鋼纖維混凝土研究與應用

黃衛林

（四會臻匯園物業發展有限公司）

1 鋼纖維混凝土的性能

普通鋼纖維混凝土的纖維體積率在1%～2%之間，較之普通混凝土，抗拉強度提高40%～80%，抗彎強度提高60%～120%，抗剪強度提高50%～100%，抗壓強度提高幅度較小，一般在0～25%之間，但抗壓韌性卻大幅度提高。

1.1 抗拉強度

普通混凝土的脆性較高，易對發生沒有征兆的脆性破壞，并可能會危害周圍環境。此外，普通混凝土具有相對低的彈性模量，可能導致裂紋的加速發展。由于混凝土裂縫的發展可能導致的耐久性問題。在混凝土中加入鋼纖維達到增強抗拉強度和混凝土的延展性。基于的開裂原理，鋼纖維具有裂紋連接作用，直到纖維從鋼纖維混凝土拔出，從而延緩了裂紋的形成，并限制了裂紋擴展。脫粘和拉出纖維的需要較高量的能量，從而達到增加的韌性和混凝土的延展性等性能，韌性是鋼纖維混凝土的顯著優勢。直接拉伸試驗是在評價混凝土的抗拉強度的最直接的方法。直接拉伸試驗得到的拉伸強度通常比從間接劈裂拉伸試驗的性能提高更為明顯，而撓曲試驗給出了最高的拉伸強度。相關數據表明摻有0.5%、0.75%和1.0%的鋼纖維的試樣測得的直接拉伸強度分別為1.451、1.604 和1.794MPa。如從數據結果中看到，所增加的鋼纖維體積增強的直接拉伸強度取決于鋼纖維阻止初始裂紋的有效性。在鋼纖維的外形上看，端部鉤狀的鋼纖維提供所需拉出纖維的作用大，由于端部還具有部分錨固作用，因而能增加鋼纖維混凝土的抗拉強度。

1.2 抗彎強度

鋼纖維具有高的抗彎強度，對混凝土抗彎性能提高有顯著的效果。這是由于鋼纖維的長度較長，更有效地延緩裂紋擴展。相關的實驗研究中發現，在混凝土中分別加入0.5%、0.75%和1.0%的鋼纖維改善抗彎強度至約25%、45%和88%，彎曲強度高達8.90MPa，其中鋼纖維混凝土加入了1.0%的鋼纖維，抗彎強度提高更顯著。由于鋼纖維良好的粘結性能，使得鋼纖維長度方向上提供了更多的阻力拉出纖維。此外，由于鋼纖維的存在，抵抗彎曲的裂縫，從而引起纖維的有效阻止裂縫發展。因此，摻入一定比例的鋼纖維，使得鋼纖維混凝土臨界破壞載荷值增加，減少裂縫，從而具有較高的抗彎強度。

1.3 沖擊韌性

在混凝土中加入鋼纖維的顯著特點是其改進開裂后的裂化反應。沖擊韌性的測定，是通過吸收能量的絕對值。如：鋼纖維混凝土分別加入了0.5%、0.75%和1.0%的鋼纖維，沖擊韌性對應增加約6、9 和高達17 倍。不難看出它顯著地增加了鋼纖維混凝土的韌性。鋼纖維的存在，可以增加的對能量吸收，因此具有良好的延展性。當受到震動荷載作用的沖擊時，其抗拉抗彎性能可提高十幾倍。特別是橋墩、路面、護欄等工程。即低沖擊總價值意味著沖擊高抗。因此，由于其高的耐沖擊性，鋼纖維混凝土可以在路障，防撞護欄等。此外，路面工程，排水涵洞等工程也應用廣泛。目前鋼纖維混凝土梁和耐沖擊板在一些國家的結構工程已經成功應用。

1.4 抗裂性能

斷裂能，斷裂韌性和特征長度都被用來作為設計鋼筋混凝土結構的斷裂準則的參數。斷裂能量是在混凝土齡期28 天時測得。斷裂能就是創建一個單位面積裂紋表面，在該表面中的載荷-位移曲線下測量并根據公式計算出所需的能量。與素混凝土相比，加入鋼纖維被發現提高的斷裂能達數倍。這可以歸因于鋼纖維的作用：轉移的裂縫路徑，防止了裂紋的直接傳播，這增加了裂縫區和斷裂的工作峰值。鋼纖維含量分別從0.5%提高至0.75%和0.5%～1.0%提高了斷裂能由約1.5 和2.9倍。研究發現斷裂能量增加了約2.2 倍和3.6 倍的摻入的鋼纖維含量提高分別為從0.33%至0.67%和0.33%至1.0%之間。單獨的斷裂能量不足以表征混凝土的脆性或混凝土的延展性。此外，特性長度是混凝土脆性的量度，因為它包括了材料和結構大小的影響。特征長度與斷裂能成正比，加入鋼纖維大大改善的混凝土韌性和延展性，特別是摻量1%鋼纖維最為明顯。在另一方面，熟悉鋼筋混凝土結構的基本知識可以知道，由于混凝土斷裂的原理是基于斷裂力學中的斷裂能，此外斷裂韌性也是一個從斷裂力學角度來描述混凝土具體的抗裂性能。

1.5 耐久性能

耐久性能顯著提高，鋼纖維混凝土強度C35，鋼纖維的摻量為1%的混凝土耐磨性能下降30%。鋼纖維摻量為2%高強混凝土抗氣蝕能力增加1.4 倍。鋼纖維混凝土在廢氣、廢水中都呈現良好的耐腐蝕性，暴露在污水中5 年后的試件碳化深度小于5mm，只有表層的鋼纖維產生銹斑,內部鋼纖維未銹蝕，不像普通鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕后，銹蝕層體積膨脹而將混凝土脹裂。經150次凍融情況下鋼纖維混凝土摻量1.5，其抗壓和抗彎強度只20%比例減少。其他普通混凝土卻減少60%以上。鋼纖維混凝土在未達200 次凍融抗性，整體性好、收縮率低。在沿海地區的腐蝕環境下，得到廣泛應用。目前對耐磨耐久的結構性能有許多研究項目已完成。

2 鋼纖維混凝土的存在問題

由于鋼纖維攪拌時容易結成一團，不能發揮其抗裂特性。價格貴，建筑市場的成本也居高不下。然而鋼纖維和易性低，使得泵送麻煩，加大施工人員的難度。此外鋼纖維混凝土重度大，在實際工程中不節約鋼材，造成鋼材用量大，使得單方造價高。此外，由于鋼纖維混凝土面臨的一大問題是,鋼纖維混凝土結構質量的保證除了施工配合比以及鋼纖維的強度外，還要考慮施工現場的技術攻關。機械和施工技術也成為較大的影響因素。

2.1 對混凝土抗壓強度提高較小

鋼纖維沒有向鋼管混凝土具有約束作用，所以在結構軸壓破壞中，對抗壓承載力提高明顯。但是鋼纖維仍然就有阻裂作用，所以在裂縫出現后期，對結構的變形具有阻止作用。

2.2 配合比設計復雜

為了防止鋼纖維結團，充分發揮其作用，則需要大量的水泥砂漿覆蓋鋼纖維表面，而摻量的差異造成混凝土的配合比不同，帶來配合比的繁瑣。否則，流動性、和易性都降低，而達不到效果。

2.3 施工麻煩

施工員需要投入更多的時間來指導拌合鋼纖維混凝土。目的是分散盡量均勻在混凝土中，減少結團的現象，結團則鋼纖維不能充分體現作用。換句話說鋼纖維發揮作用的前提下，才能提高強度，增加韌性。施工員的監督來保證質量，增加時間投入，可能拖延工期。

2.4 造價較高

價格貴，建筑市場的成本也居高不下，鋼纖維混凝土被限制在一般建筑物的使用。否則單方造價太貴，而不經濟。市場價格波動在每噸5000～10000 元之間。相對普通混凝土造價多出大約兩倍。不同品種，不同規格，價錢不一，參量不一，配合比不一。

2.5 裂縫出現前作用不明顯

因為鋼纖維主要作用為阻裂，所以在沒有出現裂縫時，其發揮程度很小或者沒有作用。混凝土與鋼纖維之間的粘結力不大。所以在裂縫出現后鋼纖維才充分發揮阻裂作用。這個方面值得改善，可做進一步研究。

3 鋼纖維混凝土的應用

由于鋼纖維具有良好的阻裂性能、高韌性能、抗拉性能、抗彎性能、耐沖擊性能、耐疲勞性能、耐火性能和耐火性能等物理力學性能。所以鋼纖維混凝土道路、水利、橋梁、建筑、抗爆，抗震等領域都得到廣泛應用。

3.1 建筑工程

三維散亂分布的鋼纖維，各個方向都有阻裂的作用，提高強度，提高韌性的作用。如廠房牛腿,梁柱節點等部位，結構制防水屋面的延性，抗裂性均有提高。強度和重量的比值增大。這是纖維混凝土具有優越經濟性的重要指標，也是它具有廣闊應用前景的重要保證；抗拉強度和主要有主拉應力控制的抗剪、抗彎、抗扭強度明顯提高。應用實例：承受重量級工作制造工業廠房，慶安鋼鐵廠以及沈陽市急救中心站綜合樓使用鋼纖維混凝土防水屋面經一年多的雨雪干濕凍融等作用未發現漏雨和裂痕此種剛性防水屋面一次性投資略高于三氈四油屋面,因為減少維修延長使用壽命可獲得較好的經濟效益。

3.2 道路和橋梁工程

對于有沖擊荷載以及大體積易裂的路面工程，考慮到其優越的性能。機場跑道、橋梁、道路等工程中廣泛應用鋼纖維混凝土抗裂性、高韌性，此外包括在新建及維修陳建工程的高強度性能的應用。鋼纖維混凝土在樓面、路面、橋面等抗爆性能優越。以及抗韌性、耐久性和橋梁的抗沖擊性。工程實例：隧道工程、滬杭高速公路以及成渝公路、北京東西環路立交橋、大足朱溪大橋、廣州解放大橋等工程使用鋼纖維混凝土并突破了施工中的相關技術問題，整體效果好，帶來的國有經濟效益十分顯著。

3.3 水利工程

鋼纖維混凝土的抗滲性，耐腐蝕性良好。對鋼筋有很好的保護作用，使得非常有前景。如：水庫的閘門，海上項目，水池等實例的應用。如：在支護工程，防腐工程，抗滲工程等應用廣泛，此外預應力混凝土結構中摻入鋼纖維可以增強混凝土的抗拉彎、疲勞及抗沖擊性能，尤其可以補強預應力對抗剪強度提高不大的弱點，減少截面尺寸并能加大跨度。工程實例：江蘇石舀港碼頭的軌道梁工程中使用鋼纖維混凝土，經濟效益好。

3.4 輕骨料中應用

使用高效減水劑和細骨料并摻入粉煤灰作為混凝土混合料，使鋼纖維輕骨料混凝土可以改善其施工拌合難度。使用礦物摻合料，引氣外劑和摻入鋼纖維可以提高輕骨料混凝土的抗拉強度。通常包含鋼纖維輕質混凝土的抗壓強度增加總量。摻量為2%以上的鋼纖維增強輕骨料混凝土比輕骨料混凝土的平均劈裂抗拉強度高顯著，即使在少量的鋼纖維作用下，特別是使用鉤端鋼纖維，鋼纖維增強輕骨料混凝土的膠凝強度，從而導致更高的改進的拉伸強度。此外，鋼纖維（具有彎曲韌性）和輕骨料混凝土的拌合提高了混凝土彎曲強度。在實踐中證實，鋼纖維的彎曲強度比普通混凝土更為明顯，在輕骨料中優勢明顯。

4 結束語

鋼纖維較高的彎曲韌性、斷裂韌性、抗拉伸，抗疲勞等力學性能，使得鋼纖維混凝土在道路、水利、橋梁、建筑、抗爆，抗震等工程領域都得到廣泛應用。相信在未來鋼纖維混凝土會有更好的發展前景，為我們的社會帶來更多的材料，技術更新，為我們帶來更多的社會經濟效益。

建筑事業的發展中，鋼纖維也要擺脫造價高，攪拌易結團，施工配合比復雜等缺點，發展成為經濟友好型材料。我相信隨著技術的發展，鋼纖維能突破自身的缺點，充分發揮自身的優勢，在國內外應用中顯示其優越性。