钢纤维混凝土的性能及其应用实例

水泥与混凝土广东建材２００５年第６期

钢纤维混凝土的性能及其应用实例

李国明&广州市五羊$欣陆水泥制品有限公司’

摘

要(钢纤维混凝土是一种新型的复合建筑材料!其物理和力学性能优于普通混凝土!在建筑工

程界具有很大的实用价值!而且工程中钢纤维混凝土的配比与施工都比普通混凝土复杂!本文介绍了钢纤维混凝土的性能特点及在广佛出口放射线工程上的应用情况!有关数据仅供参考"

关键词(钢纤维混凝土

力学性能试配浇筑

１前言

随着１８２４年波特兰水泥的诞生!在１８３０年前后出现了（普通）混凝土（ＰｌａｉｎＣｏｎｃｒｅｔｅ!简称ＰＣ）!作为当时的一种新型建筑材料!广泛地应用于土木和水利工程"尤其是在１９世纪中叶以后!伴随着钢铁的发展!人们把钢筋和混凝土结合起来!诞生了钢筋混凝土（Ｒｅｉｎ－

成为外力的主要承担者!横跨裂缝的纤维极大地限制了混凝土裂缝的进一步扩展"由此可见!纤维有效地克服了混凝土抗拉强度低#易开裂#抗疲劳性能差等固有的缺陷"

鉴于纤维混凝土具有素混凝土不具有的优点!纤维混凝土尤其是钢纤维混凝土在实际工程中日益得到学术界和工程界的关注"１９０７年原苏联专家Ｂ．"．

ｆｏｒｃｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅ）这种新型的复合建筑材料!大大提高

了结构的抗裂性能#刚度#承载能力和耐久性!从而使建筑业经历了一场革命"尽管混凝土的固有优点是高抗压强度!然而它也有固有弱点$$$如构件的自重大#易于塑性干缩开裂#抗疲劳能力低#韧性差#抗拉强度低（一般仅为抗压强度的７％!１４％）#易产生裂纹#抗冲击碎裂性差等!限制了在工程中的使用范围"这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出"因此!长期以来许多专家和学者不断探索改善混凝土性能（主要是提高抗拉性能!增强耐久性）的各种方法和途径!于是!提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合材料$$$纤维混凝土"

ＨｅｋｐｏｃａＢ开始用金属纤维增强混凝土%１９１０年!美国

Ｈ．Ｆ．Ｐｏｒｔｅｒ发表了有关短纤维增强混凝土的研究报

告!建议把短钢纤维均匀地分散在混凝土中用以强化基体材料%１９１１年!美国Ｇｒａｈａｍ曾把钢纤维掺入普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果%到

２０世纪４０年代!美#英#法#德#日等国先后做了许多关

于用钢纤维来提高混凝土耐磨性和抗裂性#钢纤维混凝土制造工艺#改进钢纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等方面的研究"

３钢纤维混凝土的性能特点

钢纤维混凝土（ＳｔｅｅｌＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｎ－

２纤维混凝土的发展

纤维混凝土（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅ!简称

ｃｒｅｔｅ简称ＳＦＲＣ）是在普通混凝土中掺入少量低碳钢#

不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较均匀而多向配筋的混凝土!是一种新型复合材料"

钢纤维的掺入量按体积一般为ｌ％#２％!而按重量计每立方米混凝土中掺６０$１００Ｋｇ左右钢纤维!钢纤维的长度宜为２５%６０ｍｍｍ!直径为０．２５&１．２５ｍ!长度与直径的最佳比值为５０’７００"钢纤维混凝土中乱向分布的钢纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阴滞宏观裂缝的发生和发展"在受荷&拉#弯’初期!水泥基料与纤维共同承受外力!当混凝土开裂后!横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者"因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能"具体表现在(

ＦＲＣ）!是纤维增强混凝土的简称!通常是以水泥净浆#砂

浆或者混凝土为基体!以金属纤维#无机纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料"它是将短而细的!具有高抗拉强度#高极限延伸率#高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料"纤维在混凝土中限制混凝土早期裂缝的产生及在外力作用下裂缝的进一步扩展"在纤维混凝土受力初期!纤维与混凝土共同受力!此时混凝土是外力的主要承担者!随着外力的不断增加或者外力持续一定时间!当裂缝扩展到一定程度之后!混凝土退出工作!纤维

"!!"

广东建材２００５年第６期水泥与混凝土

由此可以看出(与素混凝土相比#钢纤维混凝土具有更优越的物理和力学性能(8较高的弹性模量和较高的抗拉"抗压"抗弯拉"抗剪强度’9卓越的抗冲击性能’

３．１具有较高的抗拉"抗弯"抗剪和抗扭强度

在混凝土中掺入适量钢纤维#其抗压强度提高１０％

0８０％$Ｃ５０以上混凝土提高幅度显著%#抗拉强度提高５０％1１００％2８０％#抗弯强度提高５０％#抗剪强度提高５０％3１００％&

:抗裂和抗疲劳性能优异’;能明显改善变形性能’

韧性好’=抗磨与耐冻融有改观’>强度和重量比增大#

施工简便#材料性价比高#具有优越的应用前景和经济性&

３．２具有卓越的抗冲击性能

材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能#称为冲击韧性#在通常的纤维掺量下#冲击抗压韧性可提高２4７倍#冲击抗弯"抗拉等韧性可提高几倍到几十倍&

４钢纤维混凝土的经济优势

钢纤维混凝土具有显著的经济技术效益&具体表现在(

３．３收缩性能明显改善

在通常的纤维掺量下#钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低７％5９％&

?可取代或部分取代钢筋或者降低钢筋直径１@２ｍｍ’

A在同等强度下可减少混凝土量２０％B３０％#减薄

面层厚度’

以上#提高工程质量#降低工C缩短施工周期２５％

程维修费用，延长工程使用寿命’

D钢纤维混凝土具有普通混凝土一样的施工性能#与普通的混凝土同样搅拌施工#不需要增添设备#不增加施工成本&即使钢纤维在混凝土中掺量达到１２０

３

时#也能分布均匀#不结团#并能满足商品混凝土Ｋｇ／ｍ

３．４抗疲劳性能显著提高

钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善&当掺有１．５％钢纤维抗弯疲劳寿命为

１6１０６时#应力比为０．６８#而普通混凝土仅为０．５１’当

钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达２7１０６时#应力掺有２％

比为０．９２#而普通混凝土仅为０．５６&

３．５耐久性能显著提高

由于钢纤维混凝土抗裂性"整体性好#因而耐冻融性"耐热性"耐磨性"抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高&掺有１．５％的钢纤维混凝土经１５０次冻融循环#其抗压和抗弯强度下降２０％#而其他条件相同的普通混凝土以上#经过２００次冻融循环#钢纤维混凝土却下降６０％

试件仍保持完好&掺量为１％"强度等级为Ｃ３５的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低３０％&

美国对钢纤维混凝土与普通混凝土力学性能比较的试验结果见表１(

搅拌站组织生产和现场泵送施工要求&

５钢纤维混凝土应用实例

广州市内环路广佛出口放射线全程约５．５ｋｍ#整条线路东自中山八路尾沿着广三铁路两侧设Ａ"Ｂ主线高架桥，途径珠江大桥东桥$公铁两用桥%#向西南延伸至芳村&广佛出口放射线分四个标段#Ａ６．１＋合同段主要里程为Ａ０＋０００EＡ０＋５４８．２３和Ｂ０＋０００FＢ０＋５６８．９６段#

表１

物理力学性质指标极限抗弯拉强度

普通混凝土

钢纤维混凝土

Ａ线长度为５４８米#Ｂ线长度为５６８米&

其中东岸高架桥为２９．７＋２９．７３＋４G２９．７ｍ六跨一

联预应力混凝土单箱双室直腹板连续箱梁’按逐孔施工法施工#梁高１．５ｍ#箱顶宽１５ｍ#底宽１０ｍ#悬臂２．５ｍ’西岸高架桥为５H２４ｍ五跨一联等高截面普通钢筋混凝土现浇连续箱梁’梁高１．６米#箱梁顶宽１５．００I１９．６ｍ#悬臂直线侧为２．５ｍ#加宽侧为１．６ｍ&

本工程的施工关键工序(墩柱"箱梁"帽梁等的施工质量及外观质量控控制&

由于箱梁采用预应力混凝土#其面板厚度为１２０J

５"２６ＭＰａ

极限抗压强度３５$５６ＭＰａ抗剪强度４．２ＭＰａ

４

)３．５*１０４

弹性模量２%１０４&３．５’１０４ＭＰａ１．５(１０ＭＰａ热膨胀系数９．９+１０．８ｍ／ｍｋ１０．４,１１．１ｍ／ｍｋ!!抗冲击力４８０Ｎｍ１３８０Ｎｍ!!抗磨指数１２抗疲劳限值０．５-０．５５０．８０.０．９５抗裂指标比１７韧性１１０/２０

耐冻融破坏指标数１１．９

２!５．５ＭＰａ

２１#３５ＭＰａ２．５ＭＰａ

１８０ｍｍ#为了保证结构承载力#设计决定在箱梁面板"箱

梁底腹板等部位用强度较高的Ｃ４０钢纤维混凝土浇筑#

体积率为１．５％&本工程所需混凝土采用商品混凝土#我

#!"#

水泥与混凝土

司结合!公路工程水泥混凝土试验规程"#ＪＴＪ０５３－９４$和!钢纤维混凝土结构设计与施工规程"#ＣＥＣＳ３８!

广东建材２００５年第６期

现水泡汽孔等现象)为确保清水混凝土外观效果&所用混凝土严禁在施工现场加减水剂)浇筑混凝土时采用插入式振动棒振捣)振动棒垂直插入&快入慢出&插入混凝土中的深度不得超过振动棒的工作部分&其移动间距不应大于振动棒作用半径的１．５倍#作用半径３０#

９２$规范采用如下配合比（见表２）%

表２Ｃ４０#坍落度１４０ｍｍ2１６０ｍｍ$钢纤维混凝土

所用原材料及配合比

名称

３

Ｋｇ／ｍ

水泥砂石水粉煤灰外加剂钢纤维

３９０７１４９９３１７０６０９．９６２．９

１3１．８３4２．５５5０．４４6０．１５４7０．００８8０．１６１#水胶比配合比

０．３９$&试配强度为４８．２ＭＰａ&抗折强度为５．０ＭＰａ)

４０ｃｍ$)插点均匀&成行列式或交错式前进&以免过振或

漏振)振棒保持距离侧模５$１０ｃｍ&振棒每点振动时间

约２０%３０ｓ&每次振动完毕后&边振边徐徐拔出振动棒&不将棒斜拔或横拔&也不在停止振动后才把棒拔出&以免造成混凝土有空洞)振捣器在每一位置的振动延续时间以能使混凝土获得足够的密实度为宜)但时间也不应太长&要适可而止&其主要特征是混凝土表面泛出水泥浆’气泡停止上冒和骨料不再沉落&此时即可停止振捣)混凝土浇筑初凝后&立即进行养护&在养护期间&用麻袋覆盖&淋水养护)养护期间保持麻袋湿润&养护时间不少于１４天)

钢纤维混凝土养生２８天后&表面平整’光滑’颜色正常’无裂缝&!混凝土试件抗压强度检验报告"结果显示抗压强度代表值最小值为４７．６ＭＰａ&最大值为

根据试验检验报告表明&本配合比所用的水泥#广州水泥厂Ｐ．Ｏ４２５Ｒ$’细骨料#西江砂&细度模数

２．６$’粗骨料#增城石&最大粒径为３１．５ｍｍ$’外加剂Ｎ－５Ｒ$和钢纤维#ＨＡＲＥＸ$均符合国家标准!混凝土#ＦＤ

结构工程施工及验收规范"的相关规定(

钢纤维混凝土抗压强度值%

由此确认７天所具有抗压强度为３８．９ＭＰａ&接近设计强度４０ＭＰａ（见表３）)

表３７天龄期#标准$抗压强度试验报告

构件强度

试件编号

名称等级

尺寸#ｍｍ$

龄期

#天$

个别强度

（ＭＰａ）

强度代

表值

（ＭＰａ）

５４．１ＭＰａ)经设计’监理’施工三方联检&工程质量完全符

合!混凝土结构工程施工及验收规范"和!公路工程质量评定标准"的要求)

２００４１０１５箱梁Ｃ４０１５０,１５０-１５０２００４１０１８箱梁Ｃ４０１５０.１５０/１５０２００４１０２３箱梁Ｃ４０１５０0１５０1１５０

７７７

３９．５’３８．３’

３９．８４１’６３７．４’４０．０’３８．６

３８．４３７．５’３９．８’３８．

４３７．９

６结束语

钢纤维混凝土具有普通混凝土不具有的优点&且具有良好的经济效益&其在民用建筑楼地面’公路路面’预制构件’水利工程’港口码头’机场跑道和停机坪’桥梁隧道以及各种构筑物等方面的应用前景将是十分广阔的)!

表４２８天龄期#标准$抗压强度试验报告

试件编号

构件强度名称等级

尺寸#ｍｍ$

龄期个别强度

（ＭＰａ）#天$

强度

代表值

（ＭＰａ）

’５０．７’

２００４１０１５箱梁Ｃ４０１５０&１５０’１５０２８５２．９５２．６５４．２

４４．４’５０．２’４８．１２００４１０１８箱梁Ｃ４０１５０(１５０)１５０２８４９．８

’４９．８’２００４１０２３箱梁Ｃ４０１５０*１５０+１５０２８４４．０４７．６４８．９

由表４可知２８天所具有抗压强度为４９．４ＭＰａ&大于４０ＭＰａ&已达到设计强度的１．２３５倍，且２８天抗折强度为５．６ＭＰａ&也已达到设计强度的１．１２倍&其可以保证结构安全)

本工程梁体混凝土采用泵送车泵送混凝土进行浇筑)在浇筑混凝土时通过施工单位及我司的质安员加强对混凝土质量检查&对拌合质量和坍落度严格控制&混凝土泵送坍落度为１４０"１６０ｍｍ&以防止混凝土表面出

#!"#