張 建

混凝土是當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料,混凝土強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù),普通混凝土因其抗拉強(qiáng)度低、易開(kāi)裂、脆性大、變形性能差、自重大等因素,在工程中的應(yīng)用大受限制。采用纖維增強(qiáng)混凝土是混凝土改性的重要途徑之一,因鋼纖維與混凝土的彈性模量比相對(duì)較大,化學(xué)穩(wěn)定性好,因此,鋼纖維混凝土是纖維混凝土中性能最好的一種。

1 鋼纖維混凝土的基本組成

鋼纖維混凝土是由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水以及亂向分布的鋼纖維組成的一種多相非均質(zhì)復(fù)合材料,加之以必要的外加劑,按一定的比例配制,經(jīng)凝結(jié)、硬化后形成。為簡(jiǎn)便起見(jiàn),我們簡(jiǎn)化為鋼纖維、混凝土基體和外加劑組成的三相復(fù)合材料。

2 鋼纖維混凝土的基本力學(xué)性能

2.1 抗壓強(qiáng)度

鋼纖維對(duì)基體混凝土的增強(qiáng)作用并不顯著。加入鋼纖維后,其抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維含量的增加略有提高,但增量不大,一般提高幅度在10%以下。鋼纖維長(zhǎng)度的選擇與最大石子粒徑關(guān)系密切,較大的石子粒徑和較短的鋼纖維會(huì)影響鋼纖維在混凝土中的取向與分布,容易造成鋼纖維的局部結(jié)團(tuán),相當(dāng)于構(gòu)成了薄弱截面,此時(shí)加入鋼纖維反而會(huì)產(chǎn)生不利影響[2],造成鋼纖維與混凝土界面粘結(jié)性狀變差,其抗壓強(qiáng)度甚至?xí)韧浔鹊钠胀ɑ炷劣兴陆礫3]。

2.2 抗拉強(qiáng)度

鋼纖維對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果要比對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著許多。鋼纖維混凝土28 d劈拉強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土,并隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大。但鋼纖維的加入并不能有效提高混凝土早期劈拉強(qiáng)度。多項(xiàng)試驗(yàn)研究表明[4],當(dāng)鋼纖維摻量在1%～2%體積率的范圍內(nèi)時(shí),相應(yīng)的混凝土抗拉強(qiáng)度提高40%～80%,并且不同等級(jí)的混凝土均呈現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律。

2.3 抗彎強(qiáng)度

鋼纖維混凝土的極限抗彎強(qiáng)度比素混凝土高得多,前者的初裂抗彎強(qiáng)度甚至比后者的極限抗彎強(qiáng)度還要高。試件初裂后,受拉區(qū)裂縫寬度隨著荷載的增大而擴(kuò)大,達(dá)到極限強(qiáng)度后,它不像素混凝土那樣突然折斷,而是隨著裂縫寬度的繼續(xù)擴(kuò)大而緩慢卸載。

試驗(yàn)表明,影響鋼纖維混凝土極限抗彎強(qiáng)度的主要因素有：1)混凝土基體的強(qiáng)度;2)鋼纖維體積含量百分比(P);3)鋼纖維長(zhǎng)徑比(l/d);4)鋼纖維與基體間的粘結(jié)應(yīng)力。

2.4 抗沖擊性能

鋼纖維混凝土有著良好的延性和控制混凝土裂縫的能力,其韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相應(yīng)素混凝土的韌性。從鋼纖維混凝土及其相應(yīng)素混凝土泊桑比的實(shí)測(cè)資料來(lái)看,鋼纖維混凝土的泊桑比要比其相應(yīng)素混凝土大7%左右。隨著鋼纖維含量的增加,鋼纖維混凝土的抗沖擊性能大幅度提高。當(dāng)鋼纖維含量為1.5%時(shí),其抗沖擊能力提高近7倍。

2.5 其他性能

韌性是衡量塑性變形性能的重要指標(biāo),在通常的纖維摻量下,其抗壓韌性可提高2倍～7倍,抗彎韌性可提高幾十倍到上百倍,彎曲沖擊韌性可提高2倍～4倍,板式試件落球(錘)法擊碎試驗(yàn)所測(cè)得的沖擊韌性可提高幾倍到幾十倍。

3 鋼纖維混凝土的作用機(jī)理

1)混合定律是將鋼纖維混凝土簡(jiǎn)化為由鋼纖維、混凝土基體組成的兩相復(fù)合材料,復(fù)合材料的各項(xiàng)性能為基體性能和纖維性能的加權(quán)和。2)纖維間距理論則認(rèn)為,鋼纖維混凝土的增強(qiáng)效果與混凝土基體中纖維的平均間距有關(guān),該理論得出了混凝土裂縫尖端應(yīng)力集中因子與纖維間距的關(guān)系[5,6,20,21]。3)劉永勝[7]根據(jù)復(fù)合材料剪滯理論,從兩相復(fù)合材料的界面性能入手,分析了纖維—混凝土基體界面上的應(yīng)力傳遞,從而從細(xì)觀界面力學(xué)的角度分析了纖維對(duì)混凝土基體的增強(qiáng)機(jī)理,是纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理復(fù)合材料界面力學(xué)的另一依據(jù)。

4 鋼纖維混凝土的工程應(yīng)用

4.1 路橋方面的應(yīng)用

在路橋工程中使用鋼纖維混凝土,可以使面層厚度減少,伸縮縫間距加長(zhǎng),維修費(fèi)用降低,加強(qiáng)橋面鋪裝與伸縮縫的連接強(qiáng)度,特別是在重交通荷載作用下,因其能夠減緩開(kāi)裂速率,裂縫寬度減小,不連續(xù)開(kāi)裂后的延性好,混凝土剝落、坑槽現(xiàn)象很少,有利于橋面和橋梁的使用壽命[8-15]。

針對(duì)上述問(wèn)題,業(yè)界提出了新的方向——混雜纖維混凝土,將兩種或者兩種以上不同品質(zhì)、表面形狀的纖維混合摻加到混凝土基體中,以獲取單摻一種纖維所達(dá)不到的性能優(yōu)勢(shì),從而抑制早期塑性裂縫的產(chǎn)生,限制外力作用下混凝土基體中裂縫的擴(kuò)展,阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展,同時(shí)改善混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性能,最終實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高韌性的雙重目的[9]。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用

鋼纖維混凝土在建筑工程中主要有以下幾方面的應(yīng)用[10-18]：

1)鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)。以1.5%(體積率)的鋼纖維代替1.7%的箍筋,可使抗剪強(qiáng)度提高27%,耗能能力提高28%,主筋粘結(jié)滑移降低60%～78%,避免了節(jié)點(diǎn)處鋼筋擁擠不易施工的弱點(diǎn);2)框架結(jié)構(gòu)的抗震加固。采用鋼纖維混凝土折曲斜撐加強(qiáng)的鋼筋混凝土框架,剛度可相應(yīng)提高2倍～3倍,耗能能力提高2倍,極限荷載下層間位移角大于1/50,具有良好的抗震性能;3)代替增強(qiáng)鋼板。將鋼纖維混凝土用于鋼筋混凝土樁頂,可節(jié)省投資40%,在樁尖部位用鋼纖維增強(qiáng),可使樁的貫入能力提高,錘擊次數(shù)減少;4)建筑墻板和屋面。日本已制成珍珠巖鋼纖維混凝土復(fù)合墻板。我國(guó)目前正在研究用鋼纖維膨脹混凝土做剛性防水屋面,摻1.5%鋼纖維和15%水泥重量的膨脹劑所獲得的自應(yīng)力混凝土性能良好。

5 問(wèn)題與建議

1)鋼纖維混凝土的成本相對(duì)較高,工程應(yīng)用還有較大局限。鋼纖維的加入,不僅自身價(jià)格比較昂貴,更需要以大幅度增加水泥及其他膠凝材料用量為代價(jià)。2)鋼纖維混凝土的生產(chǎn)和施工有待進(jìn)一步完善和規(guī)范。鋼纖維的長(zhǎng)度、表面形狀、長(zhǎng)徑比、添加數(shù)量以及摻入基體混凝土后的施工和易性等,均隨環(huán)境條件的不同而改變,這就給生產(chǎn)和施工部門(mén)帶來(lái)極大不便,完善和規(guī)范各種程序勢(shì)在必行。3)目前,還沒(méi)有完整的鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)理論指導(dǎo)鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入適量亂向分布的短鋼纖維而形成的一種多相、多組分水泥基體新型復(fù)合材料。它克服了混凝土的多項(xiàng)弱點(diǎn),改善了混凝土的物理、力學(xué)性能,已在建筑、路橋、水工、海洋等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

鋼纖維混凝土的研究和應(yīng)用仍然有多方面問(wèn)題有待解決。其中,如何最大限度地降低其使用成本,建立和完善生產(chǎn)、施工程序,構(gòu)建合理的結(jié)構(gòu)理論體系,是需要重點(diǎn)研究的方向。

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