高強度鋼纖維混凝土的應(yīng)用

張繼承

（河南省新鄉(xiāng)市公路管理局，河南 新鄉(xiāng) 453003）

剛纖維混凝土作為一種新型結(jié)構(gòu)混凝土，其優(yōu)越的使用性能被越來越多的工程所采用，本文結(jié)合本地環(huán)宇立交橋C50剛纖維砼配比設(shè)計施工經(jīng)驗全面闡述了剛纖維混凝土的增強機理，及施工特點和注意事項。

剛纖維混凝土；性能；配合比設(shè)計施工

近年來，國家對公路基礎(chǔ)設(shè)施的投資很大，全國各地都興起修建高等級公路的熱潮，目前在公路橋梁的建設(shè)中混凝土橋面破損非常嚴(yán)重，不但影響正常交通而且不利于安全。70年代以來，國外已采用鋼纖維混凝土鋪修橋面，對于提高橋面層的抗裂性，耐磨性和減少維修工作量都有很大好處。我國從80年代開始陸續(xù)用鋼纖維混凝土修筑橋面也取得了很好的效果。鋼纖維混凝土作為一種新型的材料逐漸重視起來。鋼纖維混凝土就是將適量的碳鋼纖維均勻的摻入到普通混凝土中形成的。鋼纖維混凝土的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的建筑材料工藝產(chǎn)生深刻的變化。

1 剛纖維混凝土特點

鋼纖維混凝土的特點是抗裂，抗拉，抗彎，抗剪，耐磨性能，疲勞強度和抗凍融性能均較普通砼有大幅提高。用鋼纖維混凝土鋪設(shè)公路路面或機場跑道，廠房地面等，可使厚度減薄一半，并使接縫間距延長數(shù)倍至十倍，且壽命大大增加。使用鋼纖維混凝土同時免去盤條和金屬網(wǎng)配筋，不僅節(jié)約鋼材而且混凝土質(zhì)量更加可靠。

2 鋼纖維混凝土的增強機理

目前對于混凝土中均勻而任意分布的短纖維對混凝土的增強機理存在著兩種不同的理論解釋。其一為美Romualdi提出的“纖維間距機理”；其二為英國的Swamy,mangat等人提出的“復(fù)合材料機理”。

2.1 纖維間距機理

這一機理是：根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來說明纖維對于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。認為在混凝土內(nèi)部原來就存在缺陷，欲提高這種材料強度，必須盡可能的減少缺陷的程度，提高韌性，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。

假定纖維在拉力方向呈棋盤分布（間隔S），裂縫（半徑a）存在于4根纖維所圍住的中心時，由于拉伸應(yīng)力所引起的粘結(jié)應(yīng)力分布（τ），產(chǎn)生于和纖維相鄰近的裂縫端部附近處，起著約束裂縫開展的作用。如果沒拉伸應(yīng)力引起的內(nèi)部裂縫端部應(yīng)力集中系數(shù)Kδ，而與裂縫端部相鄰近的粘結(jié)應(yīng)力分布τ產(chǎn)生的具有相反意義的，起約束作用的應(yīng)力集中系數(shù)為Kf則總的應(yīng)力系數(shù)Kt將減少，即：Kt=Kδ-Kf

所以初裂縫強度得以提高?？梢姡瑔挝幻娣e內(nèi)的纖維數(shù)（n）越多亦即纖維間距越小，強度提高的效果也就越好。

為了證實混凝土的初裂強度受纖維間距支配，Romuldi等人還做了相應(yīng)的試驗，實驗結(jié)果同理論推導(dǎo)是比較接近的。理論推算和試驗結(jié)果都表明在一定的纖維體積含量時，可以認為抗拉強度近似地同纖維間距成比例關(guān)系。

纖維間距機理假定，纖維和基體間的粘結(jié)是完善的，這和事實有出入。間距的概念一旦超出了比例極限就不再成立，因而還不是很完美的理論。

2.2 復(fù)合材料機理

這一機理的理論出發(fā)點是復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理。將纖維增強混凝土看作是纖維強化體系，并應(yīng)用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度。

在基體和纖維完全粘結(jié)的條件下，并在基體和連續(xù)纖維構(gòu)成的復(fù)合體上施加拉伸力時，該復(fù)合體的強度是由纖維和基體的體積比和應(yīng)力所決定。

3 原材料質(zhì)量要求

鋼纖維表面應(yīng)潔凈無銹無油，保證鋼纖維與混凝土的粘結(jié)強度。另外不允許因分散不均而相互粘結(jié)成團。尺寸和抗拉強度應(yīng)符合技術(shù)要求。

不得采用海水，海沙，嚴(yán)禁摻加氯鹽。粗骨料粒徑不宜大于20mm和鋼纖維長度的2/3。

外加劑宜選用優(yōu)質(zhì)減水劑，對抗凍性有要求的鋼纖維混凝土宜選用引氣型減水劑。

水泥，骨料，水，外加劑和混合材料應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》中的關(guān)規(guī)定。

4 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計

鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的抗壓強度與抗折強度，以及施工中要求的和易性。在某些條件下還應(yīng)滿足對抗凍，抗?jié)B性，耐腐蝕性或耐沖刷性等項要求。

根據(jù)強度標(biāo)準(zhǔn)值或設(shè)計值以及施工配置強度提高系數(shù)確定試配抗壓強度和抗折強度。按試配抗壓強度計算水灰比，一般不大于0.50，水泥用量不大于500公斤。根據(jù)試驗抗折強度，按規(guī)定計算或通過已有資料確定鋼纖維體積率。根據(jù)施工要求的稠度通過試驗或已有資料確定單位體積用水量，如摻用外加劑應(yīng)考慮外加劑的影響。根據(jù)試驗或有關(guān)資料確定合理砂率，一般選用50%左右，使用時根據(jù)所用材料的品種規(guī)格，纖維體積率，水灰比等適量調(diào)整。按絕對體積法或假定質(zhì)量密度法計算材料用量確定試驗配合比。按試配配合比進行拌和物性能試驗，調(diào)整單位體積用量和砂率，確定強度試驗用基準(zhǔn)配合比。

5 鋼纖維混凝土的拌和

宜采用機械拌和。當(dāng)鋼纖維體積率高，拌和物稠度較大時，攪拌機一次拌和量不大于其額定拌和量的80%。

各種材料的重量計量準(zhǔn)確，稱量偏差在允許范圍內(nèi)。

攪拌的投料次序和方法應(yīng)以攪拌過程中鋼纖維不結(jié)團，不產(chǎn)生彎曲或折斷，不因拌和機超負荷而停止運轉(zhuǎn)，出料口不堵塞為原則。宜選用將鋼纖維，水泥，粗細骨料先干拌而后加水濕拌的方法。

鋼纖維混凝土的攪拌時間應(yīng)通過現(xiàn)場攪拌試驗確定，并比應(yīng)該普通混凝土規(guī)定的攪拌時間延長1～2min,采用先干拌后濕拌的拌和試驗時，干拌時間不宜小于1.5min。

6 鋼纖維混凝土的運輸，澆筑和養(yǎng)護

混凝土在運輸?shù)臅r候應(yīng)縮短運輸時間，運輸過程中避免拌和物離析；鋼纖維混凝土的澆筑方法應(yīng)保證鋼纖維分布均勻性和結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在一個規(guī)定連續(xù)澆筑區(qū)域內(nèi)，澆筑施工過程不得中斷拌和料從攪拌機卸出到澆筑完畢時間不宜超過30min；鋼纖維混凝土應(yīng)采用機械振搗，不得采用人工振搗，所采用的振搗機械和振搗方法除應(yīng)保證混凝土密實度外，尚應(yīng)保證鋼纖維分布均勻。

7 鋼纖維混凝土的質(zhì)量控制

鋼纖維混凝土的質(zhì)量檢驗除應(yīng)對原材料配合比施工主要環(huán)節(jié)按現(xiàn)行有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與驗收規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行外，尚應(yīng)檢驗下列項目：對鋼纖維進行質(zhì)量檢驗。鋼纖維的稱量每一工班至少檢驗二次；同時應(yīng)采用水洗法在澆筑地點取樣檢測鋼纖維體積率，每工作班至少二次；水洗法檢驗鋼纖維體積率的誤差不應(yīng)超過配合比要求的鋼纖維體積率的±15%。取樣制作抗壓，抗折強度標(biāo)準(zhǔn)試件，坍落度不大于50mm的鋼纖維混凝土用震動臺振實；大于50mm的用木槌振實?？箟涸噳K采用邊長150mm的立方體為標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天測定其抗壓強度，抗折試件采用150m×150mm×550mm的標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，在齡期達90天時進行測試。

8 鋼纖維混凝土在公路工程中的應(yīng)用

2002年在新鄉(xiāng)市新輝特大立交橋工程中，橋面伸所縫處采用C50鋼纖維混凝土。我們嚴(yán)格按照設(shè)計文件和規(guī)定要求，選用黑龍江慶安鋼鐵廠生產(chǎn)的熔抽型碳鋼纖維；天津薊縣產(chǎn)1～2cm石灰?guī)r碎石；天津薊縣產(chǎn)河砂（細度模數(shù)2.7）；天津華聯(lián)外加劑廠生產(chǎn)的“永強”牌TD-10減水防凍劑，唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的“盾石”525普硅水泥，經(jīng)過反復(fù)的試驗最后確定了用于橋面伸縮縫的C50鋼纖維混凝土配合比。

在橋面伸縮縫施工過程中嚴(yán)格按照配合比控制原材料質(zhì)量攪拌，振搗和澆筑全部按規(guī)范要求進行施工，取得了很好的效果。經(jīng)過工程施工的檢驗，能夠滿足設(shè)計的要求。

9 結(jié)束語

鋼纖維混凝土雖有很多的優(yōu)點，但在應(yīng)用上還是受到一定的限制。如施工和易性較差，攪拌和振搗時會發(fā)生纖維成團或折斷等問題，粘結(jié)性能也有待進一步改善。但是，價格貴亦是影晌鋼纖維推廣使用的一個重要因素，鋼纖維的制造價格也將隨著生產(chǎn)方法的改善和技術(shù)設(shè)備的更新而不斷降低。但我們完全有理由相信，在不久的將來，鋼纖維混凝土一定會在國外更多的應(yīng)用范圍內(nèi)顯示出強大的優(yōu)越性。

[1]鄧宗才.輕骨料高強度鋼纖維混凝土的力學(xué)特性.山東建材學(xué)院學(xué)報.1997-03-30