钢纤维混凝土的性能及其发展应用 一方钢纤维混凝土价格

来源:工程科技 发布时间:2019-04-05 06:33:57 点击:

  混凝土高强化是混凝土研究与发展多年来的努力方向。但是混凝土固有的弱点为抗拉、抗弯、抗冲击、抗爆以及韧性差等却限制着其优势的充分发挥,并且随着混凝土强度的不断提高,这一弱点也愈益突出。通常认为,混凝土强度越高,其韧性越差,脆性越高,结构延性和抗裂能力越不足,给结构抗震性能带来的安全隐患。因此,长期以来许多学者不断探索改善混凝土上述性能的方法和途径。钢纤维增强混凝土,就是近年来研究和应用最广的途径之一。
  钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。它是近些年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。
  1、钢纤维混凝土增强机理
  关于纤维混凝土增强机理的研究,主要有两种理论,一种是纤维间距理论,另一种是复合材料力学理论
  (1)纤维间距理论是由Romualdi和Batson于1963年提出,主要是根据线弹性断裂力学来说明纤维对裂缝发生和发展的阻滞作用。该理论认为要增强混凝土的抗裂性和延性,必须尽可能地减小基体内部缺陷的尺寸,降低裂缝端的应力集中程度.而纤维的掺入起到了优化材料内部组织结构和降低裂缝端应力集中的双重效应.理论分析与试验证明,当纤维的平均间距小于7.6mm时,纤维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得以提高。
  (2)复合材料力学理论是由英国的Swamy教授提出的,主要是从复合材料的混合原理出发,将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系,用混合原理推求纤维混凝土的抗拉和抗弯强度,并提出了纤维混凝土强度与纤维的掺入量、方向、长径比及黏结力之间的关系。
  2、钢纤维混凝土的物理力学性能
  由于钢纤维的掺入,其混凝土的物理力学性能发生了如下的改变:
  2.1抗弯性能
  纤维混凝土的抗弯性能最能反映出纤维的增强、增韧效果。钢纤维混凝土的抗弯强度随钢纤维
  
  
  
  
  
  
  
  图2-1-1纤维掺量与抗弯强度
  掺量的增加而呈直线形增大。不同纤维掺量的抗弯强度值见图2-1-1。当纤维含量为2%时,混凝土的抗弯强度约为不掺的2倍,水泥砂浆的抗弯强度约为不掺的2.5倍,见图2-1-2。
  
  
  
  
  
  
  
  
  图2-1-2纤维掺量与抗弯强度对比
  2.2抗剪性能
  在钢筋混凝土构件中,其抗剪强度主要是靠箍筋和弯起钢筋承担,为了提高混凝土的抗剪强度,往往用增加这些抗剪钢筋的数量的方法,但其结果是不仅是工程投资增大,并且给施工带来不能便,特别是对薄壁等结构问题就更突出,而采用钢纤维混凝土是解决这一问题的有效途径。东南大学蒋金洋等对C60的钢纤维高强混凝土进行抗剪试验,得出在钢纤维体积率为1%、2%、3%时,相应的钢纤维混凝土抗剪强度分别提高91.3%、116%、166%。
  2.3初裂强度
  初裂强度是混凝土抗裂性能的重要标志,混凝土掺加钢纤维后,弯曲时裂缝出现强度显著提高,其提高的数值与纤维掺量成正比见图2-3-1。钢纤维水泥砂浆和混凝土与不掺钢纤维的初裂强度对比见图2-3-2。如图所示,随钢纤维含量的增加,初裂强度随之增加,当纤维含量为2%时,混凝土初裂强度为空白混凝土的1.4倍。
  
  
  
  
  
  
  
  纤维掺量(%)
  图2-3-1钢纤维掺量与初裂强度
  
  
  
  
  
  
   钢纤维掺量(%)
  图2-3-2钢纤维掺量与初裂强度比值
  2.4抗拉性能
  随着钢纤维掺量的增加,混凝土的抗拉强度也呈比例的提高,不同钢纤维掺量的混凝土抗拉强度,按直接及间接抗拉试验方法所得试验结果见图2-4-1。不同钢纤维掺量的混凝土与空白混凝土抗拉强度比见图2-4-2,当纤维含量为2%时,混凝土抗拉强度约为空白混凝土的2.3倍。
  钢纤维对混凝土抗拉性能改善作用的影响因素主要有:钢纤维掺量、钢纤维与混凝土界面黏结强度以及混凝土基体强度。焦楚杰等人通过试验得出,钢纤维对高强混凝土劈裂抗拉强度起着显著的增强效应,当钢纤维体积率为1%~3%时,钢纤维高强混凝土劈裂抗拉强度较基体增长36.9%~113.2%。
  
  
  
  
  
  图2-4-1钢纤维掺量与抗拉强度
  
  
  
  
  
  
  
  图2-4-2钢纤维掺量与抗拉强度比
  2.5抗冲击强度
  钢纤维混凝土具有较大的能量吸收能力。在动荷载作用下,钢纤维混凝土在裂缝扩展时,先是钢纤维克服基材的黏结力而被拉出,或是钢纤维被拉断,但这都需要消耗很大的能量。从这一点上可以看出钢纤维混凝土能提高抗冲击性能,因而抗冲击强度较高。
  2.6钢纤维混凝土耐腐蚀性
  钢纤维能有效地阻止混凝土裂缝的引发与发展,使混凝土碳化速度减缓。 钢纤维在混凝土中如果发生腐蚀,主要原因应该是由电化学作用引起的。我们用硅酸盐水泥配制的混凝土基体,在硬化过程和硬化后混凝土的孔隙中,所含有的水分通常以饱和碱溶液存在。在这种环境条件下,钢纤维表面形成一层不溶解的氧化膜,这种氧化膜能保护钢纤维,使它不受进一步侵蚀。
  3.钢纤维混凝土的应用
  钢纤维混凝土作为一种新型复合材料,以其优良的抗拉、抗弯、阻裂、耐冲击等物理力学性能,目前已被广泛应用于建筑工程、水利工程、公路桥梁工程、公路路面和机场道路工程、铁路公程、管道工程、内河航道工程、防暴工程和维修加固工程等各个专业领域。
  (1)水利工程
  钢纤维混凝土在水利工程中的应用比较广泛,主要将其用于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位,如溢洪道、泄水孔、有压疏水道、消力池、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大坝防渗面板及护坡等。这些部位对混凝土材料自身的抗拉强度、抗剪强度以及抗裂性能的要求都比较高,也正发挥了钢纤维混凝土的自身优势。我国在实际工程中应用的有:三峡工程、小浪底水利枢纽工程、三门峡泄水排砂底孔等工程。以上工程都获得了较为满意的效果,并取得了较好的经济效益。
  (2)道路和桥梁工程
  钢纤维混凝土在道路和桥梁工程方面,主要广泛应用于路面、桥梁、机场跑道等工程中。钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的韧性,抗冲击、抗疲劳性。在实际工程中有:沪杭高速公路、成渝公路、大足朱溪大桥、广州解放大桥等工程中都采用了钢纤维混凝土解决工程难题。日本第一条钢纤维混凝土路面铺筑在住友公司鹿岛工厂的堆料场上。
  (3) 建筑工程
  钢纤维混凝土在建筑工程中的应用越来越广泛,一般应用于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等工程领域中。钢纤维混凝土具有良好的抗裂性,可使构件在标准荷载下处于弹性阶段而不裂,不出现应力的重分布;用钢纤维混凝土制成的自防水预应力屋面板,不仅提高了自防水预应力屋面板的抗裂性能,同时也减少了纵向预应力筋的配筋率,提高了结构的耐久性。钢纤维混凝土在建筑中的应用实例有:哈尔滨工业大学邵逸夫体育馆的屋面就是采用钢纤维混凝土、福州东方大厦、沈阳市急救中心站综合楼、江苏省丹阳市中医院、辽阳市食品公司办公楼等工程。
  (4)铁路工程
  钢纤维混凝土在铁路工程方面主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕及抢修铁路桥面防水保护层中。钢纤维混凝土在铁路工程应用的实例有:柳州铁路局黔桂铁路铺设工程、南昆线家竹箐隧道工程和西安安康铁路椅子山隧道等工程。
  4.存在的问题
  纤维增强混凝土虽然可以很大程度的改善混凝土的力学性能,但同时也存在着一定的问题。
  (1)纤维的比表面积大,会降低混凝土拌合物的流动性。由于需要更多的水泥浆包裹纤维,使单方混凝土水泥用量增加。即使掺有表面活性剂,也随着纤维掺量的增加其流动性也会极大的下降。(2)钢纤维体积率超过一定范围容易结团,给搅拌均匀带来一定的困难,从而影响到混凝土的各项性能。在施工过程中由于钢纤维的掺入,其混凝土拌合物拌合难度增加。我国目前钢纤维混凝土施工机械与国外水平还有一定的差距,各种施工设备如纤维分散机等还需要进行进一步的开发与研制。
  (3)由于钢纤维售价高,生产成本高随之提高,通过钢纤维增强作用而节省的混凝土及钢筋通常不能补偿钢纤维用量所造成的成本提高。这是阻碍钢纤维混凝土发展的一个重要因素。
  5.结语
  钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料,它具有抗裂、抗冲击性能强、耐磨强度高、与水泥亲合性好,可增加构件强度,延长使用寿命等优点。钢纤维在水泥制品中的应用尽管起步比较晚,但其发展速度却相当迅猛。目前钢纤维增强混凝土己广泛应用于公路路面、桥梁、隧道、机场路面、建筑、水利、港工、军事及各种建筑制品等混凝土领域,应用前景十分广阔,并朝向高性能与超高性能方向发展。

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