钢纤维混凝土研究与应用

2020-03-05黄卫林

广东建材 2020年6期

关键词：钢纤维韧性骨料

黄卫林

（四会臻汇园物业发展有限公司）

1 钢纤维混凝土的性能

普通钢纤维混凝土的纤维体积率在1%～2%之间，较之普通混凝土，抗拉强度提高40%～80%，抗弯强度提高60%～120%，抗剪强度提高50%～100%，抗压强度提高幅度较小，一般在0～25%之间，但抗压韧性却大幅度提高。

1.1 抗拉强度

普通混凝土的脆性较高，易对发生没有征兆的脆性破坏，并可能会危害周围环境。此外，普通混凝土具有相对低的弹性模量，可能导致裂纹的加速发展。由于混凝土裂缝的发展可能导致的耐久性问题。在混凝土中加入钢纤维达到增强抗拉强度和混凝土的延展性。基于的开裂原理，钢纤维具有裂纹连接作用，直到纤维从钢纤维混凝土拔出，从而延缓了裂纹的形成，并限制了裂纹扩展。脱粘和拉出纤维的需要较高量的能量，从而达到增加的韧性和混凝土的延展性等性能，韧性是钢纤维混凝土的显著优势。直接拉伸试验是在评价混凝土的抗拉强度的最直接的方法。直接拉伸试验得到的拉伸强度通常比从间接劈裂拉伸试验的性能提高更为明显，而挠曲试验给出了最高的拉伸强度。相关数据表明掺有0.5%、0.75%和1.0%的钢纤维的试样测得的直接拉伸强度分别为1.451、1.604 和1.794MPa。如从数据结果中看到，所增加的钢纤维体积增强的直接拉伸强度取决于钢纤维阻止初始裂纹的有效性。在钢纤维的外形上看，端部钩状的钢纤维提供所需拉出纤维的作用大，由于端部还具有部分锚固作用，因而能增加钢纤维混凝土的抗拉强度。

1.2 抗弯强度

钢纤维具有高的抗弯强度，对混凝土抗弯性能提高有显着的效果。这是由于钢纤维的长度较长，更有效地延缓裂纹扩展。相关的实验研究中发现，在混凝土中分别加入0.5%、0.75%和1.0%的钢纤维改善抗弯强度至约25%、45%和88%，弯曲强度高达8.90MPa，其中钢纤维混凝土加入了1.0%的钢纤维，抗弯强度提高更显著。由于钢纤维良好的粘结性能，使得钢纤维长度方向上提供了更多的阻力拉出纤维。此外，由于钢纤维的存在，抵抗弯曲的裂缝，从而引起纤维的有效阻止裂缝发展。因此，掺入一定比例的钢纤维，使得钢纤维混凝土临界破坏载荷值增加，减少裂缝，从而具有较高的抗弯强度。

1.3 冲击韧性

在混凝土中加入钢纤维的显著特点是其改进开裂后的裂化反应。冲击韧性的测定，是通过吸收能量的绝对值。如：钢纤维混凝土分别加入了0.5%、0.75%和1.0%的钢纤维，冲击韧性对应增加约6、9 和高达17 倍。不难看出它显著地增加了钢纤维混凝土的韧性。钢纤维的存在，可以增加的对能量吸收，因此具有良好的延展性。当受到震动荷载作用的冲击时，其抗拉抗弯性能可提高十几倍。特别是桥墩、路面、护栏等工程。即低冲击总价值意味着冲击高抗。因此，由于其高的耐冲击性，钢纤维混凝土可以在路障，防撞护栏等。此外，路面工程，排水涵洞等工程也应用广泛。目前钢纤维混凝土梁和耐冲击板在一些国家的结构工程已经成功应用。

1.4 抗裂性能

断裂能，断裂韧性和特征长度都被用来作为设计钢筋混凝土结构的断裂准则的参数。断裂能量是在混凝土龄期28 天时测得。断裂能就是创建一个单位面积裂纹表面，在该表面中的载荷-位移曲线下测量并根据公式计算出所需的能量。与素混凝土相比，加入钢纤维被发现提高的断裂能达数倍。这可以归因于钢纤维的作用：转移的裂缝路径，防止了裂纹的直接传播，这增加了裂缝区和断裂的工作峰值。钢纤维含量分别从0.5%提高至0.75%和0.5%～1.0%提高了断裂能由约1.5 和2.9倍。研究发现断裂能量增加了约2.2 倍和3.6 倍的掺入的钢纤维含量提高分别为从0.33%至0.67%和0.33%至1.0%之间。单独的断裂能量不足以表征混凝土的脆性或混凝土的延展性。此外，特性长度是混凝土脆性的量度，因为它包括了材料和结构大小的影响。特征长度与断裂能成正比，加入钢纤维大大改善的混凝土韧性和延展性，特别是掺量1%钢纤维最为明显。在另一方面，熟悉钢筋混凝土结构的基本知识可以知道，由于混凝土断裂的原理是基于断裂力学中的断裂能，此外断裂韧性也是一个从断裂力学角度来描述混凝土具体的抗裂性能。

1.5 耐久性能

耐久性能显著提高，钢纤维混凝土强度C35，钢纤维的掺量为1%的混凝土耐磨性能下降30%。钢纤维掺量为2%高强混凝土抗气蚀能力增加1.4 倍。钢纤维混凝土在废气、废水中都呈现良好的耐腐蚀性，暴露在污水中5 年后的试件碳化深度小于5mm，只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀，不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后，锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。经150次冻融情况下钢纤维混凝土掺量1.5，其抗压和抗弯强度只20%比例减少。其他普通混凝土却减少60%以上。钢纤维混凝土在未达200 次冻融抗性，整体性好、收缩率低。在沿海地区的腐蚀环境下，得到广泛应用。目前对耐磨耐久的结构性能有许多研究项目已完成。

2 钢纤维混凝土的存在问题

由于钢纤维搅拌时容易结成一团，不能发挥其抗裂特性。价格贵，建筑市场的成本也居高不下。然而钢纤维和易性低，使得泵送麻烦，加大施工人员的难度。此外钢纤维混凝土重度大，在实际工程中不节约钢材，造成钢材用量大，使得单方造价高。此外，由于钢纤维混凝土面临的一大问题是,钢纤维混凝土结构质量的保证除了施工配合比以及钢纤维的强度外，还要考虑施工现场的技术攻关。机械和施工技术也成为较大的影响因素。

2.1 对混凝土抗压强度提高较小

钢纤维没有向钢管混凝土具有约束作用，所以在结构轴压破坏中，对抗压承载力提高明显。但是钢纤维仍然就有阻裂作用，所以在裂缝出现后期，对结构的变形具有阻止作用。

2.2 配合比设计复杂

为了防止钢纤维结团，充分发挥其作用，则需要大量的水泥砂浆覆盖钢纤维表面，而掺量的差异造成混凝土的配合比不同，带来配合比的繁琐。否则，流动性、和易性都降低，而达不到效果。

2.3 施工麻烦

施工员需要投入更多的时间来指导拌合钢纤维混凝土。目的是分散尽量均匀在混凝土中，减少结团的现象，结团则钢纤维不能充分体现作用。换句话说钢纤维发挥作用的前提下，才能提高强度，增加韧性。施工员的监督来保证质量，增加时间投入，可能拖延工期。

2.4 造价较高

价格贵，建筑市场的成本也居高不下，钢纤维混凝土被限制在一般建筑物的使用。否则单方造价太贵，而不经济。市场价格波动在每吨5000～10000 元之间。相对普通混凝土造价多出大约两倍。不同品种，不同规格，价钱不一，参量不一，配合比不一。

2.5 裂缝出现前作用不明显

因为钢纤维主要作用为阻裂，所以在没有出现裂缝时，其发挥程度很小或者没有作用。混凝土与钢纤维之间的粘结力不大。所以在裂缝出现后钢纤维才充分发挥阻裂作用。这个方面值得改善，可做进一步研究。

3 钢纤维混凝土的应用

由于钢纤维具有良好的阻裂性能、高韧性能、抗拉性能、抗弯性能、耐冲击性能、耐疲劳性能、耐火性能和耐火性能等物理力学性能。所以钢纤维混凝土道路、水利、桥梁、建筑、抗爆，抗震等领域都得到广泛应用。

3.1 建筑工程

三维散乱分布的钢纤维，各个方向都有阻裂的作用，提高强度，提高韧性的作用。如厂房牛腿,梁柱节点等部位，结构制防水屋面的延性，抗裂性均有提高。强度和重量的比值增大。这是纤维混凝土具有优越经济性的重要指标，也是它具有广阔应用前景的重要保证；抗拉强度和主要有主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度明显提高。应用实例：承受重量级工作制造工业厂房，庆安钢铁厂以及沈阳市急救中心站综合楼使用钢纤维混凝土防水屋面经一年多的雨雪干湿冻融等作用未发现漏雨和裂痕此种刚性防水屋面一次性投资略高于三毡四油屋面,因为减少维修延长使用寿命可获得较好的经济效益。

3.2 道路和桥梁工程

对于有冲击荷载以及大体积易裂的路面工程，考虑到其优越的性能。机场跑道、桥梁、道路等工程中广泛应用钢纤维混凝土抗裂性、高韧性，此外包括在新建及维修陈建工程的高强度性能的应用。钢纤维混凝土在楼面、路面、桥面等抗爆性能优越。以及抗韧性、耐久性和桥梁的抗冲击性。工程实例：隧道工程、沪杭高速公路以及成渝公路、北京东西环路立交桥、大足朱溪大桥、广州解放大桥等工程使用钢纤维混凝土并突破了施工中的相关技术问题，整体效果好，带来的国有经济效益十分显著。

3.3 水利工程

钢纤维混凝土的抗渗性，耐腐蚀性良好。对钢筋有很好的保护作用，使得非常有前景。如：水库的闸门，海上项目，水池等实例的应用。如：在支护工程，防腐工程，抗渗工程等应用广泛，此外预应力混凝土结构中掺入钢纤维可以增强混凝土的抗拉弯、疲劳及抗冲击性能，尤其可以补强预应力对抗剪强度提高不大的弱点，减少截面尺寸并能加大跨度。工程实例：江苏石舀港码头的轨道梁工程中使用钢纤维混凝土，经济效益好。

3.4 轻骨料中应用

使用高效减水剂和细骨料并掺入粉煤灰作为混凝土混合料，使钢纤维轻骨料混凝土可以改善其施工拌合难度。使用矿物掺合料，引气外剂和掺入钢纤维可以提高轻骨料混凝土的抗拉强度。通常包含钢纤维轻质混凝土的抗压强度增加总量。掺量为2%以上的钢纤维增强轻骨料混凝土比轻骨料混凝土的平均劈裂抗拉强度高显著，即使在少量的钢纤维作用下，特别是使用钩端钢纤维，钢纤维增强轻骨料混凝土的胶凝强度，从而导致更高的改进的拉伸强度。此外，钢纤维（具有弯曲韧性）和轻骨料混凝土的拌合提高了混凝土弯曲强度。在实践中证实，钢纤维的弯曲强度比普通混凝土更为明显，在轻骨料中优势明显。