纤维的制造价格将不断降低，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】董子满，董佳顺,郑建民.钢纤维混凝土的特性及应用[J].河北水利,2004(5)田良辉.钢纤维混凝土及其在工程中的应用[J].现代隧道技术,2001,38(5)朱丽英，赵源江.钢纤维混