礦山工程建筑結構鋼纖維混凝土的應用探析

張熙

長沙礦冶研究院有限責任公司 湖南長沙 410000

近幾年我國的經濟發展非常迅猛，經濟總量在不斷的增長，建筑業也呈現出了非常光明的發展前景。我國國內大量的礦山工程，普遍都有建設大量的生產車間之類的建構筑物。這些建構筑物在進行建設時，由于地理位置上較為偏遠，并且大部分都是露天作業，施工環境較為惡劣；礦山投產使用后，比如，在生產車間中的一些重要設備平臺，由于其長時間的承受設備的振動荷載，導致其鋼筋混凝土結構出現開裂、鋼筋保護層剝離等現象；又例如車間內大量的粉塵、腐蝕性氣體、液體介質的環境，對混凝土的耐久性都提出了更高的要求。這些不利因素都影響著建構筑物使用壽命?？梢詮母纳平ㄖ牧系奶匦赃@方面入手，在有限的環境當中選擇更為合適的建筑材料，以提高建構筑物的使用壽命。

1 鋼纖維混凝土的基本含義和基本構成

1.1 鋼纖維混凝土的基本含義

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。它是近些年來發展起來的一種性能優良且應用廣泛的復合材料。

本研究首先將概括材料的基本含義和特征，鋼纖維混凝土，在學術理論上，稱為纖維增強混凝土，是一種復合材料，以水泥凈漿、砂漿等作為基材，將短纖維和長纖維增強材料所組成的水泥基復合材料，短纖維是非連續的，長纖維則是連續的。在每一個單位面積的纖維混凝土中，會混合著數以萬計的纖維，這些纖維可以遍布到材料中的各個部分，則會使得整體材料呈現出延性大的勻質材料特征。

1.2 鋼纖維混凝土的基本構成

鋼纖維混凝土是在混凝土當中，適量的加入鋼纖維。鋼纖維加入到拌合物當中則會改善材料的力學性能，分別為以下幾個方面：抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能等。之所以能夠在上述的幾個方面當中提升性能，原因是由于加入了鋼纖維之后，混凝土當中的鋼纖維均勻分布，極大的擴寬了混凝土和鋼纖維之間的接觸面，接觸面積的增大使得其具有各項同性的增強，并且讓混凝土在各個方向上都可以得到強度的增大，所以其作為一種復合材料可以很好的提升韌性和抗沖擊性。不同于普通的鋼筋混凝土，參入的鋼纖維的體積率和長徑比一定程度上影響了其與混凝土的粘結強度，因此其抗拉和抗彎強度表現也不同。

2 鋼纖維混凝土應用的作用機制探討

2.1 鋼纖維與混凝土的粘結性能

鋼纖維與基體界面的粘結程度直接影響著纖維能否發揮其作用，如果粘結程度不強，則會導致鋼纖維混凝土不能有效提高性能，如果粘結程度較高，通過兩者的相鄰界面傳遞給纖維，使得鋼纖維混凝土能夠起到增強抗彎性和抗沖擊性作用。

目前采用試驗方法來研究鋼纖維與混凝土結構之間的粘結強度，試驗方法為直接拉拔法。采用“8”字形試件制作模具，在試件的中部放置厚度為0.5-1mm 的塑料隔板，隔板上開4 個孔放置鋼纖維，鋼纖維間距為15mm，每組5 個試件。養護28 天后，在液壓伺服試驗機上做拔出試驗。對試件連續均勻的加載，同時記錄位移-荷載曲線，直到鋼纖維完全拔出時結束。

混凝土基體與鋼纖維的界面粘結強度的定義是：基體界面與鋼纖維之間，沿纖維徑向的單位面積的粘結力，其公式為：

各符號定義分別為：

ffu-鋼纖維與混凝土界面粘接強度（Mpa）；

Ffu-鋼纖維拔出時的最大荷載（N）；

n-鋼纖維的埋入數量；

uf-鋼纖維橫截面周長（mm）；

lfe-鋼纖維的埋入長度（mm）。

2.2 各類型鋼纖維混凝土抗拉強度

為了防止鋼纖維不被拉斷，防止鋼纖維混凝土不被遭到破壞，就需要不斷的提高強度和韌性，將不會輕易斷裂的鋼材作為備選材料，其具備的纖維則可以在一定程度上滿足結構要求，在各類的鋼纖維當中，抗拉強度由強到弱進行相應排序，依次分別為切斷鋼纖維，剪切鋼纖維，切削鋼纖維，熔融抽絲鋼纖維，其中切斷鋼纖維的抗拉強度為2350MPa。

3 鋼纖維在混凝土發揮作用的影響因素

根據國標《鋼纖維混凝土JG/T472-2015》，給出了鋼纖維混凝土軸心抗拉強度標準值的計算公式：

及鋼纖維混凝土彎拉強度標準值的計算公式：

3.1 鋼纖維混凝土中纖維的纖維配向對其力學性能的影響

纖維混凝土其具有的抗拉強度，與所用纖維和混凝土的分布相關。既要選用抗拉強度高的纖維，也要選擇在分布和配向上于混凝土相一致的纖維。在對于纖維配筋的方面，首先我們需要考慮鋼纖維的在混凝土中的分布情況，這種方式主要是注重配向，另一方面則是按照受力的方向進行定向分布。在纖維的配向系數上，一維配向的系數在應力與纖維方向相互平行的情況下是100%，在相互垂直的情況下是0；二維配向平面分散的情況下系數是63.7%；三維配向鋼纖維體積分散，則系數約40.5%。可以看出，三維要比二維效果要縮減，也就是平面分散的要比體積分散效果好。

3.2 鋼纖維的長度和粗細程度對其力學性能的影響

進一步分析鋼纖維的長度和直徑，對鋼纖維混凝土性能的影響。參照之前的公式（3），鋼纖維的 ff dl / （長徑比）是與鋼纖維混凝土的強度成正比的，鋼纖維長徑比增大則SFRC 的抗拉及抗彎強度均增大。但是這種增長是有極限的[3]，隨纖維長度或者直徑的提高，鋼纖維砼的抗拉強度逐漸降低，但還是顯著高于素混凝土。建議在混凝土中摻入直徑0.4mm、長徑比100 左右的鋼纖維，此時混凝土的抗彎強度較大，韌性好。

3.3 鋼纖維的在混凝土中的體積率對其力學性能的影響

國標《鋼纖維混凝土JG/T472-2015》規定鋼纖維體積率不應小于0.35%，參照之前的公式（3），鋼纖維的體積率 fρ 是與鋼纖維混凝土的強度成正比的，鋼纖維體積率增大則SFRC 的抗拉及抗彎強度均增大[4]。添加鋼纖維到混凝土中，砼的劈裂抗壓強度會有顯著的增加，當 fρ =1.5%時，能夠比同等級普通混凝土提升約33%。但是之后再提高其體積率，提升的效果不再如此明顯。

4 礦山工程鋼纖維混凝土的實際應用情況

我國在鋼纖維增強混凝土實踐和研究當中，經過了技術的改進，積累了一定的實踐經驗，現有的產品抗彎曲承載力已經達到了16MPa，抗壓為105MPa 左右。

在實際的材料運用當中，鋼纖維混凝土常用做道路鋪設，飛機跑道建設，火車隧道鋪設等大型工程方面；在礦山工程的相關生產建構筑物中，主要應用在如牛腿，倉筒結構，水池、重要設備平臺的梁柱節點，帶振動篩的鋼筋砼平臺、承受沖擊荷載的礦倉或者需要驗算疲勞的吊車梁等，都可以運用到鋼纖維混凝土，可以在最大程度上阻礙混凝土的內部和外部的裂縫擴展，提高其耐久性。這說明鋼纖維混凝土應用非常廣泛，并具有重要的地位。

位于湖北省大冶市的某鐵選礦廠的粗碎-篩分車間，建于20世紀80 年代，原設計車間內有一礦倉的有效容積約為101m3，高度約為5.65m。其粗碎車間的礦倉的內壁由于常年承受鐵礦石的沖擊作用，內壁混凝土表面出現了明顯裂縫及露筋，若不及時修補勢必影響今后的安全及使用。鑒于礦倉內壁鋪裝損毀嚴重，為了延長其使用壽命，必須對其進行加固維修。

傳統的加固修補方法為，鑿毛礦倉內壁表面的混凝土并重新鋪裝一層130mm 厚的普通鋼筋混凝土，并在新鋪裝混凝土內壁所有表面每隔300mm 左右預埋通長的-100x10mm 厚鋼板，再在其上面焊接22kg/m 的軌道，以達到抵抗礦石的沖擊和耐摩的作用。傳統的方法缺點主要是成本較高，施工比較麻煩，工序較多，有大量焊接作業，需要做預埋件，這樣導致施工周期較長，更重要的是影響選廠的正常生產工作。

于是采取了鋪裝一層CF40 強度鋼纖維混凝土加固維修的方法。對原礦倉內壁表面的混凝土進行鑿毛處理，不損害原來倉內的鋼筋，清洗干凈后，在內壁重新鋪裝一層CF40 強度鋼纖維砼，厚度為120mm，施工工藝為噴射鋼纖維混凝土。該方法施工工序簡單，避免了預埋及焊接作業，節約了成本及工期，僅用3 天就完成了全部施工過程。經過計算校核該部分新增荷載，表明其對原結構梁柱基礎不產生影響。該鋼纖維混凝土采用C40強度混凝土并參入1.5%含量鋼纖維，鋼纖維品種為高強鋼絲切斷型，外形為端勾形。在施工過程中進行現場取樣，經過28 天的養護，測出其抗折強度比同等級的普通混凝土提高了38.91%，抗壓強度提高了7.93%。經過接近一年的對該礦倉內壁的記錄和調查，并無發現新增鋼纖維砼面層的明顯的開裂、摩損現象。目前已經使用了約4 年，產生了良好經濟效果和使用效果。

5 結語

綜上所述，我們可以看出，鋼纖維混凝土其與普通的混凝土相比，性能有了明顯的的提高。鋼纖維混凝土的抗拉，抗彎和抗剪等強度有顯著提高，同時還具有較好的抗沖擊韌性，抗疲勞性及耐久性.鋼纖維在混凝土中發揮的作用主要有以下三個方面：阻裂，增強，增韌。所以，在礦山工程鋼纖維混凝土的應用問題非常重要，優質的鋼纖維混凝土有利于提高礦山工程中建筑結構的的耐久性和使用壽命。但是在現階段的實際運用當中，鋼纖維混凝土配合比成為應用的主要難題之一，要實現鋼纖維在混凝土中的增強效果，一是提高鋼纖維的長徑比，二是提高鋼纖維與基體之間的粘結強度。但是長徑比過大，鋼纖維混凝土的施工性能就變得非常差，商品混凝土和易性降低，還會產生纖維結球現象，破壞拌合物的均勻性，進而影響鋼纖維混凝土的性能。所以，鋼纖維混凝土的生產和使用，既需要相關的專業理論，又需要相關成熟的生產施工工藝。如何完善礦山工程建筑結構鋼纖維混凝土的應用體系和相關行業標準，也是值得研究的課題。