鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)及性能研究

■閆保民，馮佰研，仉明坤，代 兵

■1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266510;2.山東省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266510;3.濟(jì)南一建集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250000

1 鋼纖維混凝土概述

現(xiàn)行土木建筑行業(yè)中，混凝土是應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一。作為水泥最主要的使用方式，混凝土具有很多優(yōu)點(diǎn)，如適用廣泛、價(jià)格低廉、澆筑便捷等。但混凝土彈性模量、抗沖擊能力等方面的缺點(diǎn)在工程實(shí)際中也難以忽視。將增強(qiáng)材料摻入水泥分散體中，可以有效提高混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能，本文就鋼纖維混凝土配合比、力學(xué)工作性能進(jìn)行研究，探討鋼纖維混凝土在土木工程中的廣闊應(yīng)用前景。

1.1 鋼纖維混凝土定義

鋼纖維混凝土由粗骨料、細(xì)骨料、水泥以及亂向分布的短鋼纖維組成，具有多相非均質(zhì)特性。在混凝土中摻入鋼纖維后，混凝土中的微缺陷發(fā)展收到遏制，同時(shí)宏觀裂縫的產(chǎn)生也受鋼纖維影響而減少。鋼纖維的摻入提高了混凝土的抗拉彎能力、抗沖擊與抗疲勞性能，使得鋼纖維混凝土較一般混凝土有著更加優(yōu)越的性能，在土木建筑行業(yè)被廣泛應(yīng)用。

1.2 鋼纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理

增強(qiáng)鋼纖維混凝土的性能需要從鋼釬維混凝土物理、化學(xué)、力學(xué)等方面進(jìn)行改造。通過這種本質(zhì)上的改造和根據(jù)材料新性能的理論基礎(chǔ)來提高鋼釬維混凝土的抗壓、抗裂等性能。

如今的鋼釬維混凝土基本理論是通過提高纖維的性能而發(fā)展起來的，如提高纖維的塑料和金屬的合成來提高鋼纖維的性能。由于鋼纖維混凝土的成分多，組成多樣性，合成多樣性和非均質(zhì)性造就了它要比其他的纖維增強(qiáng)復(fù)雜的多。對(duì)鋼纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理的現(xiàn)階段研究，主要依據(jù)兩種理論:一種是運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)理論(混合率法則);第二種是建立在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的纖維間距理論。

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(qiáng)度提高40%～80%，抗彎強(qiáng)度提高60%～120%，抗剪強(qiáng)度提高50%～100%，抗壓強(qiáng)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。

2 配合比

2.1 配合比設(shè)計(jì)原則

混凝土的配合比是影響混凝土性能的重要指標(biāo)，因而鋼纖混凝土的合理配合比顯得尤為重要，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明鋼纖維混凝土的配合比可以參考普通水泥混凝土的配合比，滿足混凝土強(qiáng)度要求，施工和易性要求，耐久性要求和經(jīng)濟(jì)性要求這四項(xiàng)要求。其中耐久性要求具體為:

(1)鋼纖維混凝土滿足耐久性要求最大的水灰比為0.47，最小單位水泥用量為360kg/m3以便達(dá)到抗?jié)B性和耐凍性等耐久性要求。

(2)鋼纖維混凝土嚴(yán)禁采用海水、海砂，不得摻加氯鹽及氯鹽類早強(qiáng)劑、防凍劑等外加劑并對(duì)混凝土使用的原材料進(jìn)行嚴(yán)格檢查選用優(yōu)等材料。

2.2 配合比參數(shù)的確定

(1)水灰比的確定

鋼纖維混凝土水灰比確定，可以按照一般混凝土的抗壓強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比關(guān)系式求得，即:

式中:ffcu—鋼纖維混凝土配制抗壓強(qiáng)度(MPa);

C/W—水灰比;

da、db—經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

fce—水泥實(shí)測(cè)28d 抗壓強(qiáng)度(MPa);

fce=rcfcu，rc—富余系數(shù);fcu—水泥強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)。

(2)鋼纖維的摻量

根據(jù)施工單位要求，并結(jié)合有關(guān)規(guī)范和參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定鋼纖維的設(shè)計(jì)摻量及體積率。

(3)砂率

利用經(jīng)驗(yàn)公式，在滿足強(qiáng)度和和易性的情況下，選擇合理的砂率。

影響砂率的主要因素有:①粗骨料選取過程中，粗骨料最大粒徑選取時(shí)，碎石比卵石砂率大些;若石料最大粒徑小，砂率需要適當(dāng)提高;②鋼纖維體積率或者長(zhǎng)徑比大，則鋼纖維表面積大，需要砂率也大些;③砂的細(xì)度模數(shù)較小時(shí)，拌合料的粘聚性容易得到保證，故砂率采用較小值;④水灰比不大時(shí)(水泥砂漿較為粘稠)，可以適當(dāng)選用較小砂率;⑤當(dāng)工程要求拌合料具有一定流動(dòng)性時(shí)，如粗骨料已出現(xiàn)離析，可以采用較大的砂率;⑥混凝土拌合時(shí)，如有減水、引氣劑摻入時(shí)，可適當(dāng)減少砂率。

(4)單位體積用水里及水泥用量

單位體積用水量和石子種類、最大粒徑、鋼纖維體積率、水灰比、砂子種類和粒徑有關(guān)。用水量:根據(jù)規(guī)范要求，初選單位用水量。水泥用量:根據(jù)水灰比和初選單位用水量，得出單位水泥用量。

2.3 實(shí)驗(yàn)室配合比的確定

按照配合比設(shè)計(jì)步驟，通過實(shí)驗(yàn)室試拌，確定了滿足施工要求配合比。

3 鋼纖維混凝土實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)計(jì)算

確定實(shí)驗(yàn)室配合比后，制作不同鋼纖維摻量與不同齡期的混凝土試件，分析鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的變化，以及減水劑對(duì)混凝土彈性模量與收縮性能的影響。

部分鋼纖維混凝土實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如下所示:

a)立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中:fcc—抗壓強(qiáng)度;P—破壞荷載;A—試件承壓面積。

b)立方體抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中:ft—抗彎強(qiáng)度;l—支座間距(即跨度);b—試件截面寬度;h—試件截面高度。

c)靜力抗壓彈性模量計(jì)算公式為:

式中:Ec—靜力抗壓彈性模量;P2—40%的極限破壞荷載;P1—應(yīng)力為0.5Mpa 時(shí)的荷載;ΔL—應(yīng)力從0.5MPa 增加到40%破壞應(yīng)力時(shí)的試件變形值;L—測(cè)量變形的標(biāo)距。

d)斷裂能計(jì)算公式為:

式中:GF—斷裂能;p—荷載;a0—裂縫深度;δ—試件中線位移;δmax—試件中線最大位移。

4 鋼纖維混凝土的基本性能

4.1 強(qiáng)度和重量比值增大

強(qiáng)度提升是鋼纖維混凝土相較一般混凝土的最大優(yōu)勢(shì)。

4.2 具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強(qiáng)度

短鋼纖維的摻入使混凝土力學(xué)性能有明顯提升，但當(dāng)鋼纖維摻入量提高到一定程度后，短鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用趨于穩(wěn)定。適量摻入鋼纖維，混凝土抗拉強(qiáng)度增加25%～50%，抗剪強(qiáng)度增加50%～100%，抗彎強(qiáng)度增加40%～80%。

4.3 抗沖擊性能強(qiáng)

沖擊韌性是指材料抵抗沖擊荷載的能力，摻入一定數(shù)量短鋼纖維后，混凝土抗沖擊性能有較大提升，沖擊抗壓韌性可增強(qiáng)數(shù)倍，沖擊抗彎、抗拉韌性可增強(qiáng)幾十倍。

4.4 抗疲勞性能顯著改善

鋼纖維混凝土較一般混凝土抗疲勞性能提升顯著。

4.5 耐久性能顯著改善

相較一般混凝土，鋼纖維混凝土在抗裂性、整體性等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，抗?jié)B性能沒有變化。因短鋼纖維的摻入，鋼纖維混凝土耐凍融性、耐磨性、耐熱性和抗腐蝕性都有所提高。

5 結(jié)論

鋼纖維混凝土經(jīng)過幾十年的試驗(yàn)與理論研究，現(xiàn)已走向了廣泛應(yīng)用的階段。廣泛實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明按照鋼纖維混凝土，在不同體積摻量條件下，能達(dá)到較好的強(qiáng)度等級(jí)和坍落度。進(jìn)一步的力學(xué)試驗(yàn)表明，鋼纖維的摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度沒有明顯的增強(qiáng)效果，對(duì)早期抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度、抗沖擊、耐疲勞等方面有較大增長(zhǎng)。配合比設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

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