高层建筑中钢纤维混凝土施工技术的应用

吴钧

【摘要】钢纤维混凝土作为一种新型的建筑材料在高层建筑中得到了广泛的应用，其主要有抗压（拉）性能好、抗剪性能高、弯曲性能和抗冲击性能好等优点。对于高层建筑建设来说，钢纤维混凝土能够有效弥补高层建筑特殊部位延性不足，抗震力不强等弱点，极大的提升了高层建筑的安全性，其应用范围将越来越广。

【关键词】高层建筑 钢纤维混凝土 施工技术

作为一种复合材料，钢纤维混凝土主要是通过在混凝土中掺入适量钢纤维，经过拌和凝结而成。与传统混凝土相比，钢筋纤维混凝土不仅抗拉强度更大，而且混凝土构件的抗裂耐久能力也更好，能够加强混凝土的延展性；另外，钢纤维混凝土能量吸收效果也比较好，抗冲击能力很强，对于高层建筑结构的抗震性也有很大的帮助和提高，是近年来逐渐推广的混凝土复合材料。

一、钢纤维混凝土的特性及优点

1、力学强度

根据各国钢纤维混凝土资料分析，钢纤维对提高混凝土的抗压强度不显著，统计资料表明，钢纤维混凝土抗压强度仅提高了10％左右，但其受压韧性却大幅度提高。这是由于钢纤维的存在，增大了混凝土的压缩变形，提高了破坏时的韧性；试验表明，钢纤维混凝土的劈拉强度、抗剪强度、抗弯强度等均比普通混凝土有大幅度的提高。

2、钢纤维混凝土的韧性及抗裂性能

韧性是在材料受力破坏前吸收能量的性质。抗裂性是指钢纤维在脆性混凝土基体中减少裂缝和阻止裂缝开展的性质。混凝土中掺入钢纤维后，可减少塑性收缩和徐变，并且荷载作用时，随着荷载继续增加，超过混凝土所能承受的压力时，应力通过混凝土与钢纤维的粘结力传递给钢纤维，混凝土受到钢纤维的约束作用，限制了新裂缝的发生，推迟了裂缝的扩展，因此钢纤维混凝土具有较好的韧性和抗裂性。

3、钢纤维混凝土的抗冲击性能

在动荷载作用下，钢纤维混凝土出现裂缝后，钢纤维会阻碍裂纹的扩展，一旦外部的钢纤维作用失效，钢纤维从混凝土中拔出，或达到屈服强度被拉断，新裂纹处的钢纤维又会承担阻碍裂纹扩展的工作，钢纤维被拔出或拉断都需要消耗大量的能量，体现了钢纤维混凝土的抗冲击能力。

4、钢纤维混凝土的耐磨性和耐久性

混凝土中添加钢纤维，还可以提高混凝土的耐磨性能。研究学者利用标号为C35普通混凝土和CF35的钢纤维混凝土制作成5cm×5cm×5cm立方体试件进行磨损试验，试验结果表明，钢纤维混凝土比普通混凝土的磨损损失降低了30%；钢纤维混凝土的耐腐蚀性、抗冻性均比普通的混凝土要好。

二、钢纤维混凝士在高层建筑中的应用

1、钢纤维混凝土在高层建筑梁柱节点中的应用

20世纪70年代初，国外研究学者首次将钢纤维混凝土引入到梁柱节点中，并进行了一系列的试验。通过试验研究发现，钢纤维混凝土梁柱节点的强度、刚度、耗能能力以及梁柱节点的粘结锚固能力都比普通混凝土高出很多，体现了巨大的优势，在混凝土框架上，钢纤维混凝土的梁柱节点框架比普通混凝土的框架在延展性上提高了57%，荷载次数提高了15%，可见钢纤维混凝土梁柱节点能够有效提高节点的抗震效果，这样可以减少节点钢筋的布置，降低节点混凝土的振捣难度。

国内研究学者在国外研究成果的基础上，进一步的研究了钢纤维混凝土在抗震方面的优势，如学者提出了扁梁结构，这类结构在高层建筑中可以有效解决梁柱节点裂缝问题，使得裂缝更加均匀、细小，可以有效防止混凝土脱落，并且钢纤维混凝土提高了扁梁的节点强度和刚度以及初裂和极限承载力，改善了节点的延性。

2、钢纤维混凝土在联肢墙洞口的连梁中的应用

高层建筑中，剪力墙和框架结构组成了一个核心筒结构，其中联肢墙洞口的连梁不仅可以调节并且可以保证联肢墙的侧向刚度，有效的耗散地震能量，减少地震波对建筑物的损坏。通过一系列的静力和动力试验表明：逐渐改变连梁的变形能力，可以改善框架结构的变形能力，而联肢墙的强度和刚度性能良好的情况下，一旦出现了强烈地震，连梁就会表现出塑性变形能力，首先联肢墙出现弯曲，耗散一部分地震能量，减少传递到建筑物上的能量，减少对建筑主体的破坏，达到减震的效果。但是在设计中，连梁的高跨比一般都比较大，其延性不足，容易出现剪切破坏，衰减了抗震效果，因此，高层建筑设计中，设计师需要解决联肢墙连梁的延性问题。国内学者通过大量试验研究表明，如果在短梁混凝土中添加约1%的钢纤维，就能够改善混凝土的粘结能力，增强短梁的抗剪切效果，一旦出现动荷载或者荷载方向改变时，不容易出现剪切破坏，增强了短梁的抗震能力。

3、钢纤维混凝土对改善高强混凝土柱延性的应用

在高层建筑结构设计中，为了达到减少混凝土柱截面的面积，往往在结构柱底部使用高强度的混凝土，但是高强混凝土有个致命的缺点——脆性大，延展性差，不能发挥框架结构的抗震优势。人们往往希望在柱底部抗压强度很高的情况下，还能够提高构件的抗震能力，研究学者采取了很多方法，如在混凝土柱底部设置套箍，增强柱的抗剪能力；而在高强混凝土中添加适量的短钢纤维，利用短纤维的粘结力，增强混凝土的抗剪效果，减少混凝土内部微裂纹的形成，可见，在高强混凝土中添加适量的钢纤维，能够极大的提高混凝土的延性和抗震性。

三、钢纤维混凝土的施工工艺

1、钢纤维混凝土的配合比

为了保证添加的钢纤维能够发挥作用，满足结构设计强度对强度等级的要求，同时保证纤维能够均匀分布在混凝土内，需要严格按照设计要求确定配合比。根据强度设计值以及施工配置强度提高系数，确定出试配抗压强度与抗折强度，钢纤维混凝土抗折强度设计值的确定：

其中，为钢纤维混凝土抗折强度设计值；为与钢纤维混凝土具有相同的配合材料、水灰比和相近稠度的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）；为钢纤维体积率；为钢纤维长径比。

根据试配抗压强度计算水灰比，根据试配抗压强度，确定钢纤维体积率，一般浇筑成型的结构范围在0.5-2.0%之间；根据设计确定混合材料用量，确定出试配配合比。

2、钢纤维混凝土的拌合

钢纤维混凝土在搅拌中容易结团，需要分批搅拌，一般每一次搅拌放入80%的量，优先采用滚动式搅拌机进行搅拌，以保证钢纤维的分布均匀。钢纤维混凝土搅拌的顺序为：粗集料→钢纤维→细集料→水泥。在搅拌中应该注意钢纤维分三批搅拌，边搅拌边加入黄砂和水泥，投入全部材料后搅拌2min左右，最后加入水湿拌1min。总搅拌时间不得超过6min，搅拌时间过长容易出现湿纤维结团，在搅拌中一旦发现纤维结团，应该立即剔除，防止因此影响钢纤维混凝土的质量。

3、钢纤维混凝土的浇筑和振捣

钢纤维混凝土的浇筑及振捣工序与普通混凝土一样，作为影响混凝土质量重要的一个环节，振捣效果将直接影响到钢纤维混凝土的整体性和致密性。在振捣中应该注意，钢纤维混凝土的流动性较差，容易在边角处出现蜂窝，因此，在振捣过程中，优先振捣边角部位，边角采用插入式振捣器振捣，然后用夯梁板来整平。

四、结论

综上所述，钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，非常适用于高层建筑特殊部位的加固，不仅解决了这些部位延性、抗震等同题，还保证了整体结构的经济性。我国建筑行业在钢筋混凝土的应用和研究方面已经积累了不少经验，相信随着我国科研工作的继续深入和建筑业的快速发展，钢纤维混凝土施工技术在高层建筑中的应用将越来越广泛。

【参考文献】

1、杨建国 纤维混凝土在工程中的应用与发展 山西建筑 2009

2、窦小建 浅谈钢纤维混凝土 山西建筑 2009

3、黎海坚 钢纤维混凝土施工技术在高层建筑中的应用 2010