钢纤维混凝土性能研究及其应用现状

张 建

混凝土是当代应用最广泛、用量最大的建筑材料,混凝土强度是结构设计和施工的重要依据,普通混凝土因其抗拉强度低、易开裂、脆性大、变形性能差、自重大等因素,在工程中的应用大受限制。采用纤维增强混凝土是混凝土改性的重要途径之一,因钢纤维与混凝土的弹性模量比相对较大,化学稳定性好,因此,钢纤维混凝土是纤维混凝土中性能最好的一种。

1 钢纤维混凝土的基本组成

钢纤维混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料、水以及乱向分布的钢纤维组成的一种多相非均质复合材料,加之以必要的外加剂,按一定的比例配制,经凝结、硬化后形成。为简便起见,我们简化为钢纤维、混凝土基体和外加剂组成的三相复合材料。

2 钢纤维混凝土的基本力学性能

2.1 抗压强度

钢纤维对基体混凝土的增强作用并不显著。加入钢纤维后,其抗压强度随钢纤维含量的增加略有提高,但增量不大,一般提高幅度在10%以下。钢纤维长度的选择与最大石子粒径关系密切,较大的石子粒径和较短的钢纤维会影响钢纤维在混凝土中的取向与分布,容易造成钢纤维的局部结团,相当于构成了薄弱截面,此时加入钢纤维反而会产生不利影响[2],造成钢纤维与混凝土界面粘结性状变差,其抗压强度甚至会比同配比的普通混凝土有所下降[3]。

2.2 抗拉强度

钢纤维对混凝土劈拉强度的增强效果要比对抗压强度的增强效果显著许多。钢纤维混凝土28 d劈拉强度高于基准混凝土,并随着钢纤维体积掺量的增加而增大。但钢纤维的加入并不能有效提高混凝土早期劈拉强度。多项试验研究表明[4],当钢纤维掺量在1%～2%体积率的范围内时,相应的混凝土抗拉强度提高40%～80%,并且不同等级的混凝土均呈现类似的规律。

2.3 抗弯强度

钢纤维混凝土的极限抗弯强度比素混凝土高得多,前者的初裂抗弯强度甚至比后者的极限抗弯强度还要高。试件初裂后,受拉区裂缝宽度随着荷载的增大而扩大,达到极限强度后,它不像素混凝土那样突然折断,而是随着裂缝宽度的继续扩大而缓慢卸载。

试验表明,影响钢纤维混凝土极限抗弯强度的主要因素有：1)混凝土基体的强度;2)钢纤维体积含量百分比(P);3)钢纤维长径比(l/d);4)钢纤维与基体间的粘结应力。

2.4 抗冲击性能

钢纤维混凝土有着良好的延性和控制混凝土裂缝的能力,其韧性远远大于相应素混凝土的韧性。从钢纤维混凝土及其相应素混凝土泊桑比的实测资料来看,钢纤维混凝土的泊桑比要比其相应素混凝土大7%左右。随着钢纤维含量的增加,钢纤维混凝土的抗冲击性能大幅度提高。当钢纤维含量为1.5%时,其抗冲击能力提高近7倍。

2.5 其他性能

韧性是衡量塑性变形性能的重要指标,在通常的纤维掺量下,其抗压韧性可提高2倍～7倍,抗弯韧性可提高几十倍到上百倍,弯曲冲击韧性可提高2倍～4倍,板式试件落球(锤)法击碎试验所测得的冲击韧性可提高几倍到几十倍。

3 钢纤维混凝土的作用机理

1)混合定律是将钢纤维混凝土简化为由钢纤维、混凝土基体组成的两相复合材料,复合材料的各项性能为基体性能和纤维性能的加权和。2)纤维间距理论则认为,钢纤维混凝土的增强效果与混凝土基体中纤维的平均间距有关,该理论得出了混凝土裂缝尖端应力集中因子与纤维间距的关系[5,6,20,21]。3)刘永胜[7]根据复合材料剪滞理论,从两相复合材料的界面性能入手,分析了纤维—混凝土基体界面上的应力传递,从而从细观界面力学的角度分析了纤维对混凝土基体的增强机理,是纤维混凝土的增强机理复合材料界面力学的另一依据。

4 钢纤维混凝土的工程应用

4.1 路桥方面的应用

在路桥工程中使用钢纤维混凝土,可以使面层厚度减少,伸缩缝间距加长,维修费用降低,加强桥面铺装与伸缩缝的连接强度,特别是在重交通荷载作用下,因其能够减缓开裂速率,裂缝宽度减小,不连续开裂后的延性好,混凝土剥落、坑槽现象很少,有利于桥面和桥梁的使用寿命[8-15]。

针对上述问题,业界提出了新的方向——混杂纤维混凝土,将两种或者两种以上不同品质、表面形状的纤维混合掺加到混凝土基体中,以获取单掺一种纤维所达不到的性能优势,从而抑制早期塑性裂缝的产生,限制外力作用下混凝土基体中裂缝的扩展,阻碍混凝土内部微裂缝的发生和扩展,同时改善混凝土的抗渗、抗冻等耐久性能,最终实现高强度与高韧性的双重目的[9]。

4.2 建筑结构方面的应用

钢纤维混凝土在建筑工程中主要有以下几方面的应用[10-18]：

1)钢筋混凝土框架节点。以1.5%(体积率)的钢纤维代替1.7%的箍筋,可使抗剪强度提高27%,耗能能力提高28%,主筋粘结滑移降低60%～78%,避免了节点处钢筋拥挤不易施工的弱点;2)框架结构的抗震加固。采用钢纤维混凝土折曲斜撑加强的钢筋混凝土框架,刚度可相应提高2倍～3倍,耗能能力提高2倍,极限荷载下层间位移角大于1/50,具有良好的抗震性能;3)代替增强钢板。将钢纤维混凝土用于钢筋混凝土桩顶,可节省投资40%,在桩尖部位用钢纤维增强,可使桩的贯入能力提高,锤击次数减少;4)建筑墙板和屋面。日本已制成珍珠岩钢纤维混凝土复合墙板。我国目前正在研究用钢纤维膨胀混凝土做刚性防水屋面,掺1.5%钢纤维和15%水泥重量的膨胀剂所获得的自应力混凝土性能良好。

5 问题与建议

1)钢纤维混凝土的成本相对较高,工程应用还有较大局限。钢纤维的加入,不仅自身价格比较昂贵,更需要以大幅度增加水泥及其他胶凝材料用量为代价。2)钢纤维混凝土的生产和施工有待进一步完善和规范。钢纤维的长度、表面形状、长径比、添加数量以及掺入基体混凝土后的施工和易性等,均随环境条件的不同而改变,这就给生产和施工部门带来极大不便,完善和规范各种程序势在必行。3)目前,还没有完整的钢纤维混凝土结构理论指导钢纤维混凝土的设计。

6 结语

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量乱向分布的短钢纤维而形成的一种多相、多组分水泥基体新型复合材料。它克服了混凝土的多项弱点,改善了混凝土的物理、力学性能,已在建筑、路桥、水工、海洋等工程领域得到应用。

钢纤维混凝土的研究和应用仍然有多方面问题有待解决。其中,如何最大限度地降低其使用成本,建立和完善生产、施工程序,构建合理的结构理论体系,是需要重点研究的方向。

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