淺談鋼纖維對普通鋼筋混凝土的優(yōu)化和其應(yīng)用

秦亞茹+張曉航

摘要：鋼筋混凝土作為我國建筑的主體材料，它的發(fā)展與改進意味著建筑業(yè)的發(fā)展，因此鋼纖維混凝土的研發(fā)和應(yīng)用受到了很多研究者的注意，隨著研究的深入，對加入鋼纖維的混凝土的應(yīng)用日益廣泛，例如普通鋼纖維混凝土、局部高密度高纖維鋼筋混凝土、超短超細鋼纖維增強混凝土等。在此主要探究鋼纖維混凝土的優(yōu)良性和缺陷，以及局部高密度高纖維鋼筋混凝土優(yōu)異力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土；普通鋼筋混凝土；局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的，以水泥漿、砂漿或混凝土為基體的一種新型復(fù)合材料。

我國用于普通混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋強度達到500N/mm2，然而在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中采用強度為1570~1960N/mm2的高強鋼絲和鋼絞線，據(jù)有效研究表明，中強和高強螺旋肋鋼絲不僅強度高、延性好，適用于大跨度建筑和高強度混凝土高效配合使用，而且與混凝土的粘結(jié)錨固性能也優(yōu)于其他鋼筋?；谶@種把鋼筋向鋼絲轉(zhuǎn)化加強其強度的思想，鋼纖維混凝土這種混合材料也很快被提出來。

1普通鋼筋混凝土

普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性較差，受拉和受彎等構(gòu)件在正常使用時經(jīng)常是帶縫工作，而且隨著使用時間的增長，混凝土裂縫逐漸增大，暴露在空氣中的鋼筋會很快跟空氣中的水，氧氣，二氧化碳，二氧化硫等氣體發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)銹蝕、脆化、疲勞，混凝土中的鋼筋與混凝土之間會出現(xiàn)粘結(jié)錨固作用也逐漸減弱，出現(xiàn)此類情況后，混凝土結(jié)構(gòu)工程往往達不到設(shè)計規(guī)定的使用年限，更嚴重的有可能影響結(jié)構(gòu)安全。因此，為了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用及耐久性要求，在確定構(gòu)件中鋼筋的混凝土保護層厚度，還要采取相應(yīng)的技術(shù)措施和防護措施，加大了施工的難度和影響了施工的進度。對于對裂縫寬度和變形有嚴格要求的構(gòu)件，如果采取增加截面尺寸和用鋼量的方法，一般來說都不經(jīng)濟，特別是荷載或跨度較大時。如果提高混凝土的強度等級，由于抗拉強度提高的少，對構(gòu)件的抗裂性和剛度的效果也不明顯；如果用鋼筋抵抗裂縫，則當混凝土達到極限拉應(yīng)變時，受拉鋼筋的應(yīng)力只有30N/mm2左右。因此，需要對普通鋼筋混凝土改進。

2鋼纖維混凝土

由于鋼纖維在混凝土中亂向分布，因此，鋼纖維阻滯混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而使原來脆性的混凝土材料呈現(xiàn)出很高的抗裂性能并能推遲裂縫的出現(xiàn)，這不僅僅很容易達到建筑結(jié)構(gòu)物對裂縫的要求，而且對其抗拉強度和抗彎、抗剪、抗扭強度等有明顯的改善作用，改善了普通鋼筋混凝土的抗裂性、耐磨性及延性?？估瓘姸雀摺O限延伸率大的鋼纖維可以克服水泥漿、砂漿與混凝土的主要缺點有塑性收縮大、抗拉強度低，極限延伸率小、脆性大，改善水泥砂漿和混凝土的性質(zhì)。除此之外，異性鋼纖維表面粗糙化、截面也成不規(guī)則的形狀，它與混凝土的粘結(jié)錨固能力得到大大的提升，不僅優(yōu)化了鋼與混凝土共同作用的性能，也在一定基礎(chǔ)上節(jié)約了鋼材。近幾十年來，國內(nèi)外對鋼纖維混凝土的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能做出了大量的研究。

鋼纖維對高強混凝土最重要的貢獻就是提高其延性和吸能能力，但是鋼纖維目前的價格還比較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，鋼纖維混凝土的優(yōu)良性能所帶來的材料節(jié)省往往不足以補償鋼纖維加入所引起初始成本的提高，這影響鋼纖維混凝土的發(fā)展和進一步的推廣應(yīng)用，鋼纖維的性能還有待于提高，以及還有一些潛在的問題，需要我們進一步研究，如果能開發(fā)出性能好、價格低的鋼纖維，將會對鋼纖維混凝土的應(yīng)用有很大的幫助。當然，合理對鋼纖維混凝土的回收與處理也是一項艱巨的任務(wù)，我們在研究新材料的同時更要對其廢棄回收處理的方法也要重視。

3局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土

對于普通鋼筋混凝土來說，鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)在混凝土開裂后增大，這也就是說鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)受到很大的損傷。然而局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土的主要優(yōu)勢在于增加開裂彎矩承載力、抗彎剛度和減小裂縫寬度。參考文獻，大概對局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能有著概括的了解：（1）局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土梁的截面平均應(yīng)變基本滿足平截面假定。梁開裂后，隨著截面應(yīng)變的逐漸增大，該截面的受壓區(qū)高度有所增加，但是增量不大，這與普通鋼筋混凝土構(gòu)件開裂后直至鋼筋屈服前中性軸位置相對穩(wěn)定的情形基本是一致的。（2）對于普通鋼筋混凝土梁來說，截面的開裂，中性軸逐漸上移，也就是裂縫逐漸向上延伸，構(gòu)件的剛度就因此下降。局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土梁的中性軸卻始終低于普通鋼筋混凝土，由此可以說明高密度鋼纖維在彎曲構(gòu)件受拉邊緣對其進行局部增強，進而有效的控制構(gòu)件變形，增加剛度。（3）對于局部高密度鋼纖維鋼筋混凝土梁，隨著應(yīng)變的不斷發(fā)展，纖維被逐漸拉出，到達一應(yīng)程度即臨界值之后，纖維應(yīng)力逐漸遞減，克服了普通鋼筋混凝土中鋼筋達到臨界值后拉應(yīng)力高居不下而導(dǎo)致受壓混凝土被壓碎的情況。

4添加鋼纖維的混凝土的應(yīng)用

在大跨度空間結(jié)構(gòu)中，屋面結(jié)構(gòu)的重量是決定建筑造價的主要原因，這使得屋面板的各個截面尺寸受到嚴格的控制，不能通過隨意增加截面尺寸來達到增加結(jié)構(gòu)的剛度，同樣由于尺寸的限制，鋼筋的增加也是不可能的，而且靠增加鋼筋的方法增加鋼筋混凝土的剛度也不經(jīng)濟，因此，以上方法不適用，采用鋼纖維混凝土是最佳的選擇。

在一些大型預(yù)應(yīng)力混凝土彎曲構(gòu)件中，為了保證跨中一段區(qū)域的抗裂度，靠在構(gòu)件全長范圍內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力值，即不經(jīng)濟又有可能降低承載力，而如果保持原預(yù)應(yīng)力值，在預(yù)應(yīng)力梁跨中區(qū)間內(nèi)用結(jié)合預(yù)應(yīng)力和局部高密度鋼纖維混凝土的方法，就可以避免上述問題。

目前，除了建筑類采用鋼纖維混凝土之外，高級公路、機場跑道等交通工程也采用了鋼纖維混凝土道路面，由于機場跑道要承受巨大循環(huán)荷載和沖擊荷載，對路面制作材料要求高，德國則采用了鋼纖維混凝土代替普通鋼筋混凝土并彌補其不足來建造了大型機場跑道。

5結(jié)語

由于鋼纖維的優(yōu)良性能，鋼纖維混凝土在土建工程中很快被廣泛的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，我們也要對鋼纖維更深的研究，開發(fā)出性能更好的鋼纖維，使鋼纖維混凝土的強度、剛度更大，延性更好，拓展鋼纖維混凝土在工程上的應(yīng)用。

參考文獻

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作者簡介：秦亞茹，女，河南永城人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院2011級本科生，土木工程專業(yè)；張曉航，女，河南南陽人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院2011級本科生，土木工程專業(yè)。