钢纤维混凝土综述

2022-09-10

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而浇筑形成的一种新型复合材料。美国Porter于1911年提出在混凝中均匀掺人钢纤维, 作为增强材料的建议。其设想与现在的钢纤维混凝土大体相同。1911年, 美国Graham通过研究搞清了在普通钢筋混凝土中掺入钢纤维后, 强度和稳定性得以提高的道理。此后直至四十年代, 美、英、法、德等国相继公布了钢纤维混凝土专利文献。随后的几十年, 钢纤维混凝土的研究得到了飞速地发展且在工程中也得到了应用。

我国对钢纤维混凝土的研究开始于70年代, 近四十年来发展迅速, 在钢纤维混凝土的基本性能和增强机理方面都取得了显著的成果。但同英美和日本相比, 我国在钢纤维混凝土的研究和应用方面还有较大差距。在研究的基础上, 我国也编制了《钢纤维混凝土试验方法标准》、《钢纤维混凝土结构设计和施工规程》。然而, 现有的技术标准和规程还不能完全满足工程上的需要, 仍需要继续补充修订。此外, 钢纤维除增强普通混凝土外, 也开始用于增强轻质混凝土、高强混凝土以及与钢丝网等。这些方面的结构设计理论和相关的施工技术还需进一步研究, 以使钢纤维混凝土得到更广泛的应用。

1 钢纤维混凝土增强的机理

由文献[1]可知, 钢纤维混凝土增强的机理, 目前有复合材料力学理论和纤维间距理论两种说法。 (1) 复合材料力学理论:该理论由英国Swamy、Mangat等人提出, 钢纤维混凝土是一种复合材料, 根据复合材料力学混和法则, 在纤维增强复合材料中纤维与基体是通过两种材料的界面相互作用的。纤维与混凝土基体的粘结力直接影响纤维对混凝土的阻裂、增强和增韧效果。纤维对混凝土基体起到阻止裂缝引发、扩散并在混凝土的受力破坏过程中吸收大量能量的作用, 使混凝土开裂前后的性态发生根本性变化, 从而改善了混凝土的变形性能。当荷载作用于钢纤维混凝土基体上, 应力通过纤维和基体的界面粘结传递给纤维而达到增强增韧目的。 (2) 纤维间距理论:该理论由J.P.Romualdi和B.Batson于1963年提出。该理论建立在线弹性断裂力学的基础上, 当对混凝土结构施加外力时, 混凝土内部固有的孔隙和缺陷以及微裂缝等部位产生的较大的应力集中, 会引起裂缝的扩展, 最终导致结构破坏;而纤维加入脆性的混凝土基体中, 可以减少裂缝源的数量, 缓和裂缝尖应力集中。

2 钢纤维混凝土的特性及优点

与普通混凝土相比, 钢纤维混凝土的很多性能都得到了不同的改善。 (1) 力学强度。钢纤维对混凝土的抗压强度的影响不显, 其抗压强度主要取决于混凝土基体的强度等级。统计资料表明, 钢纤维混凝土抗压强度仅提高了10%左右。但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。其中, 抗拉强度和抗弯强度提高50%~80%, 抗折强度提高15%~35%, 抗剪强度提高50%~80%。 (2) 钢纤维混凝土的韧性及抗裂性能。钢纤维掺入到混凝土基体中起到阻止裂缝引发、扩散并在混凝土的受力破坏过程中吸收大量能量的作用, 使混凝土开裂前后的性态发生根本性变化, 从而改善了混凝土的变形性能。当荷载作用于钢纤维混凝土基体上, 应力通过纤维和基体的界面粘结传递给纤维, 同时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。与普通混凝土相比抗裂性能提高了2~3倍, 韧性得到了显著改善。 (3) 钢纤维混凝土的抗冲击性能。钢纤维混凝土的抗冲击特性是混凝土吸收动能能力的一种表征, 国内外对钢纤维混凝土冲击性能作了大量研究。国内外没有统一的试验方法, 同种材料采用不同的试验方法得出的规律相近。纤维对混凝土抗冲击特性的影响主要取决于混凝土基体强度等级及纤维的掺量, 掺量多而杂的抗冲击性能明显提高。 (4) 钢纤维混凝土的耐磨性和耐久性。在混凝土中掺入钢纤维后, 其耐磨性提高了很多。国内采用标号为C35和CF35的普通混凝土和钢纤维混凝土5cm×5cm×5cm的试件在国产耐磨机上做等条件磨损试验。结果表明, 钢纤维混凝土比普通混凝土的耐磨性能提高了30%~50%;此外, 钢纤维混凝土的耐腐蚀性、抗冻融性较普通混凝土都得到了显著改善。

3 钢纤维混凝土在工程中的应用

目前, 钢纤维混凝土已广泛应用于水利电力、结构工程、路面工程以及其他工程。 (1) 水利水电工程应用。在水利水电工程中, 钢纤维混凝土主要用来做泵管使用, 与其它钢板泵管、铸铁泵管、自应力水泥泵管和钢筋混凝土泵管等比较, 钢纤维混凝土泵管耗钢量最小, 从其它方面来说, 钢板管、铸铁管易生锈, 维修费用高。钢筋混凝土管及自应力水泥管维修费用虽小, 但体积大, 运输及安装不方便。并且自应力水泥管需要具备特殊的生产工艺与设备。而钢纤维混凝土管则可弥补上述泵管的不足。 (2) 结构工程应用。由于钢纤维混凝土具有良好的抗裂性、弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点, 将它应用于要求较高的工程部位会达到较好的效果, 结构的承载力能得到大幅度的提高。国内外几次大地震的对比表明, 节点是钢筋混凝土框架结构的弱点[2], 若节点处采用钢纤维混凝土将有效提高抗震能力和抗拉能力。 (3) 路面工程应用。因钢纤维混凝土有优良的抗裂、抗冲击、抗收缩、抗韧性及耐磨性等物理性能, 因此, 钢纤维混凝土在路面工程领域中得到较广泛应用, 如高速公路路面、机场跑道等。与以往的路面相比较, 由于钢纤维混凝土的这些优良性能使得面层厚度减少, 伸缩缝间距加长, 路面的抗裂性能提高, 维修费用降低, 寿命延长。

4 结语

钢纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、冲击韧性、抗磨性等较普通混凝土有很大的提高, 因此在高层、大跨建筑工程, 高速公路路面, 荷载较大的仓库地面、机场、贮水池等结构中都得到广泛应用。与普通的混凝土相比, 钢纤维造价较高, 若能开发出更好的钢纤维制造工艺, 用较少的钢纤维量达到更好的性能, 必能降低成本, 进一步推广钢纤维混凝土的应用。随着研究的深入, 钢纤维轻质混凝土、钢纤维高强混凝土等也将是一个研究的趋势。

摘要：本文主要分析了钢纤维混凝土的国内外研究现状和钢纤维混凝土增强机理, 并从力学强度、韧性及抗裂性能、抗冲击性能、耐磨性和耐久性这些方面来说明钢纤维混凝土的优越性。最后, 对钢纤维混凝土在工程中的应用和未来的发展趋势做了一个简单介绍。

关键词：钢纤维混凝土,增强机理,工程应用