钢纤维混凝土应用技术

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第1章 引言
伴随着混凝土在工程方面使用更加广泛，不能满足工程要求的缺点就越来越明显。针对此情况长期以来，国内外许多专家和学者不断探索改善混凝土的性能的各种方法和途径，提出了一种以传统素混凝土为基体的复合材料钢纤维混凝土。
1.1钢纤维混凝土定义和特点
钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete,简写为SFRC）就是在普通混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。我国近年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。其中所掺的钢纤维是用钢质材料加工制成的短纤维，常用的有：切断型钢纤维、剪切型钢纤维、铣削型钢纤维、熔抽型钢纤维等。钢纤维在混凝土中主要是限制混凝土裂缝的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度较普通混凝土有显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性有较大改善，使原本属于脆性材料的混凝土变成具有一定塑性性能的复合材料，从而改善了结构使用的寿命，对节省工程造价等具有重要的经济效益和社会效益。

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1.2钢纤维混凝土的历史发展及其特点
有关钢纤维混凝土的最早文献出现在上世纪初，美国H.F.Porter于1910年提出建议，开展在混凝土中均匀掺入钢纤维以作为增强材料的研究，发表了有关以短纤维增强混凝土的研究报告，其设想与现在的钢纤维混凝土大体相同。随后在1911年，美国的Grallam就把钢纤维掺入普通钢筋混凝土中，得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果。
在20世纪40年代，美国、法国、英国、德国等先后公布了许多关于钢纤维混凝土补强混凝土结构方面的专利，主要涉及钢纤维提高混凝土的耐磨性、抗剪能力的研究报告以及钢纤维制造工艺、改进钢纤维形状来提高钢纤维与混凝土基体的粘结力。日本在二战时因军事需要，要将8#镀锌铁丝(直径4.2nlnl)切成8一10cm长，再以手工方法把它投入到圆筒形搅拌机内的混凝土中，并与混凝土均匀拌合，掺入量为混凝土体积掺量的1%以下，当时用此混凝土进行放炸弹的结构试验。并与钢筋混凝土在耐爆性能方面进行对比分析，但这时候的钢纤维一直没有达到实用阶段。一直到1963年，J.P.RomUaldi和G:BBatson发表了一系列关于钢纤维约束混凝土裂缝开展机理的研究报告，提出了钢纤维平均间距理论以后，有关钢纤维混凝土这种复合材料的开发、试验以及应用才迅速开展起来。
20世纪70年代，美国Battelle公司开发了熔抽技术，大大降低了钢纤维的造价，为钢纤维的推广应用提供了可行性条件。接下来的20年中，钢纤维的应用得到了普遍重视，尤其以日本、美国、英国发展最快。美国在高层建筑中开始大量采用纤维增强混凝土预制墙板、阳台、波形板和空心板，铺设了大量的公路路面和桥面。而在欧洲，钢纤维混凝土成功地应用于伦敦希斯罗国际机场高层停车场的预制地板、法兰克福国际机场跑道和停机坪的改建工程。美国和日本先后制定了《纤维混凝土分类、搅拌及浇注成型指南》，并于1993年进行了修订。日本土木工程协会和混凝土协会先后制定了《钢纤维混凝土设计指南》和《纤维混凝土试验方法标准》。
我国对钢纤维混凝土的研究较晚，对钢纤维混凝土基本理论的研究开始于70年代，随着钢纤维产量的提高，近年来对钢纤维混凝土做了大量的研究工作，在钢纤维混凝土基本性能和增强增韧机理方面取得了很大的进步。大连理工大学赵国藩院士首先从断裂力学理论出发，导出了与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混凝土抗拉强度公式，并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态。1986一2008年，我国先后在大连、哈尔滨和上海、北京等地举行了第一至第十二届纤维水泥制品与纤维混凝土学术会议。并由哈尔滨建筑大学、大连理工大学等单位编制了中国工程建设标准化协会领出版的《钢纤维混凝土试验方法标准》、《钢纤维混凝土结构设计和施工规程》，为我国钢纤维混凝土的基础理论研究和工程应用起到积极的推动作用。
虽然在钢纤维混凝土的基本性能与增强机理研究方面都取得了长足的进展，但同欧美和日本相比，我国在钢纤维混凝土的开发与应用方面还有一定的差距。并且随着轻质、高强、高性能混凝土在工程中的应用，现有的技术标准和规程还不能满足工程上的需要，仍需要补充修订。钢纤维增强轻质混凝土、高强混凝土以及与钢丝网等材料联合应用方面，结构设计理论和相关的施工技术仍需进一步研究，以使钢纤维混凝土的应用得到更大的推广奥鹏作业答案，奥鹏毕业论文。
随着我国经济发展的不断提高，大跨度结构和高层建筑的需求量日益增加，混凝土的结构耐久性越来越得到重视，其自重大、脆性大、抗拉强度低等一系列的弱点凸显出来，限制了它的发展。而钢纤维纤维混凝土克服了这些缺点。从而在我国水利工程方面、建筑工程方面、道路和桥梁工程方面、铁路工程方面、军事工程方面得到了广泛的应用。

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第2章 钢纤维混凝土的基本性能
钢纤维混凝土的特点是抗裂,抗拉,抗弯,抗剪,耐磨性能,疲劳强度和抗冻融性能均较普通混凝土有大幅提高。而发生这些变化的是因混凝土中掺入了钢纤维，下面我们就其的基本性能和引发的增强机能进行如下分析奥鹏作业答案，奥鹏毕业论文。
2.1 钢纤维基本性能
2.1.1钢纤维的类型及特征参数
钢纤维按材质分,有普通碳钢钢纤维和不锈钢钢纤维,其中以普通钢钢纤维用量居多;按外形分有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形;按截面形状分有圆形、矩形、月牙形及不规则形;按生产工艺分有切断型、剪切型、铣削型及熔抽型;按施工用途分有浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。为满足钢纤维的增强效果与施工性能,通常采用钢纤维长度为15～60mm,直径或等效直径为0.3～1.2mm,长径比为30～100,纤维的体积掺量为0.5%～2%。
2.1.2钢纤维的主要性能
钢纤维的主要性能包括抗拉强度与黏结强度。试验表明,由于普通钢纤维混凝土主要是因钢纤维拔出而破坏,并不是因钢纤维拉断而破坏,因此钢纤维的抗拉强度一般能满足使用要求,而其与混凝土基体界面的黏结强度是钢纤维混凝土性能的主要因素。黏结强度除与基体的性能有关外,就钢纤维本身而言,与钢纤维的外形和截面形状有关。
国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究并作归纳，具体的研究内容如下：
（1）强度和重量的比值增大。这是纤维混凝土具有优越经济性的重要指标，也是它具有广阔应用前景的重要保证；抗拉强度和主要有主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度明显提高。当纤维掺量在1%～2%范围内，抗拉强度提高25%～50%，抗弯强度提高30%～80%，用直接双面试验所测定的抗弯强度提高50%～100%。抗压强度提高幅度较小，一般在0～25%。
（2）变形性能明显改善。钢纤维对混凝土抗压弹性模量影响不显著，受拉弹性模量随纤维掺量的增加约提高0～20%。钢纤维对混凝土的韧性比素混凝土大大提高。在通常的纤维掺量下，抗压韧性可提高2～7倍，抗弯韧性可提高几倍到几十倍；弯曲冲击韧性可提高2～4倍，板式试验落锤法击碎试验所测得的冲击韧性可提高几倍到几十倍。
（3）抗收缩和徐变性能有所提高。钢纤维混凝土的收缩值随着掺量的增加而有所降低。例如，掺量为1.5%（长径比为50）的钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。持续荷载下钢纤维混凝土的受压徐变比相同条件的普通混凝土有所降低。
（4）抗裂和抗疲劳性能有较大改善。由于钢纤维对混凝土的阻裂作用，钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的软化性能和抗疲劳性能。例如掺有2%的钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达到2×10 次时，应力水平可达到0.92，而普通混凝土的应力水平为0.56。
（5）具有较好的物理耐久性和化学耐久性。钢纤维混凝土在各种物理因素作用下的耐久性一般来说都有不同程度的提高，其中耐久性、耐热性和抗蚀性有显著提高，抗渗性能与普通混凝土相比没有明显提高变化。掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。
钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。

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2.2钢纤维混凝土的增强机能
目前对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理存在着两种不同的理论解释。其一为美Romualdi提出的“纤维间距机理”;其二为英国的Swamy,mangat等人提出的“复合材料机理”。
（1）纤维间距机理  这一机理是:根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。认为在混凝土内部原来就存在缺陷,欲提高这种材料强度,必须尽可能的减少缺陷的程度,提高韧性,降低内部裂缝端部的应力集中系数。
假定纤维在拉力方向呈棋盘分布(间隔S),裂缝(半径a)存在于4根纤维所围住的中心时,由于拉伸应力所引起的粘结应力分布(τ),产生于和纤维相邻近的裂缝端部附近处,起着约束裂缝开展的作用。如果没拉伸应力引起的内部裂缝端部应力集中系数Kδ,而与裂缝端部相邻近的粘结应力分布τ产生的具有相反意义的,起约束作用的应力集中系数为Kf则总的应力系数Kt将减少,即:Kt=Kδ-Kf
所以初裂缝强度得以提高。可见,单位面积内的纤维数(n)越多亦即纤维间距越小,强度提高的效果也就越好。
为了证实混凝土的初裂强度受纤维间距支配,Romuldi等人还做了相应的试验,实验结果同理论推导是比较接近的。理论推算和试验结果都表明在一定的纤维体积含量时,可以认为抗拉强度近似地同纤维间距成比例关系。
纤维间距机理假定,纤维和基体间的粘结是完善的,这和事实有出入。间距的概念一旦超出了比例极限就不再成立,因而还不是很完美的理论。
（2）复合材料机理   这一机理的理论出发点是复合材料构成的混合原理。将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系,并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。
在基体和纤维完全粘结的条件下,并在基体和连续纤维构成的复合体上施加拉伸力时,该复合体的强度是由纤维和基体的体积比和应力所决定。