礦山工程建筑結(jié)構(gòu)鋼纖維混凝土的應(yīng)用探析

張熙

長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司 湖南長沙 410000

近幾年我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅猛，經(jīng)濟(jì)總量在不斷的增長，建筑業(yè)也呈現(xiàn)出了非常光明的發(fā)展前景。我國國內(nèi)大量的礦山工程，普遍都有建設(shè)大量的生產(chǎn)車間之類的建構(gòu)筑物。這些建構(gòu)筑物在進(jìn)行建設(shè)時，由于地理位置上較為偏遠(yuǎn)，并且大部分都是露天作業(yè)，施工環(huán)境較為惡劣；礦山投產(chǎn)使用后，比如，在生產(chǎn)車間中的一些重要設(shè)備平臺，由于其長時間的承受設(shè)備的振動荷載，導(dǎo)致其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、鋼筋保護(hù)層剝離等現(xiàn)象；又例如車間內(nèi)大量的粉塵、腐蝕性氣體、液體介質(zhì)的環(huán)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(gòu)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(huán)境當(dāng)中選擇更為合適的建筑材料，以提高建構(gòu)筑物的使用壽命。

1 鋼纖維混凝土的基本含義和基本構(gòu)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(fù)合材料。它是近些年來發(fā)展起來的一種性能優(yōu)良且應(yīng)用廣泛的復(fù)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(xué)術(shù)理論上，稱為纖維增強(qiáng)混凝土，是一種復(fù)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(qiáng)材料所組成的水泥基復(fù)合材料，短纖維是非連續(xù)的，長纖維則是連續(xù)的。在每一個單位面積的纖維混凝土中，會混合著數(shù)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(xiàn)出延性大的勻質(zhì)材料特征。

1.2 鋼纖維混凝土的基本構(gòu)成

鋼纖維混凝土是在混凝土當(dāng)中，適量的加入鋼纖維。鋼纖維加入到拌合物當(dāng)中則會改善材料的力學(xué)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(dāng)中提升性能，原因是由于加入了鋼纖維之后，混凝土當(dāng)中的鋼纖維均勻分布，極大的擴(kuò)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(qiáng)，并且讓混凝土在各個方向上都可以得到強(qiáng)度的增大，所以其作為一種復(fù)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(jié)強(qiáng)度，因此其抗拉和抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)也不同。

2 鋼纖維混凝土應(yīng)用的作用機(jī)制探討

2.1 鋼纖維與混凝土的粘結(jié)性能

鋼纖維與基體界面的粘結(jié)程度直接影響著纖維能否發(fā)揮其作用，如果粘結(jié)程度不強(qiáng)，則會導(dǎo)致鋼纖維混凝土不能有效提高性能，如果粘結(jié)程度較高，通過兩者的相鄰界面?zhèn)鬟f給纖維，使得鋼纖維混凝土能夠起到增強(qiáng)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(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)強(qiáng)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(yǎng)護(hù)28 天后，在液壓伺服試驗機(jī)上做拔出試驗。對試件連續(xù)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(jié)束。

混凝土基體與鋼纖維的界面粘結(jié)強(qiáng)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(jié)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(qiáng)度（Mpa）；

Ffu-鋼纖維拔出時的最大荷載（N）；

n-鋼纖維的埋入數(shù)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(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)要求，在各類的鋼纖維當(dāng)中，抗拉強(qiáng)度由強(qiáng)到弱進(jìn)行相應(yīng)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(qiáng)度為2350MPa。

3 鋼纖維在混凝土發(fā)揮作用的影響因素

根據(jù)國標(biāo)《鋼纖維混凝土JG/T472-2015》，給出了鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式：

及鋼纖維混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式：

3.1 鋼纖維混凝土中纖維的纖維配向?qū)ζ淞W(xué)性能的影響

纖維混凝土其具有的抗拉強(qiáng)度，與所用纖維和混凝土的分布相關(guān)。既要選用抗拉強(qiáng)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(jìn)行定向分布。在纖維的配向系數(shù)上，一維配向的系數(shù)在應(yīng)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(shù)是63.7%；三維配向鋼纖維體積分散，則系數(shù)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(xì)程度對其力學(xué)性能的影響

進(jìn)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(qiáng)度成正比的，鋼纖維長徑比增大則SFRC 的抗拉及抗彎強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能的影響

國標(biāo)《鋼纖維混凝土JG/T472-2015》規(guī)定鋼纖維體積率不應(yīng)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(qiáng)度成正比的，鋼纖維體積率增大則SFRC 的抗拉及抗彎強(qiáng)度均增大[4]。添加鋼纖維到混凝土中，砼的劈裂抗壓強(qiáng)度會有顯著的增加，當(dāng) 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(yīng)用情況

我國在鋼纖維增強(qiáng)混凝土實踐和研究當(dāng)中，經(jīng)過了技術(shù)的改進(jìn)，積累了一定的實踐經(jīng)驗，現(xiàn)有的產(chǎn)品抗彎曲承載力已經(jīng)達(dá)到了16MPa，抗壓為105MPa 左右。

在實際的材料運(yùn)用當(dāng)中，鋼纖維混凝土常用做道路鋪設(shè)，飛機(jī)跑道建設(shè)，火車隧道鋪設(shè)等大型工程方面；在礦山工程的相關(guān)生產(chǎn)建構(gòu)筑物中，主要應(yīng)用在如牛腿，倉筒結(jié)構(gòu)，水池、重要設(shè)備平臺的梁柱節(jié)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(yùn)用到鋼纖維混凝土，可以在最大程度上阻礙混凝土的內(nèi)部和外部的裂縫擴(kuò)展，提高其耐久性。這說明鋼纖維混凝土應(yīng)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(jì)80 年代，原設(shè)計車間內(nèi)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(nèi)壁由于常年承受鐵礦石的沖擊作用，內(nèi)壁混凝土表面出現(xiàn)了明顯裂縫及露筋，若不及時修補(bǔ)勢必影響今后的安全及使用。鑒于礦倉內(nèi)壁鋪裝損毀嚴(yán)重，為了延長其使用壽命，必須對其進(jìn)行加固維修。

傳統(tǒng)的加固修補(bǔ)方法為，鑿毛礦倉內(nèi)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(nèi)壁所有表面每隔300mm 左右預(yù)埋通長的-100x10mm 厚鋼板，再在其上面焊接22kg/m 的軌道，以達(dá)到抵抗礦石的沖擊和耐摩的作用。傳統(tǒng)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(yè)，需要做預(yù)埋件，這樣導(dǎo)致施工周期較長，更重要的是影響選廠的正常生產(chǎn)工作。

于是采取了鋪裝一層CF40 強(qiáng)度鋼纖維混凝土加固維修的方法。對原礦倉內(nèi)壁表面的混凝土進(jìn)行鑿毛處理，不損害原來倉內(nèi)的鋼筋，清洗干凈后，在內(nèi)壁重新鋪裝一層CF40 強(qiáng)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(yù)埋及焊接作業(yè)，節(jié)約了成本及工期，僅用3 天就完成了全部施工過程。經(jīng)過計算校核該部分新增荷載，表明其對原結(jié)構(gòu)梁柱基礎(chǔ)不產(chǎn)生影響。該鋼纖維混凝土采用C40強(qiáng)度混凝土并參入1.5%含量鋼纖維，鋼纖維品種為高強(qiáng)鋼絲切斷型，外形為端勾形。在施工過程中進(jìn)行現(xiàn)場取樣，經(jīng)過28 天的養(yǎng)護(hù)，測出其抗折強(qiáng)度比同等級的普通混凝土提高了38.91%，抗壓強(qiáng)度提高了7.93%。經(jīng)過接近一年的對該礦倉內(nèi)壁的記錄和調(diào)查，并無發(fā)現(xiàn)新增鋼纖維砼面層的明顯的開裂、摩損現(xiàn)象。目前已經(jīng)使用了約4 年，產(chǎn)生了良好經(jīng)濟(jì)效果和使用效果。

5 結(jié)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(qiáng)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(fā)揮的作用主要有以下三個方面：阻裂，增強(qiáng)，增韌。所以，在礦山工程鋼纖維混凝土的應(yīng)用問題非常重要，優(yōu)質(zhì)的鋼纖維混凝土有利于提高礦山工程中建筑結(jié)構(gòu)的的耐久性和使用壽命。但是在現(xiàn)階段的實際運(yùn)用當(dāng)中，鋼纖維混凝土配合比成為應(yīng)用的主要難題之一，要實現(xiàn)鋼纖維在混凝土中的增強(qiáng)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(jié)強(qiáng)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(chǎn)生纖維結(jié)球現(xiàn)象，破壞拌合物的均勻性，進(jìn)而影響鋼纖維混凝土的性能。所以，鋼纖維混凝土的生產(chǎn)和使用，既需要相關(guān)的專業(yè)理論，又需要相關(guān)成熟的生產(chǎn)施工工藝。如何完善礦山工程建筑結(jié)構(gòu)鋼纖維混凝土的應(yīng)用體系和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也是值得研究的課題。