新材料新技术

摘 要:钢纤维混凝土是一种新型的复合建筑材料,具有较高的抗拉强度和断裂韧性、抗疲劳等性能,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。

　　关键词:钢纤维;钢纤维混凝土

　　

　　19世纪上半叶,混凝土的出现使建筑业经历了一场深刻的革命,尽管混凝土有着抗压强度高的优点,然而它也存在固有的弱点――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――钢纤维混凝土。

　　一、钢纤维的基本性质

　　(一)钢纤维的类型及特征参数

　　钢纤维按材质分,有普通碳钢钢纤维和不锈钢钢纤维,其中以普通钢钢纤维用量居多;按外形分有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形;按截面形状分有圆形、矩形、月牙形及不规则形;按生产工艺分有切断型、剪切型、铣削型及熔抽型;按施工用途分有浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。

　　为满足钢纤维的增强效果与施工性能,通常采用钢纤维长度为15～60mm,直径或等效直径为0.3～1.2mm,长径比为30～100,纤维的体积掺量为0.5%～2%。

　　(二)钢纤维的主要性能

　　钢纤维的主要性能包括抗拉强度与黏结强度。试验表明,由于普通钢纤维混凝土主要是因钢纤维拔出而破坏,并不是因钢纤维拉断而破坏,因此钢纤维的抗拉强度一般能满足使用要求,而其与混凝土基体界面的黏结强度是影响钢纤维混凝土性能的主要因素。黏结强度除与基体的性能有关外,就钢纤维本身而言,与钢纤维的外形和截面形状有关。

　　二、钢纤维混凝土

　　钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete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。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70～100Kg左右钢纤维,钢纤维的长度宜为25～60mm,直径为0.25～1.25mm,长度与直径的最佳比值为50～700。

　　国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究,现归纳如下:

　　钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻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。

　　与普通混凝土相比,不仅能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能,而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能,显著提高结构的疲劳性能及其耐久性。尤其是韧性可增加l0-20倍,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下表:

　　我国对SFRC与普通混凝土力学性能做了比较试验,当钢纤维掺入量为15%～20%、水灰比为0.45时:

　　(一)强度和重量比值增大

　　这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。

　　(二)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,其抗拉强度提高25%～50%,抗弯强度提高40%～80%,抗剪强度提高50%～100%。

　　(三)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2～7倍,冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。

　　(四)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%～9%。

　　(五)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1×106次时,应力比为0.68,而普通混凝土仅为0.51;当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时,应力比为0.92,而普通混凝土仅为0.56。

　　(六)耐久性能显著提高

　　钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外,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约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍然保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。

　　三、结束语

　　钢纤维混凝土在多方面的性能都优于普通混凝土,可以解决钢筋混凝土难以解决的裂缝、耐久性等问题因此,钢纤维混凝土在建筑工程、水利水电工程中具有广阔应用前景。目前钢纤维混凝土在应用中主要的问题是钢纤维生产成本较高,造成钢纤维混凝土初始造价较高。为了使钢纤维混凝土得到广泛应用:一方面,应努力降低钢纤维生产成本从而降低钢纤维混凝土的造价;另一方面,在应用时,不应只计一次性投资,而应考虑钢纤维混凝土的优越使用性能、较低的维修费和使用寿命延长等综合经济效益。

　　参考文献:

　　[1]赵国藩,彭少民,黄承逵等.钢纤维混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

　　[2]卢良浩.钢纤维混凝土工程应用三例[C].南京:全国第四届纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文集,1992.

　　[3]小林一辅.钢纤维混凝土[M].蒋之峰,译.北京:冶金部建筑研究总院情报室,1984.