鋼纖維混凝土的性能機理與工程應用

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本文結合鋼纖維混凝土的性能機理，對鋼纖維混凝土的力學性能、耐久性、耐凍融性等多項性能進行分析，并結合現(xiàn)代鋼纖維混凝土的實際應用和其獨特的性能對其應用前景進行了展望。

　　鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，簡寫為 SFRC）是在普通混凝土中摻入適量短鋼纖維而形成的可澆筑、可噴射成型的一種新型復合材料。它是近些年來發(fā)展起來的一種性能優(yōu)良且應用廣泛的復合材料。

　　近年來鋼纖維混凝土在國內外得到迅速發(fā)展，它克服了混凝土抗拉強度低、極限延伸率小、性脆等缺點，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能，已在建筑、路橋、水工等工程領域得到應用。

　　1.鋼纖維混凝土的性能研究

　　1.1 鋼纖維混凝土的力學強度

　　1.1.1 抗壓強度

　　鋼纖維混凝土雖受壓強度增加不明顯，但受壓韌性卻大幅度提高了。這是由于鋼纖維的存在，增大了試件的壓縮變形，提高了受壓破壞時的韌性。從宏觀上呈現(xiàn)，鋼纖維混凝土受壓破壞時，沒有明顯的碎塊或崩落，仍保持這整體性。

　　1.1.2 抗剪強度

　　鋼纖維混凝土具有優(yōu)異的抗剪性能，對提高鋼筋混凝土結構抗剪能力有重要意義。通常在鋼筋混凝土的構件中，其抗剪承載力主要靠箍筋和彎起鋼筋承擔，這些筋多了，不僅要提高工程投資，而且施工很不方便，尤其對薄壁、抗震結構和復雜形狀的特種結構，問題則尤為突出。因此采用鋼纖維混凝土是提高結構抗剪能力的有效途徑。

　　1.1.3 抗彎強度

　　鋼纖維混凝土的抗彎強度，隨著纖維摻量的增加而提高。鋼纖維混凝土等級提高，使抗彎強度提高明顯。在彎曲荷載作用下，鋼纖維混凝土受拉區(qū)開裂，中性軸向上移，受拉區(qū)仍有部分纖維與基材的粘結力承受拉力，增加韌性，提高了混凝土的抗彎強度。而普通混凝土則很快發(fā)生斷裂，以致脆性破壞。

　　1.2 鋼纖維混凝土的韌性和抗裂性

　　韌性是在材料受壓破壞前吸收能量的性質?？沽研允侵镐摾w維在脆性混凝土基體中減少裂縫和阻滯裂縫進一步發(fā)展的性質。鋼纖維混凝土具有很好的韌性和抗裂性。鋼纖維混凝土的韌性隨著鋼纖維數(shù)量的增加而大幅度提高，同時與纖維和基材的粘結力有關?；膹姸忍岣?，纖維混凝土的韌性也相應提高。

　　1.3 鋼纖維混凝土的抗沖擊性能

　　在動荷載作用下，鋼纖維混凝土在裂縫擴展時，首先是鋼纖維克服基材的粘結力而被拔出，或是鋼纖維達到屈服強度而被拉斷。這都需要消耗大量的能量。因此，鋼纖維混凝土能提高抗沖擊性能。若采用剪切鋼纖維制成試件?？缍葹?，鋼纖維混凝土等級為CF55時，采用水泥硬練重錘沖擊。當纖維摻量為0.5%時，耐沖擊次數(shù)為素混凝土的3～4倍；纖維摻量為1%時，耐沖擊次數(shù)為11～12倍；纖維摻量為1.5%時，耐沖擊次數(shù)為21～22倍。可見，鋼纖維混凝土的耐沖擊性能隨著纖維摻量的增加而大幅度提高。

　　1.4 鋼纖維混凝土的抗疲勞性能

　　鋼纖維明顯改善了混凝土的彎曲疲勞性能。若CF80鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，當鋼纖維摻量為1%時，200萬次疲勞極限可提高10%；當鋼纖維摻量為1.5%時，疲勞極限可提高15%.當疲勞應力比為0.7時，對鋼纖維摻量1%的鋼纖維混凝土，疲勞壽命可延長。

　　1.5 鋼纖維混凝土的抗凍融性能

　　鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)過程中，由于溫度的變化，在混凝土內形成溫度應力場。鋼纖維混凝土的基體組成部分的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度應力作用下變形不協(xié)調，導致在混凝土內部界面產生拉應力，影響了界面的黏結性狀。鋼纖維體積率的增大，增加了混凝土內的界面，這些界面是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)。當凍融次數(shù)不大時，鋼纖維與砂漿的黏結性狀良好，鋼纖維能有效地發(fā)揮阻裂增強作用，減少裂縫源的數(shù)量和裂縫的寬度。所以，在凍融次數(shù)較低時，隨鋼纖維體積率的增加，使混凝土強度下降的幅度降低。

　　2.鋼纖維混凝土的工程應用

　　2.1 水利工程

　　鋼纖維混凝土在水利工程中的應用比較廣泛，主要將其用于受高速水流作用以及受力比較復雜的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓疏水道、消力池、閘底板和水閘、船閘、渡槽、大壩防滲面板及護坡等。

　　2.2 建筑工程

　　鋼纖維混凝土在建筑工程中的影響越來越廣泛，一般應用于房屋建筑工程、預制樁工程、框架節(jié)點、屋面防水工程、地下防水工程等工程領域中。如抗震框架節(jié)點中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節(jié)點對強度、延性、耗能等方面的要求，而且還能提供類似于箍筋約束混凝土的作用，并解決節(jié)點區(qū)鋼筋擠壓使混凝土難于澆注的施工問題；

　　2.3 道路和橋梁工程

　　鋼纖維混凝在道路和橋梁工程方面，主要廣泛應用于路面、橋梁、機場跑道等工程中，包括新建及修補工程。鋼纖維混凝土較普通混凝土有較好的韌性，抗沖擊、抗疲勞性。它可使面層厚度減少，伸縮縫間距加長，使用性能提高，維修費用減低、壽命延長。面層較普通混凝土可減少30～50%，公路伸縮縫間距可達30～100m，機場跑道的伸縮縫間距可達30m.路面及橋面修補，其罩面厚度僅為3～5cm.

　　2.4 鐵路工程

　　在鐵路工程方面，鋼纖維混凝土主要用于預應力鋼纖維混凝土鐵路軌枕、雙塊式鐵路軌枕及搶修鐵路橋面防水保護層中。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數(shù)萬次的振動，所以要求混凝土必須具有較高的強度、較高的抗沖擊性及較大的塑性。這正好利用了鋼纖維混凝土的抗沖擊性及較好的塑性。建成的工程有：沈陽鐵路局長達線維修工程、柳州鐵路局黔桂鐵路鋪設工程、南昆鐵路隧道工程和西安安康鐵路椅子山隧道等工程土。鋼纖維混凝土的應用，使維修工作量大為減少，并提高了線路的使用壽命，效果良好。

　　2.5 港口及海洋工程

　　鋼纖維混凝土在海洋工程中的使用主要是鋼纖維混凝土的腐蝕問題，所以有待進一步研究，但在日本和挪威的使用經驗是令人鼓舞的。日本鋼鐵俱樂部采用鋼纖維混凝土作鋼管樁防腐層，在海水中浸泡10年，鋼纖維混凝土防腐完好，鋼管表面無銹蝕，仍有金屬光澤。挪威將鋼纖維混凝土用于北海海底輸氣管道的隧道襯砌、Forsmark核電站海底核廢料庫的支護、海洋平臺后張預應力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補等。我國江蘇石舀港碼頭的軌道梁工程中也使用了鋼纖維混凝土。