钢纤维混凝土的性能机理与工程应用

张英芳

摘要：本文结合钢纤维混凝土的性能机理，对钢纤维混凝土的力学性能、耐久性、耐冻融性等多项性能进行分析，并结合现代钢纤维混凝土的实际应用和其独特的性能对其应用前景进行了展望。 关键词：钢纤维混凝土；性能机理；工程应用 钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简写为 SFRC）是在普通混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。它是近些年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。 近年来钢纤维混凝土在国内外得到迅速发展，它克服了混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、性脆等缺点，具有优良的抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、耐疲劳、高韧性等性能，已在建筑、路桥、水工等工程领域得到应用。       1 钢纤维混凝土的性能研究 1.1 钢纤维混凝土的力学强度 1.1.1 抗压强度 钢纤维混凝土虽受压强度增加不明显，但受压韧性却大幅度提高了。这是由于钢纤维的存在，增大了试件的压缩变形，提高了受压破坏时的韧性。从宏观上呈现，钢纤维混凝土受压破坏时，没有明显的碎块或崩落，仍保持这整体性。 1.1.2 抗剪强度 钢纤维混凝土具有优异的抗剪性能，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。 1.1.3 抗弯强度 钢纤维混凝土的抗弯强度，随着纤维掺量的增加而提高。钢纤维混凝土等级提高，使抗弯强度提高明显。在弯曲荷载作用下，钢纤维混凝土受拉区开裂，中性轴向上移，受拉区仍有部分纤维与基材的粘结力承受拉力，增加韧性，提高了混凝土的抗弯强度。而普通混凝土则很快发生断裂，以致脆性破坏。 1.2 钢纤维混凝土的韧性和抗裂性 韧性是在材料受压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滞裂缝进一步发展的性质。钢纤维混凝土具有很好的韧性和抗裂性。钢纤维混凝土的韧性随着钢纤维数量的增加而大幅度提高，同时与纤维和基材的粘结力有关。基材强度提高，纤维混凝土的韧性也相应提高。 1.3 钢纤维混凝土的抗冲击性能 在动荷载作用下，钢纤维混凝土在裂缝扩展时，首先是钢纤维克服基材的粘结力而被拔出，或是钢纤维达到屈服强度而被拉断。这都需要消耗大量的能量。因此，钢纤维混凝土能提高抗冲击性能。若采用剪切钢纤维制成试件。跨度为，钢纤维混凝土等级为CF55时，采用水泥硬练重锤冲击。当纤维掺量为0.5%时，耐冲击次数为素混凝土的3—4倍；纤维掺量为1%时，耐冲击次数为11~12倍；纤维掺量为1.5%时，耐冲击次数为21—22倍。可见，钢纤维混凝土的耐冲击性能随着纤维掺量的增加而大幅度提高。 1.4 钢纤维混凝土的抗疲劳性能 钢纤维明显改善了混凝土的弯曲疲劳性能。若CF80钢纤维混凝土与普通混凝土相比，当钢纤维掺量为1%时，200万次疲劳极限可提高10%；当钢纤维掺量为1.5%时，疲劳极限可提高15%。当疲劳应力比为0.7时，对钢纤维掺量1%的钢纤维混凝土，疲劳寿命可延长。 1.5 钢纤维混凝土的抗冻融性能 钢纤维混凝土在冻融循环过程中，由于温度的变化，在混凝土内形成温度应力场。钢纤维混凝土的基体组成部分的热膨胀系数不同，在温度应力作用下变形不协调，导致在混凝土内部界面产生拉应力，影响了界面的黏结性状。钢纤维体积率的增大，增加了混凝土内的界面，这些界面是混凝土的薄弱环节。当冻融次数不大时，钢纤维与砂浆的黏结性状良好，钢纤维能有效地发挥阻裂增强作用，减少裂缝源的数量和裂缝的宽度。所以，在冻融次数较低时，随钢纤维体积率的增加，使混凝土强度下降的幅度降低。2 钢纤维混凝土的工程应用 2.1 水利工程 钢纤维混凝土在水利工程中的应用比较广泛，主要将其用于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孔、有压疏水道、消力池、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大坝防渗面板及护坡等。 2.2 建筑工程 钢纤维混凝土在建筑工程中的影响越来越广泛，一般应用于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等工程领域中。如抗震框架节点中使用钢纤维混凝土，能代替箍筋满足节点对强度、延性、耗能等方面的要求，而且还能提供类似于箍筋约束混凝土的作用，并解决节点区钢筋挤压使混凝土难于浇注的施工问题； 2.3 道路和桥梁工程 钢纤维混凝在道路和桥梁工程方面，主要广泛应用于路面、桥梁、机场跑道等工程中，包括新建及修补工程。钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的韧性，抗冲击、抗疲劳性。它可使面层厚度减少，伸缩缝间距加长，使用性能提高，维修费用减低、寿命延长。面层较普通混凝土可减少30—50%，公路伸缩缝间距可达30—100m，机场跑道的伸缩缝间距可达30m。路面及桥面修补，其罩面厚度仅为3—5cm。 2.4 铁路工程 在铁路工程方面，钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕及抢修铁路桥面防水保护层中。铁路工程承受较大的荷载、较高的速度和数万次的振动，所以要求混凝土必须具有较高的强度、较高的抗冲击性及较大的塑性。这正好利用了钢纤维混凝土的抗冲击性及较好的塑性。建成的工程有：沈阳铁路局长达线维修工程、柳州铁路局黔桂铁路铺设工程、南昆铁路隧道工程和西安安康铁路椅子山隧道等工程土。钢纤维混凝土的应用，使维修工作量大为减少，并提高了线路的使用寿命，效果良好。 2.5 港口及海洋工程 钢纤维混凝土在海洋工程中的使用主要是钢纤维混凝土的腐蚀问题，所以有待进一步研究，但在日本和挪威的使用经验是令人鼓舞的。日本钢铁俱乐部采用钢纤维混凝土作钢管桩防腐层，在海水中浸泡10年，钢纤维混凝土防腐完好，钢管表面无锈蚀，仍有金属光泽。挪威将钢纤维混凝土用于北海海底输气管道的隧道衬砌、Forsmark核电站海底核废料库的支护、海洋平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补等。我国江苏石舀港码头的轨道梁工程中也使用了钢纤维混凝土。 参考文献： [1] 蒋应军，刘海鹏，王琪等.钢纤维混凝土性能与施工工艺研究[J] 混凝土，2008.8 [2] 赵建波，崔海.钢纤维混凝土的研究与应用[J] 科技创新导报，2009.7