高強度鋼纖維混凝土的應用

張繼承

（河南省新鄉市公路管理局，河南 新鄉 453003）

剛纖維混凝土作為一種新型結構混凝土，其優越的使用性能被越來越多的工程所采用，本文結合本地環宇立交橋C50剛纖維砼配比設計施工經驗全面闡述了剛纖維混凝土的增強機理，及施工特點和注意事項。

剛纖維混凝土；性能；配合比設計施工

近年來，國家對公路基礎設施的投資很大，全國各地都興起修建高等級公路的熱潮，目前在公路橋梁的建設中混凝土橋面破損非常嚴重，不但影響正常交通而且不利于安全。70年代以來，國外已采用鋼纖維混凝土鋪修橋面，對于提高橋面層的抗裂性，耐磨性和減少維修工作量都有很大好處。我國從80年代開始陸續用鋼纖維混凝土修筑橋面也取得了很好的效果。鋼纖維混凝土作為一種新型的材料逐漸重視起來。鋼纖維混凝土就是將適量的碳鋼纖維均勻的摻入到普通混凝土中形成的。鋼纖維混凝土的出現使傳統的建筑材料工藝產生深刻的變化。

1 剛纖維混凝土特點

鋼纖維混凝土的特點是抗裂，抗拉，抗彎，抗剪，耐磨性能，疲勞強度和抗凍融性能均較普通砼有大幅提高。用鋼纖維混凝土鋪設公路路面或機場跑道，廠房地面等，可使厚度減薄一半，并使接縫間距延長數倍至十倍，且壽命大大增加。使用鋼纖維混凝土同時免去盤條和金屬網配筋，不僅節約鋼材而且混凝土質量更加可靠。

2 鋼纖維混凝土的增強機理

目前對于混凝土中均勻而任意分布的短纖維對混凝土的增強機理存在著兩種不同的理論解釋。其一為美Romualdi提出的“纖維間距機理”；其二為英國的Swamy,mangat等人提出的“復合材料機理”。

2.1 纖維間距機理

這一機理是：根據線彈性斷裂力學來說明纖維對于裂縫發生和發展的約束作用。認為在混凝土內部原來就存在缺陷，欲提高這種材料強度，必須盡可能的減少缺陷的程度，提高韌性，降低內部裂縫端部的應力集中系數。

假定纖維在拉力方向呈棋盤分布（間隔S），裂縫（半徑a）存在于4根纖維所圍住的中心時，由于拉伸應力所引起的粘結應力分布（τ），產生于和纖維相鄰近的裂縫端部附近處，起著約束裂縫開展的作用。如果沒拉伸應力引起的內部裂縫端部應力集中系數Kδ，而與裂縫端部相鄰近的粘結應力分布τ產生的具有相反意義的，起約束作用的應力集中系數為Kf則總的應力系數Kt將減少，即：Kt=Kδ-Kf

所以初裂縫強度得以提高。可見，單位面積內的纖維數（n）越多亦即纖維間距越小，強度提高的效果也就越好。

為了證實混凝土的初裂強度受纖維間距支配，Romuldi等人還做了相應的試驗，實驗結果同理論推導是比較接近的。理論推算和試驗結果都表明在一定的纖維體積含量時，可以認為抗拉強度近似地同纖維間距成比例關系。

纖維間距機理假定，纖維和基體間的粘結是完善的，這和事實有出入。間距的概念一旦超出了比例極限就不再成立，因而還不是很完美的理論。

2.2 復合材料機理

這一機理的理論出發點是復合材料構成的混合原理。將纖維增強混凝土看作是纖維強化體系，并應用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度。

在基體和纖維完全粘結的條件下，并在基體和連續纖維構成的復合體上施加拉伸力時，該復合體的強度是由纖維和基體的體積比和應力所決定。

3 原材料質量要求

鋼纖維表面應潔凈無銹無油，保證鋼纖維與混凝土的粘結強度。另外不允許因分散不均而相互粘結成團。尺寸和抗拉強度應符合技術要求。

不得采用海水，海沙，嚴禁摻加氯鹽。粗骨料粒徑不宜大于20mm和鋼纖維長度的2/3。

外加劑宜選用優質減水劑，對抗凍性有要求的鋼纖維混凝土宜選用引氣型減水劑。

水泥，骨料，水，外加劑和混合材料應符合國家標準《混凝土結構工程施工及驗收規范》中的關規定。

4 鋼纖維混凝土配合比設計

鋼纖維混凝土的配合比設計應滿足結構設計要求的抗壓強度與抗折強度，以及施工中要求的和易性。在某些條件下還應滿足對抗凍，抗滲性，耐腐蝕性或耐沖刷性等項要求。

根據強度標準值或設計值以及施工配置強度提高系數確定試配抗壓強度和抗折強度。按試配抗壓強度計算水灰比，一般不大于0.50，水泥用量不大于500公斤。根據試驗抗折強度，按規定計算或通過已有資料確定鋼纖維體積率。根據施工要求的稠度通過試驗或已有資料確定單位體積用水量，如摻用外加劑應考慮外加劑的影響。根據試驗或有關資料確定合理砂率，一般選用50%左右，使用時根據所用材料的品種規格，纖維體積率，水灰比等適量調整。按絕對體積法或假定質量密度法計算材料用量確定試驗配合比。按試配配合比進行拌和物性能試驗，調整單位體積用量和砂率，確定強度試驗用基準配合比。

5 鋼纖維混凝土的拌和

宜采用機械拌和。當鋼纖維體積率高，拌和物稠度較大時，攪拌機一次拌和量不大于其額定拌和量的80%。

各種材料的重量計量準確，稱量偏差在允許范圍內。

攪拌的投料次序和方法應以攪拌過程中鋼纖維不結團，不產生彎曲或折斷，不因拌和機超負荷而停止運轉，出料口不堵塞為原則。宜選用將鋼纖維，水泥，粗細骨料先干拌而后加水濕拌的方法。

鋼纖維混凝土的攪拌時間應通過現場攪拌試驗確定，并比應該普通混凝土規定的攪拌時間延長1～2min,采用先干拌后濕拌的拌和試驗時，干拌時間不宜小于1.5min。

6 鋼纖維混凝土的運輸，澆筑和養護

混凝土在運輸的時候應縮短運輸時間，運輸過程中避免拌和物離析；鋼纖維混凝土的澆筑方法應保證鋼纖維分布均勻性和結構的連續性，在一個規定連續澆筑區域內，澆筑施工過程不得中斷拌和料從攪拌機卸出到澆筑完畢時間不宜超過30min；鋼纖維混凝土應采用機械振搗，不得采用人工振搗，所采用的振搗機械和振搗方法除應保證混凝土密實度外，尚應保證鋼纖維分布均勻。

7 鋼纖維混凝土的質量控制

鋼纖維混凝土的質量檢驗除應對原材料配合比施工主要環節按現行有關混凝土結構工程施工與驗收規范的規定執行外，尚應檢驗下列項目：對鋼纖維進行質量檢驗。鋼纖維的稱量每一工班至少檢驗二次；同時應采用水洗法在澆筑地點取樣檢測鋼纖維體積率，每工作班至少二次；水洗法檢驗鋼纖維體積率的誤差不應超過配合比要求的鋼纖維體積率的±15%。取樣制作抗壓，抗折強度標準試件，坍落度不大于50mm的鋼纖維混凝土用震動臺振實；大于50mm的用木槌振實?？箟涸噳K采用邊長150mm的立方體為標準試件標準養護28天測定其抗壓強度，抗折試件采用150m×150mm×550mm的標準試件經標準養護，在齡期達90天時進行測試。

8 鋼纖維混凝土在公路工程中的應用

2002年在新鄉市新輝特大立交橋工程中，橋面伸所縫處采用C50鋼纖維混凝土。我們嚴格按照設計文件和規定要求，選用黑龍江慶安鋼鐵廠生產的熔抽型碳鋼纖維；天津薊縣產1～2cm石灰巖碎石；天津薊縣產河砂（細度模數2.7）；天津華聯外加劑廠生產的“永強”牌TD-10減水防凍劑，唐山冀東水泥廠生產的“盾石”525普硅水泥，經過反復的試驗最后確定了用于橋面伸縮縫的C50鋼纖維混凝土配合比。

在橋面伸縮縫施工過程中嚴格按照配合比控制原材料質量攪拌，振搗和澆筑全部按規范要求進行施工，取得了很好的效果。經過工程施工的檢驗，能夠滿足設計的要求。

9 結束語

鋼纖維混凝土雖有很多的優點，但在應用上還是受到一定的限制。如施工和易性較差，攪拌和振搗時會發生纖維成團或折斷等問題，粘結性能也有待進一步改善。但是，價格貴亦是影晌鋼纖維推廣使用的一個重要因素，鋼纖維的制造價格也將隨著生產方法的改善和技術設備的更新而不斷降低。但我們完全有理由相信，在不久的將來，鋼纖維混凝土一定會在國外更多的應用范圍內顯示出強大的優越性。

[1]鄧宗才.輕骨料高強度鋼纖維混凝土的力學特性.山東建材學院學報.1997-03-30