鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響及其在工程中的應(yīng)用

(河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000)

引言

混凝土作為建筑工程中重要的復(fù)合材料，固有的特點(diǎn)就是抗拉性能低，韌性差，普通的鋼筋混凝土可以滿足大部分工業(yè)與民用建筑，在加入特定外加劑后也能滿足某些特殊工程。但由于一些大跨結(jié)構(gòu)、橋梁道路和防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的韌性、抗拉、抗剪、抗裂性能都有較高的要求，所以通過(guò)加入纖維來(lái)增強(qiáng)混凝土的性能就成為一種重要方式。近年發(fā)展起來(lái)的鋼纖維混凝土性能優(yōu)良，鋼纖維摻入混凝土基體后，顯著地改善了混凝土的抗拉性能、抗彎性能、抗沖擊性能、抗疲勞性能，并提高了混凝土的韌性和控制裂縫開(kāi)展的能力。目前已廣泛地應(yīng)用于隧道、路面、機(jī)場(chǎng)跑道，橋梁結(jié)構(gòu)和鐵路軌枕，水工建筑物，港口與海洋工程，建筑結(jié)構(gòu)以及耐火工程等各項(xiàng)實(shí)際工程中。由于如今對(duì)鋼纖維混凝土性能的研究成果比較分散，因此歸納了鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響機(jī)理以及一些應(yīng)用了鋼纖維混凝土的工程。

一、鋼纖維混凝土的發(fā)展

纖維對(duì)混凝土性能影響的研究始于本世紀(jì)60年代，J.P.Romualdi等人首先進(jìn)行了一系列關(guān)于鋼纖維對(duì)混凝土裂縫約束作用的試驗(yàn)研究，進(jìn)而在斷裂分析的基礎(chǔ)上提出了纖維間距理論，此理論將鋼纖維與混凝土結(jié)合的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。

我國(guó)對(duì)鋼纖維混凝土的研究始于70年代，大連理工大學(xué)趙國(guó)藩教授根據(jù)斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)出了亂向分布下的混凝土抗拉強(qiáng)度公式，并進(jìn)一步分析了鋼纖維對(duì)混凝土性能影響的機(jī)理和鋼纖維混凝土的破壞過(guò)程及破壞形態(tài)。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維混凝土性能的研究一直在進(jìn)行，但由于研究成果單一分散且沒(méi)有系統(tǒng)性的總結(jié)歸納，使得在鋼纖維混凝土復(fù)雜應(yīng)力加載和疲勞性、韌性等方面仍缺少深入的研究。

二、鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響

(一)鋼纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響機(jī)理分析。鋼纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度受骨料最大粒徑、水灰比、鋼纖維的取向和分布等因素的影響，現(xiàn)常用劈拉試驗(yàn)來(lái)測(cè)定其抗拉強(qiáng)度。當(dāng)基體的骨料最大粒徑和水灰比變化不大時(shí)，其劈拉強(qiáng)度主要與鋼纖維的體積率和長(zhǎng)徑比有關(guān)，纖維體積率和長(zhǎng)徑比統(tǒng)稱為纖維含量特征參數(shù)，劈拉強(qiáng)度隨纖維含量特征參數(shù)的增大而增高；當(dāng)鋼纖維體積率和長(zhǎng)度不變時(shí)，纖維直徑越小，試件的劈拉強(qiáng)度越高。試驗(yàn)證明：鋼纖維混凝土試件的極限荷載、初裂荷載和韌性均隨著鋼纖維體積率的增大而增加。

(二)鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)理分析。鋼纖維混凝土可視為由多種分散相和基相組成的多相復(fù)合材料，所以其力學(xué)性能主要與分散相、基相以及二者結(jié)合的結(jié)合面的力學(xué)性能有關(guān)。澆筑混凝土?xí)r由于其泌水作用和干燥時(shí)水泥砂漿的干燥收縮，導(dǎo)致結(jié)合面產(chǎn)生細(xì)小的裂縫，即骨料截面的粘結(jié)裂縫，當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)，裂縫便從結(jié)合面延伸到外表面，形成宏觀裂縫。軸壓試驗(yàn)表明，由鋼纖維混凝土內(nèi)部眾多結(jié)合面裂縫尖端引起的應(yīng)力集中是混凝土開(kāi)裂的根本原因，根據(jù)裂縫的發(fā)展程度，可將這一過(guò)程分為四個(gè)階段：彈性階段、裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂縫失穩(wěn)階段、纖維拔出階段,對(duì)應(yīng)的破壞也可分為四級(jí)：混凝土破壞、砂漿破壞、硬化水泥漿體解體破壞、纖維拔出破壞。分析可知只有當(dāng)試件達(dá)到抗壓極限，且裂縫擴(kuò)展到水泥中時(shí)，鋼纖維的增強(qiáng)作用才得以發(fā)揮，因此鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高不明顯，只是在很大程度上改善了抗壓承載力。

(三)鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響機(jī)理分析。素混凝土梁“一裂即斷”，因此近似認(rèn)為梁的極限抗折強(qiáng)度是梁的抗折初裂強(qiáng)度。但對(duì)于鋼纖維混凝土，試驗(yàn)過(guò)程中鋼纖維混凝土梁在出現(xiàn)裂縫后仍具有一定的抗折強(qiáng)度，因此抗折初裂強(qiáng)度并不能代表極限抗折強(qiáng)度，這主要是因?yàn)殇摾w維的阻裂作用和邊壁效應(yīng)延長(zhǎng)了梁的斷裂時(shí)間，同時(shí)鋼纖維的長(zhǎng)徑比、體積率和基體混凝土的性能對(duì)此也有或多或少的影響，他們對(duì)抗折強(qiáng)度的影響與對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響極為相似，只是增強(qiáng)程度不同。研究表明當(dāng)鋼纖維體積摻量達(dá)到1%～2%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度將增大60%～120%。

(四)鋼纖維對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)理分析。剪切試驗(yàn)表明，在鋼纖維混凝土試件破壞前，裂縫首先出現(xiàn)在承載面中部，隨著荷載的增加，裂縫開(kāi)始向兩端延伸，直至貫穿整個(gè)受力面。與普通混凝土試件相比，鋼纖維混凝土試件內(nèi)部在發(fā)生錯(cuò)動(dòng)破壞后，仍能繼續(xù)承受荷載，隨著荷載的增大，鋼纖維被逐漸拔出，試件的承載能力逐漸降低，其破壞屬于韌性破壞。影響鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度的因素與影響抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的因素大致相同，而且影響的程度和規(guī)律也相近。經(jīng)雙面直接剪切試驗(yàn)證明，當(dāng)加入的鋼纖維體積率在1%～2%時(shí)，混凝土抗剪強(qiáng)度增加的最明顯，即提高50%～100%。

(五)鋼纖維對(duì)鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響。粘結(jié)強(qiáng)度由鋼筋與混凝土的膠結(jié)力和摩擦力組成，若使用光圓鋼筋，則由于光圓鋼筋表面光滑，鋼纖維的阻裂作用在鋼筋拔出過(guò)程中并不能起到作用，即光圓鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度與普通混凝土無(wú)異；若使用異形鋼筋如帶肋鋼筋，由于鋼筋表面肋的凸起增強(qiáng)了與混凝土基體的摩擦力和機(jī)械咬合力，同時(shí)鋼纖維發(fā)揮了阻裂作用，從而使粘結(jié)強(qiáng)度提高。所以，鋼纖維的體積率不能決定粘結(jié)強(qiáng)度的大小，產(chǎn)生決定性作用的是鋼筋的類型。

三、鋼纖維混凝土的應(yīng)用

浙江省開(kāi)化縣齊溪水電站隧洞采用了噴射鋼纖維混凝土作為襯砌材料，由于鋼纖維混凝土的抗剪、抗折以及韌性都遠(yuǎn)高于普通混凝土，所以噴射厚度從500毫米減少到60毫米，從而在保證質(zhì)量的前提下大大減小噴射厚度，降低了成本的投入。

礦場(chǎng)經(jīng)常通過(guò)爆破來(lái)采礦，所以對(duì)混凝土的抗沖擊性和韌性要求較高。在南京梅山鐵礦一段工程地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜的礦洞中采用噴射鋼纖維混凝土進(jìn)行隧洞洞壁的加固，其后經(jīng)過(guò)多達(dá)20次采礦爆破的考驗(yàn)，雖出現(xiàn)了裂縫，但并未發(fā)生脫落。

上海虹橋機(jī)場(chǎng)高架車(chē)道路面原設(shè)計(jì)采用90毫米厚的瀝青混凝土鋪設(shè)，鑒于鋼纖維混凝土優(yōu)越的抗折性和韌性，經(jīng)討論研究后改用100毫米的鋼纖維混凝土代替瀝青混凝土，該高架路面至今仍完好如初。

三峽工程中的樂(lè)天溪特大橋因在對(duì)某些受拉區(qū)部位設(shè)計(jì)時(shí)抗裂驗(yàn)算安全系數(shù)取值較小，難以滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到鋼纖維混凝土具有高抗裂性和抗拉性，于是在連續(xù)梁的兩端點(diǎn)約6米范圍內(nèi)梁的支點(diǎn)處箱梁上部和跨中箱梁下部采用體積率為1.5%的鋼纖維混凝土澆筑?？⒐ず?，通過(guò)動(dòng)靜荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

大量的工程表明鋼纖維混凝土能減少裂縫的產(chǎn)生，節(jié)省維修的成本以及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，極適合一些耐磨要求高，頻繁遭受較大沖擊力的工程?，F(xiàn)如今鋼纖維混凝土正與裝配式建筑結(jié)合起來(lái)，相信不久的將來(lái)，鋼纖維混凝土能得到更廣泛的應(yīng)用。