鋼纖維混凝土性能研究及其應用現狀

張 建

混凝土是當代應用最廣泛、用量最大的建筑材料,混凝土強度是結構設計和施工的重要依據,普通混凝土因其抗拉強度低、易開裂、脆性大、變形性能差、自重大等因素,在工程中的應用大受限制。采用纖維增強混凝土是混凝土改性的重要途徑之一,因鋼纖維與混凝土的彈性模量比相對較大,化學穩定性好,因此,鋼纖維混凝土是纖維混凝土中性能最好的一種。

1 鋼纖維混凝土的基本組成

鋼纖維混凝土是由水泥、粗骨料、細骨料、水以及亂向分布的鋼纖維組成的一種多相非均質復合材料,加之以必要的外加劑,按一定的比例配制,經凝結、硬化后形成。為簡便起見,我們簡化為鋼纖維、混凝土基體和外加劑組成的三相復合材料。

2 鋼纖維混凝土的基本力學性能

2.1 抗壓強度

鋼纖維對基體混凝土的增強作用并不顯著。加入鋼纖維后,其抗壓強度隨鋼纖維含量的增加略有提高,但增量不大,一般提高幅度在10%以下。鋼纖維長度的選擇與最大石子粒徑關系密切,較大的石子粒徑和較短的鋼纖維會影響鋼纖維在混凝土中的取向與分布,容易造成鋼纖維的局部結團,相當于構成了薄弱截面,此時加入鋼纖維反而會產生不利影響[2],造成鋼纖維與混凝土界面粘結性狀變差,其抗壓強度甚至會比同配比的普通混凝土有所下降[3]。

2.2 抗拉強度

鋼纖維對混凝土劈拉強度的增強效果要比對抗壓強度的增強效果顯著許多。鋼纖維混凝土28 d劈拉強度高于基準混凝土,并隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大。但鋼纖維的加入并不能有效提高混凝土早期劈拉強度。多項試驗研究表明[4],當鋼纖維摻量在1%～2%體積率的范圍內時,相應的混凝土抗拉強度提高40%～80%,并且不同等級的混凝土均呈現類似的規律。

2.3 抗彎強度

鋼纖維混凝土的極限抗彎強度比素混凝土高得多,前者的初裂抗彎強度甚至比后者的極限抗彎強度還要高。試件初裂后,受拉區裂縫寬度隨著荷載的增大而擴大,達到極限強度后,它不像素混凝土那樣突然折斷,而是隨著裂縫寬度的繼續擴大而緩慢卸載。

試驗表明,影響鋼纖維混凝土極限抗彎強度的主要因素有：1)混凝土基體的強度;2)鋼纖維體積含量百分比(P);3)鋼纖維長徑比(l/d);4)鋼纖維與基體間的粘結應力。

2.4 抗沖擊性能

鋼纖維混凝土有著良好的延性和控制混凝土裂縫的能力,其韌性遠遠大于相應素混凝土的韌性。從鋼纖維混凝土及其相應素混凝土泊桑比的實測資料來看,鋼纖維混凝土的泊桑比要比其相應素混凝土大7%左右。隨著鋼纖維含量的增加,鋼纖維混凝土的抗沖擊性能大幅度提高。當鋼纖維含量為1.5%時,其抗沖擊能力提高近7倍。

2.5 其他性能

韌性是衡量塑性變形性能的重要指標,在通常的纖維摻量下,其抗壓韌性可提高2倍～7倍,抗彎韌性可提高幾十倍到上百倍,彎曲沖擊韌性可提高2倍～4倍,板式試件落球(錘)法擊碎試驗所測得的沖擊韌性可提高幾倍到幾十倍。

3 鋼纖維混凝土的作用機理

1)混合定律是將鋼纖維混凝土簡化為由鋼纖維、混凝土基體組成的兩相復合材料,復合材料的各項性能為基體性能和纖維性能的加權和。2)纖維間距理論則認為,鋼纖維混凝土的增強效果與混凝土基體中纖維的平均間距有關,該理論得出了混凝土裂縫尖端應力集中因子與纖維間距的關系[5,6,20,21]。3)劉永勝[7]根據復合材料剪滯理論,從兩相復合材料的界面性能入手,分析了纖維—混凝土基體界面上的應力傳遞,從而從細觀界面力學的角度分析了纖維對混凝土基體的增強機理,是纖維混凝土的增強機理復合材料界面力學的另一依據。

4 鋼纖維混凝土的工程應用

4.1 路橋方面的應用

在路橋工程中使用鋼纖維混凝土,可以使面層厚度減少,伸縮縫間距加長,維修費用降低,加強橋面鋪裝與伸縮縫的連接強度,特別是在重交通荷載作用下,因其能夠減緩開裂速率,裂縫寬度減小,不連續開裂后的延性好,混凝土剝落、坑槽現象很少,有利于橋面和橋梁的使用壽命[8-15]。

針對上述問題,業界提出了新的方向——混雜纖維混凝土,將兩種或者兩種以上不同品質、表面形狀的纖維混合摻加到混凝土基體中,以獲取單摻一種纖維所達不到的性能優勢,從而抑制早期塑性裂縫的產生,限制外力作用下混凝土基體中裂縫的擴展,阻礙混凝土內部微裂縫的發生和擴展,同時改善混凝土的抗滲、抗凍等耐久性能,最終實現高強度與高韌性的雙重目的[9]。

4.2 建筑結構方面的應用

鋼纖維混凝土在建筑工程中主要有以下幾方面的應用[10-18]：

1)鋼筋混凝土框架節點。以1.5%(體積率)的鋼纖維代替1.7%的箍筋,可使抗剪強度提高27%,耗能能力提高28%,主筋粘結滑移降低60%～78%,避免了節點處鋼筋擁擠不易施工的弱點;2)框架結構的抗震加固。采用鋼纖維混凝土折曲斜撐加強的鋼筋混凝土框架,剛度可相應提高2倍～3倍,耗能能力提高2倍,極限荷載下層間位移角大于1/50,具有良好的抗震性能;3)代替增強鋼板。將鋼纖維混凝土用于鋼筋混凝土樁頂,可節省投資40%,在樁尖部位用鋼纖維增強,可使樁的貫入能力提高,錘擊次數減少;4)建筑墻板和屋面。日本已制成珍珠巖鋼纖維混凝土復合墻板。我國目前正在研究用鋼纖維膨脹混凝土做剛性防水屋面,摻1.5%鋼纖維和15%水泥重量的膨脹劑所獲得的自應力混凝土性能良好。

5 問題與建議

1)鋼纖維混凝土的成本相對較高,工程應用還有較大局限。鋼纖維的加入,不僅自身價格比較昂貴,更需要以大幅度增加水泥及其他膠凝材料用量為代價。2)鋼纖維混凝土的生產和施工有待進一步完善和規范。鋼纖維的長度、表面形狀、長徑比、添加數量以及摻入基體混凝土后的施工和易性等,均隨環境條件的不同而改變,這就給生產和施工部門帶來極大不便,完善和規范各種程序勢在必行。3)目前,還沒有完整的鋼纖維混凝土結構理論指導鋼纖維混凝土的設計。

6 結語

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入適量亂向分布的短鋼纖維而形成的一種多相、多組分水泥基體新型復合材料。它克服了混凝土的多項弱點,改善了混凝土的物理、力學性能,已在建筑、路橋、水工、海洋等工程領域得到應用。

鋼纖維混凝土的研究和應用仍然有多方面問題有待解決。其中,如何最大限度地降低其使用成本,建立和完善生產、施工程序,構建合理的結構理論體系,是需要重點研究的方向。

[1] 關 宇.鋼纖維混凝土的組成、特點及應用[J].當代建設,2003(6)：119.

[2] 趙 軍,高丹盈.纖維混凝土研究與應用的探討[J].混凝土,2006(1)：56.

[3] 蘇躍宏,于海霞.鋼纖維混凝土基本性能試驗研究[J].內蒙古工業大學學報,2006,3(25)：227-233.

[4] 章四明.鋼纖維摻量對鋼纖維混凝土強度的影響[J].建筑科學,2008,3(24)：36-38.

[5] 蔡四維.復合材料結構力學[M].北京：人民交通出版社,1987.

[6] 林小松,楊果林.鋼纖維高強與超高強混凝土[M].北京：科學出版社,2002.

[7] 劉永勝.纖維混凝土增強機理的界面力學分析[J].混凝土,2008(4)：34-35.

[8] 胡 虎.鋼纖維混凝土及其在橋面鋪裝中的應用[J].湖南交通科技,2000,4(26)：43-44.

[9] 郭 慧,劉曉波.當今路橋混凝土研究熱點[J].黑龍江水利科技,2008,3(36)：76.

[10] 趙國藩,黃承逵.鋼纖維混凝土的性能和應用[J].工業建筑,1989(10)：2-9.

[11] 序根池.建筑工程中鋼纖維混凝土技術芻議[N].科技創新導報,2008-03-07.

[12] 齊 陽.纖維混凝土應用淺析[J].國外建材科技,2006,3(27)：40-42.

[13] 包曉東,陳海學,唐希峰.鋼纖維混凝土的性能研究及應用[J].石家莊鐵道學院學報,2004(S1)：35-36.

[14] 劉 智.淺議鋼纖維混凝土的性能機理與工程應用[J].山西建筑,2008,34(19)：161-162.

[15] 張俊晃.鋼纖維混凝土的基本性能及工程應用[J].建筑科學,1997(2)：47-51.

[16] 張紅州,劉 鋒,李麗娟,等.纖維混凝土的研究與應用現狀[J].新型建筑材料,2003(6)：12-15.

[17] 李小滿.鋼纖維混凝土在民建結構中的應用[J].建筑技術與應用,2003(6)：47-48.

[18] 曾曉文,張詠梅.纖維混凝土在土木工程中的應用[J].山西建筑,2005,31(24)：155-156.

[19] 楊文科,韓民倉.關于我國當前纖維混凝土研究與使用中的問題和誤區[J].混凝土,2004(7)：37-39.

[20] 趙國藩,彭少民,黃承逵.鋼纖維混凝土結構[M].北京：中國建筑工業出版社,1999.

[21] 高丹盈,劉建秀.鋼纖維混凝土基本理論[M].北京：科學技術文獻出版社,1994.