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钢纤维混凝土性能与应用前景

 钢纤维混凝土就是在普通混凝土中掺入适量钢纤维而成的一种新型复合材料,近年来在国内外得到迅速发展。它克服了混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、性脆等缺点,具有优良的抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、耐疲劳、高韧性等性能,已在建筑、路桥、水工等工程领域得到应用。

一、钢纤维的基本性质

  1.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%。

  2.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、钢纤维混凝土的基本性能

  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。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。

  1.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。

  2.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%。

  3.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。

  4.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%。

  5.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。

  6.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保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低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、钢纤维混凝土设计与施工规程说明

  我国于1996年出版了《钢纤维混凝土试验方法》CECS13:89和《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》CECS38:92,但本规程只对钢纤维混凝土结构不同于混凝土结构设计与施工的专门要求作出规定。在进行钢纤维混凝土结构设计和施工时,尚应与《水工钢筋混凝土结构设计规范》SL/T191-96和《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2001配合使用。

  四、钢纤维混凝土在水利水电工程中的应用

  1.支护工程
  钢纤维混凝土由于抗拉、抗弯、抗剪强度高,能承受较大的围岩和土体的变形作用而保持良好的整体性,因此可用于隧洞支护、山体护坡等工程。如浙江省开化县齐溪水电站有压隧洞在两个工程段内采用喷射钢纤维混凝土衬砌,使围岩能在较大程度上发挥作用,减少了衬砌厚度,由原来的钢筋混凝土衬砌厚度500mm减至钢纤维混凝土喷衬厚度60mm,省去了钢筋加工和绑扎工程量,同时不需立模和回填灌浆,造价由每延米1175元减至398元,施工工作量减少3/4。工程至今正常运行。

  2.储水、防渗、输水管道工程
  钢纤维混凝土由于抗裂性能好、收缩率低,因而防水、防渗性能较好,可用于低压输水管、蓄水池、地下室防渗等工程。而在储水和防渗结构中钢纤维混凝土可作防水层,有时也可兼作结构层代替钢筋混凝土。如浙江省余姚岭水库混凝土坝面多次出现裂缝、下游面局部出现渗水,在混凝土面层采用喷射钢纤维混凝土,厚度50mm,达到了防渗效果,与高频振荡钢丝网水泥砂浆防渗面板相比,具有工艺简单、施工方便、造价低等优点。

  3.高速水流冲刷磨损部位
  钢纤维混凝土具有较高的抗冲磨、抗气蚀能力,因此可用于溢洪道、消力池、闸底板等承受高速水流作用的部位。如:大渡河支流南桠河石棉二级电站,该电站是引水式径流电站,1965年建成发电。当年汛期后,冲砂闸底板和护坦被冲成深槽,最深处达0.7m,埋设的28mm钢筋全部磨断,1968年和1969年先后两次用辉绿岩铸石板、环氧混凝土、呋喃混凝土进行修补加固对比试验,除环氧混凝土在一个汛期内磨损10~50mm外(后来也被冲毁了),其余材料不到一个汛期全部被砸碎冲掉。1977年在毁坏处采用硅锰渣铸石板、改性环氧砂浆、胶乳水泥砂浆、MC尼龙板、高强混凝土、钢纤维混凝土等材料进行补强试验,结果表明钢纤维混凝土是较好的抗冲耐磨材料。

  4.处于腐蚀环境中的构件
  钢纤维混凝土具有良好的耐腐蚀性能,可用于海水等腐蚀环境中的闸门、输水管道等构件的防蚀层或结构层。

  5.动力荷载作用部位和抗震结构节点
  由于钢纤维混凝土具有较高的抗拉强度、断裂韧性和抗疲劳等性能,因此,可用于承受动力荷载的机墩、抗震结构的框架节点等部位。

  6.复杂应力部位
  钢纤维混凝土中的钢纤维一般呈三维乱向分布,沿每个方向都有增强和增韧作用。钢纤维对混凝土结构复杂应力区增强是非常有利的,而且容易浇筑成型,比钢筋更能适应各种复杂的结构形式。此外,钢纤维限制混凝土裂缝的作用也是钢筋不能相比的。因此,可用于大坝内廊道、泄水孔等孔口复杂应力区和牛腿等受弯构件的抗剪以及板的抗冲切部位等。

  7.部分应用钢纤维混凝土的水利水电工程
  浙江省淳安县河村水库泄洪洞支护,浙江省文成县百丈际水电站引水隧洞、葛洲坝二江泄水闸、三门峡泄水排砂底孔、贵州乌江渡水电站、江西大港水电站的工程修补,湖南省永川市向阻坝渡槽局部槽身加强,浙江省玉环县四海闸闸槽二期,三峡临时船闸闸槽二期,杭州市德胜坝闸门门体等。钢纤维混凝土在以上工程应用均取得良好效果。