浅谈钢纤维对普通钢筋混凝土的优化和其应用

2014-08-08秦亚茹张晓航

建材发展导向 2014年4期

秦亚茹+张晓航

摘要：钢筋混凝土作为我国建筑的主体材料，它的发展与改进意味着建筑业的发展，因此钢纤维混凝土的研发和应用受到了很多研究者的注意，随着研究的深入，对加入钢纤维的混凝土的应用日益广泛，例如普通钢纤维混凝土、局部高密度高纤维钢筋混凝土、超短超细钢纤维增强混凝土等。在此主要探究钢纤维混凝土的优良性和缺陷，以及局部高密度高纤维钢筋混凝土优异力学性能。

关键词：钢纤维混凝土；普通钢筋混凝土；局部高密度钢纤维钢筋混凝土

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的，以水泥浆、砂浆或混凝土为基体的一种新型复合材料。

我国用于普通混凝土结构的钢筋强度达到500N/mm2，然而在预应力构件中采用强度为1570~1960N/mm2的高强钢丝和钢绞线，据有效研究表明，中强和高强螺旋肋钢丝不仅强度高、延性好，适用于大跨度建筑和高强度混凝土高效配合使用，而且与混凝土的粘结锚固性能也优于其他钢筋。基于这种把钢筋向钢丝转化加强其强度的思想，钢纤维混凝土这种混合材料也很快被提出来。

1普通钢筋混凝土

普通钢筋混凝土结构抗裂性较差，受拉和受弯等构件在正常使用时经常是带缝工作，而且随着使用时间的增长，混凝土裂缝逐渐增大，暴露在空气中的钢筋会很快跟空气中的水，氧气，二氧化碳，二氧化硫等气体发生反应，出现锈蚀、脆化、疲劳，混凝土中的钢筋与混凝土之间会出现粘结锚固作用也逐渐减弱，出现此类情况后，混凝土结构工程往往达不到设计规定的使用年限，更严重的有可能影响结构安全。因此，为了保证钢筋混凝土结构的正常使用及耐久性要求，在确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度，还要采取相应的技术措施和防护措施，加大了施工的难度和影响了施工的进度。对于对裂缝宽度和变形有严格要求的构件，如果采取增加截面尺寸和用钢量的方法，一般来说都不经济，特别是荷载或跨度较大时。如果提高混凝土的强度等级，由于抗拉强度提高的少，对构件的抗裂性和刚度的效果也不明显；如果用钢筋抵抗裂缝，则当混凝土达到极限拉应变时，受拉钢筋的应力只有30N/mm2左右。因此，需要对普通钢筋混凝土改进。

2钢纤维混凝土

由于钢纤维在混凝土中乱向分布，因此，钢纤维阻滞混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，从而使原来脆性的混凝土材料呈现出很高的抗裂性能并能推迟裂缝的出现，这不仅仅很容易达到建筑结构物对裂缝的要求，而且对其抗拉强度和抗弯、抗剪、抗扭强度等有明显的改善作用，改善了普通钢筋混凝土的抗裂性、耐磨性及延性。抗拉强度高、极限延伸率大的钢纤维可以克服水泥浆、砂浆与混凝土的主要缺点有塑性收缩大、抗拉强度低，极限延伸率小、脆性大，改善水泥砂浆和混凝土的性质。除此之外，异性钢纤维表面粗糙化、截面也成不规则的形状，它与混凝土的粘结锚固能力得到大大的提升，不仅优化了钢与混凝土共同作用的性能，也在一定基础上节约了钢材。近几十年来，国内外对钢纤维混凝土的力学和结构性能做出了大量的研究。

钢纤维对高强混凝土最重要的贡献就是提高其延性和吸能能力，但是钢纤维目前的价格还比较高，生产工艺复杂，钢纤维混凝土的优良性能所带来的材料节省往往不足以补偿钢纤维加入所引起初始成本的提高，这影响钢纤维混凝土的发展和进一步的推广应用，钢纤维的性能还有待于提高，以及还有一些潜在的问题，需要我们进一步研究，如果能开发出性能好、价格低的钢纤维，将会对钢纤维混凝土的应用有很大的帮助。当然，合理对钢纤维混凝土的回收与处理也是一项艰巨的任务，我们在研究新材料的同时更要对其废弃回收处理的方法也要重视。

3局部高密度钢纤维钢筋混凝土

对于普通钢筋混凝土来说，钢筋应变不均匀系数在混凝土开裂后增大，这也就是说钢筋与混凝土之间的粘结受到很大的损伤。然而局部高密度钢纤维钢筋混凝土的主要优势在于增加开裂弯矩承载力、抗弯刚度和减小裂缝宽度。参考文献，大概对局部高密度钢纤维钢筋混凝土梁的力学性能有着概括的了解：（1）局部高密度钢纤维钢筋混凝土梁的截面平均应变基本满足平截面假定。梁开裂后，随着截面应变的逐渐增大，该截面的受压区高度有所增加，但是增量不大，这与普通钢筋混凝土构件开裂后直至钢筋屈服前中性轴位置相对稳定的情形基本是一致的。（2）对于普通钢筋混凝土梁来说，截面的开裂，中性轴逐渐上移，也就是裂缝逐渐向上延伸，构件的刚度就因此下降。局部高密度钢纤维钢筋混凝土梁的中性轴却始终低于普通钢筋混凝土，由此可以说明高密度钢纤维在弯曲构件受拉边缘对其进行局部增强，进而有效的控制构件变形，增加刚度。（3）对于局部高密度钢纤维钢筋混凝土梁，随着应变的不断发展，纤维被逐渐拉出，到达一应程度即临界值之后，纤维应力逐渐递减，克服了普通钢筋混凝土中钢筋达到临界值后拉应力高居不下而导致受压混凝土被压碎的情况。

4添加钢纤维的混凝土的应用

在大跨度空间结构中，屋面结构的重量是决定建筑造价的主要原因，这使得屋面板的各个截面尺寸受到严格的控制，不能通过随意增加截面尺寸来达到增加结构的刚度，同样由于尺寸的限制，钢筋的增加也是不可能的，而且靠增加钢筋的方法增加钢筋混凝土的刚度也不经济，因此，以上方法不适用，采用钢纤维混凝土是最佳的选择。

在一些大型预应力混凝土弯曲构件中，为了保证跨中一段区域的抗裂度，靠在构件全长范围内增加预应力值，即不经济又有可能降低承载力，而如果保持原预应力值，在预应力梁跨中区间内用结合预应力和局部高密度钢纤维混凝土的方法，就可以避免上述问题。

目前，除了建筑类采用钢纤维混凝土之外，高级公路、机场跑道等交通工程也采用了钢纤维混凝土道路面，由于机场跑道要承受巨大循环荷载和冲击荷载，对路面制作材料要求高，德国则采用了钢纤维混凝土代替普通钢筋混凝土并弥补其不足来建造了大型机场跑道。

5结语

由于钢纤维的优良性能，钢纤维混凝土在土建工程中很快被广泛的应用，在此基础上，我们也要对钢纤维更深的研究，开发出性能更好的钢纤维，使钢纤维混凝土的强度、刚度更大，延性更好，拓展钢纤维混凝土在工程上的应用。

参考文献

[1] 刘立新,叶燕华.混凝土结构原理[M].武汉理工大学出版社,2012.

[2] 程庆国等.钢纤维混凝土理论及应用[M].中国铁道出版社,1999.

[3] 赵国藩等.钢纤维混凝土结构[M].中国建筑工业出版社,1999.

[4] 孙伟.钢纤维对高强混凝土增强、增韧与阻裂效应的研究[J].东南大学学报,1991,1:50-56.

[5] 易成,沈世钊.局部高密度钢纤维钢筋混凝土梁弯曲性能研究.工业建筑,1998(8):1-5.