鋼纖維混凝土的性能及其應(yīng)用

　　【摘要】鋼纖維混凝土作為新興的建筑復(fù)合材料，是科學(xué)技術(shù)和建筑業(yè)發(fā)展的必然產(chǎn)物。文章對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了闡述，對鋼纖維混凝土的應(yīng)用作了簡單的介紹。 

　　【關(guān)鍵詞】混凝土；鋼纖維；性能及應(yīng)用 
　　 
　　一、引言 
　　 
　　1824年出現(xiàn)波特蘭水泥之后，人類便開始了應(yīng)用混凝土建造建筑物的歷史。隨后于1850年和1928年分別出現(xiàn)了鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，混凝土才得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)20年代，隨著結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及施工技術(shù)水平的相對成熟，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開始被大規(guī)模采用，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣闊。目前它已是世界上用量最大、使用最廣泛的建筑材料。 

　　混凝土是一種優(yōu)良的建筑材料，但是由于其抗彎、抗拉、抗沖擊韌性差，嚴(yán)重的影響其被廣泛使用。于是便考慮是否可以在混凝土中加入抗拉強(qiáng)度高、韌性好、短而細(xì)的纖維來改善混凝土的性能。 

　　在1901年，美國Porter就發(fā)表了有關(guān)鋼纖維混凝土的第一篇論文。1911年，美國的Graham則提出將鋼纖維加入普通鋼筋混凝土中。到四十年代，由于軍事工程的需要，英、美、法、德、日都相繼開展了研究，發(fā)表了一些專利，但進(jìn)展并不大，因?yàn)檫@些研究和專利幾乎都沒能說明鋼纖維對于混凝土的增強(qiáng)機(jī)理。纖維混凝土真正進(jìn)入實(shí)用化研究是在六十年代初。1963年，美國的Romualai發(fā)表了鋼纖維約束混凝土裂縫發(fā)展機(jī)理的研究報(bào)告，才使這項(xiàng)研究真正進(jìn)入一個新的發(fā)展時期。 
　　 
　　二、鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理 
　　 
　　鋼纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理的研究主要有兩種理論：復(fù)合力學(xué)理論和纖維間距理論。這兩種理論從不同角度，解釋鋼纖維對混凝土的增強(qiáng)作用，其結(jié)果是一致的。 

　?。ㄒ唬?fù)合力學(xué)理論 

　　復(fù)合力學(xué)理論將鋼纖維增強(qiáng)混凝土看作是一種纖維強(qiáng)化體系，應(yīng)用混合原理推導(dǎo)鋼纖維混凝土的應(yīng)力、彈性模量和強(qiáng)度等，并引入纖維方向系數(shù)，考慮在拉伸應(yīng)力方向上有效纖維體積率的比例和非連續(xù)性短纖維應(yīng)力沿纖維長度的非均勻分布。 

　?。ǘ├w維間距理論 

　　纖維間距理論根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)原理解釋鋼纖維對裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。該理論認(rèn)為，要想增強(qiáng)混凝土這種本身帶有內(nèi)部缺陷的脆性材料的抗拉強(qiáng)度，必須盡可能地減小內(nèi)部缺陷的尺寸，降低裂縫尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子。對于混凝土這樣的脆性材料，由于其內(nèi)部的水泥漿-細(xì)骨料界面區(qū)，砂漿-粗骨料界面區(qū)薄弱環(huán)節(jié)的存在，盡管各組分材料都有較高的抗拉強(qiáng)度，但混凝土一般均發(fā)生斷裂破壞，宏觀抗拉強(qiáng)度很低。鋼纖維的加入能跨越裂縫的兩邊，使鋼纖維與裂縫兩邊混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力起著約束裂縫開展的作用。 
　　 
　　三、鋼纖維混凝土的應(yīng)用 
　　 
　　（一）水利水電工程 

　　目前，20ZLB-70型軸流泵是農(nóng)用泵站中應(yīng)用較多的一種泵型。22時（管內(nèi)徑55cm，壁厚3cm）鋼纖維混凝土泵管就是為這種泵型配套用的，以解決目前其它泵管在工程造價(jià)、建沒周期及管理維修等方面存在的問題。江蘇省泗陽混凝土制品廠對鋼纖維混凝土泵管采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)應(yīng)用揚(yáng)程達(dá)7.5m，管內(nèi)工作壓力達(dá)0.075MPa時、室內(nèi)檢驗(yàn)壓力達(dá)到0.15MPa時不破裂，0.1MPa時無滲漏。安全系數(shù)值取3。采用的混凝土配比為水泥，黃砂，石子，水=l：2.06：1.12：0.5。鋼纖維體積含量1.5%，纖維長徑比60-100。關(guān)于鋼纖維混凝土泵管的使用價(jià)值，該廠曾將這種泵管與同類型的鑄鐵泵管、鋼板泵管、自應(yīng)力水泥泵管和鋼筋混凝土泵管等作了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼板管、鑄鐵管耗鋼量最大，鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管次之；鋼絲網(wǎng)水泥管和自應(yīng)力管較?。欢卵兄频匿摾w維管耗鋼量只有8kg，為最小。以生產(chǎn)管理方面來說，鋼板管、鑄鐵管易生銹瘤，接頭螺栓及止水填料易腐蝕，維修費(fèi)用高。鋼筋混凝土管及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管維修費(fèi)用雖小，但體積大，運(yùn)輸及安裝不方使。鋼絲網(wǎng)水泥管、自應(yīng)力水泥管在用鋼量和自重上較前者雖有減少，但要具備特殊的生產(chǎn)工藝與設(shè)備。而鋼纖維混凝土管則可彌補(bǔ)上述6類管的不足。泵管性能方面各類泵管都能滿足強(qiáng)度要求。 

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　　重慶交通學(xué)院等單位對鋼纖維混凝土肋拱橋進(jìn)行了動態(tài)性能分析，并局部地利用鋼纖維混凝土成功地設(shè)計(jì)了一座60m凈跨、拱圈高1.55m的肋拱橋?？⒐ず髮υ摌蜻M(jìn)行了自頻振率、模態(tài)及沖擊性能等試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為：鋼纖維混凝土肋拱橋不僅造價(jià)低，而且地震作用明顯小于普通混凝上肋拱橋。 

　?。ㄈ┓课莨こ?nbsp;

　　節(jié)點(diǎn)是框架梁柱的傳力樞紐，也是框架的薄弱環(huán)節(jié)。國內(nèi)外幾次大地震表明，不少鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)在地震作用下發(fā)生了不同程度的破壞，節(jié)點(diǎn)的抗震問題引起了工程界的重視。按照傳統(tǒng)的方法，為提高鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)的抗震強(qiáng)度和延性，需要在節(jié)點(diǎn)配置多而密的箍筋，而節(jié)點(diǎn)箍筋施工比較困難。節(jié)點(diǎn)中鋼筋過于擁擠也影響了混凝土的澆筑質(zhì)量。在框架節(jié)點(diǎn)部分用鋼纖維配筋取代部分箍筋，能有效地解決這個問題。 

　　最早由哈爾濱建工學(xué)院樊承謀教授提出，經(jīng)試驗(yàn)室試驗(yàn)后應(yīng)用于工程。應(yīng)用最早的是吉林省1661電臺辦公樓（1988年5月）及黑河市建委試驗(yàn)樓（1989年5月）。以上兩項(xiàng)工程施工地點(diǎn)的年溫差和晝夜溫差都較大。為使防水層脫離找平層以便減少收縮和溫度應(yīng)力的影響，在鋼纖維混凝土中摻有一定數(shù)量的膨脹劑，取得了良好的效果。每m3鋼纖維混凝土的材料用量是水泥：砂：碎石：鋼纖維：水：減水劑：膨脹劑=450：720：720：72：198：4.5：63。減水劑采用上海產(chǎn)高效減水劑，減水率15%。膨脹劑采用合肥產(chǎn)品，自由膨脹值小于0.1%。剛性防水屋頂采用分倉設(shè)計(jì)，每個分倉均為3×6m。各分倉之間以及與四周墻壁之間均設(shè)置分倉縫。分倉縫用PVC防水油膏充填。分倉木條尺寸為20×30mm，施工24小時后取出。防水層厚度為40mm。 

　　鋼纖維混凝土應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，在此不再枚舉。 

　　綜上所述，鋼纖維混凝土由于一系列突出的優(yōu)點(diǎn)和巨大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，可以預(yù)見在未來21世紀(jì)必將取得更大的技術(shù)進(jìn)步和廣闊的應(yīng)用前景。 
　　 
　　【參考文獻(xiàn)】 

　　[1]謝曉鵬.鋼筋局部鋼纖維高強(qiáng)混凝土板沖切性能研究[C].鄭州：鄭州大學(xué)博士論文，2007，
（5）. 

　　[2]樊承謀，趙景海，程龍保．鋼纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)[M]．黑龍江科技出版社，1986． 

　　[3]趙國藩，黃承逵．纖維混凝土的研究與應(yīng)用[M]．大連理工大學(xué)出版社，1992． 

　　[4]王璋水，陸惠棠，高強(qiáng)鋼纖維混凝土的性能及應(yīng)用[M]．北京:空軍設(shè)計(jì)研究局，1986． 

　　[5]大連理工大學(xué)土木系結(jié)構(gòu)研究室．鋼纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究課題研究總結(jié)． 　 原作者： 岳磊　孟建國