鋼纖維混凝土的基本性能

鋼纖維（Steel Fiber）以切斷細(xì)鋼絲法、冷軋帶鋼剪切、鋼錠銑削或鋼水快速冷凝法制成長(zhǎng)徑比(纖維長(zhǎng)度與其直徑的比值，當(dāng)纖維截面為非圓形時(shí)，采用換算等效截面圓面積的直徑)為40～80的纖維。因制取方法的不同鋼纖維的性能有很大不同，如冷拔鋼絲拉伸強(qiáng)度為800-2000MPa、冷軋帶鋼剪切法拉伸強(qiáng)度為600-900MPa、鋼錠銑削法為700MPa；鋼水冷凝法雖為380MPa，但是適合生產(chǎn)耐熱纖維。鋼纖維主要用于制造鋼纖維混凝土，任何方法生產(chǎn)的鋼纖維都能起到強(qiáng)化混凝土的作用。加入鋼纖維的混凝土其抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、韌性、沖擊韌性等性能均得到較大提高。

鋼纖維按材質(zhì)分，有普通碳鋼鋼纖維和不銹鋼鋼纖維，其中以普通鋼鋼纖維用量居多;按外形分有長(zhǎng)直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分有圓形、矩形、月牙形及不規(guī)則形;按生產(chǎn)工藝分有切斷型、剪切型、銑削型及熔抽型;按施工用途分有澆筑用鋼纖維和噴射用鋼纖維。為滿足鋼纖維的增強(qiáng)效果與施工性能，通常采用鋼纖維長(zhǎng)度為15～60mm，直徑或等效直徑為0.3～1.2mm，長(zhǎng)徑比為30～100，纖維的體積摻量為0.5%～2%。

鋼纖維的主要性能：鋼纖維的主要性能包括抗拉強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，由于普通鋼纖維混凝土主要是因鋼纖維拔出而破壞，并不是因鋼纖維拉斷而破壞，因此鋼纖維的抗拉強(qiáng)度一般能滿足使用要求，而其與混凝土基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素。黏結(jié)強(qiáng)度除與基體的性能有關(guān)外，就鋼纖維本身而言，與鋼纖維的外形和截面形狀有關(guān)。

鋼纖維混凝土的基本性能

鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展。在受荷(拉、彎)初期，水泥基料與纖維共同承受外力，當(dāng)混凝土開裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優(yōu)越的物理和力學(xué)性能。

• 強(qiáng)度和重量比值增大：這是鋼纖維混凝土具有優(yōu)越經(jīng)濟(jì)性的重要標(biāo)志。
• 具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強(qiáng)度：在混凝土中摻入適量鋼纖維，其抗拉強(qiáng)度提高25%～50%，抗彎強(qiáng)度提高40%～80%，抗剪強(qiáng)度提高50%～100%。
• 具有卓越的抗沖擊性能：材料抵抗沖擊或震動(dòng)荷載作用的性能，稱為沖擊韌性，在通常的纖維摻量下，沖擊抗壓韌性可提高2～7倍，沖擊抗彎、抗拉等韌性可提高幾倍到幾十倍。
• 收縮性能明顯改善：在通常的纖維摻量下，鋼纖維混凝土較普通混凝土的收縮值降低7%～9%。
• 抗疲勞性能顯著提高：鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能比普通混凝土都有較大改善。當(dāng)摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時(shí)，應(yīng)力比為0.68，而普通混凝土僅為0.51;當(dāng)摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達(dá)2×106次時(shí)，應(yīng)力比為0.92，而普通混凝土僅為0.56。
• 耐久性能顯著提高：鋼纖維混凝土除抗?jié)B性能與普通混凝土相比沒有明顯變化外，由于鋼纖維混凝土抗裂性、整體性好，因而耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性均有顯著提高。摻有1.5%的鋼纖維混凝土經(jīng)150次凍融循環(huán)，其抗壓和抗彎強(qiáng)度下降約20%，而其他條件相同的普通混凝土卻下降60%以上，經(jīng)過200次凍融循環(huán)，鋼纖維混凝土試件仍保持完好。摻量為1%、強(qiáng)度等級(jí)為CF35的鋼纖維混凝土耐磨損失比普通混凝土降低30%。摻有2%鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗氣蝕能力較其他條件相同的高強(qiáng)混凝土提高1.4倍。鋼纖維混凝土在空氣、污水和海水中都呈現(xiàn)良好的耐腐蝕性，暴露在污水和海水中5年后的試件碳化深度小于5mm，只有表層的鋼纖維產(chǎn)生銹斑，內(nèi)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。

鋼纖維混凝土的作用原理

鋼纖維混凝土的X射線照片

鋼纖維混凝土就是意將鋼纖維均勻地分散于基體混凝土中（與混凝土一起攪拌），并通過分散的鋼纖維，減小因荷載在基體混凝土引起的細(xì)裂縫端部的應(yīng)力集中，從而控制混凝土裂縫的擴(kuò)展，提高整個(gè)復(fù)合材料的抗裂性。同時(shí)由于混凝土與鋼纖維接觸界面之間有很大的界面粘結(jié)力，因而可將外力傳到抗拉強(qiáng)度大、延伸率高的纖維上面，使鋼纖維混凝土作為一個(gè)均勻的整體抵抗外力的作用，顯著提高了混凝土原有的抗拉、抗彎強(qiáng)度和斷裂延伸率。特別是提高了混凝土的韌性和抗沖擊性。

纖維的增強(qiáng)效果主要取決于基體強(qiáng)度(fm)，纖維的長(zhǎng)徑比(鋼纖維長(zhǎng)度l與直徑d的比值，即I/d)，纖維的體積率(鋼纖維混凝土中鋼纖維所占體積百分?jǐn)?shù))，纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度(τ)，以及纖維在基體中的分布和取向(η)的影響。當(dāng)鋼纖維混凝土破壞時(shí)，大都是纖維被拔出而不是被拉斷，因此改善纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度是改善纖維增強(qiáng)效果的主要控制因素之一。

鋼纖維高強(qiáng)混凝土破壞具有以下特征：

• 非脆性破壞。

微小裂縫下降低應(yīng)力集中

普通混凝土是一種脆性材料，材料的強(qiáng)度越高，其脆性越大。摻加鋼纖維后，由于鋼纖維的作用，鋼纖維混凝土的破壞，多產(chǎn)生兩條或者多條主裂紋，并伴隨多條分支紋衍生和擴(kuò)展，使其在沖擊條件下，破壞并不像普通高強(qiáng)混凝土破壞時(shí)產(chǎn)生崩塊、飛塊等現(xiàn)象。即使試件被壓裂、壓碎，碎塊之間仍有鋼纖維連接。這與混凝土的脆性破壞明顯晃同，主裂紋的數(shù)量隨鋼纖維摻量增加而增多。這是因?yàn)樵诳焖偌虞d后，集料相、砂漿相和過渡相同時(shí)產(chǎn)生大量微裂紋。裂紋的擴(kuò)展來不及在最薄弱的截面貫通，而是在各自的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，因而提高了材料的韌性，大大降低了材料的脆性性質(zhì)。并且，在破壞過程中，鋼纖維是被拔出，而不是被拉斷。

• 破壞斷面凸凹不平。一般情況，混凝土在沖擊條件下的斷面比較平整，試件斷成2-3塊，相互獨(dú)立不連接，且塊體較大。而鋼纖維混凝土破壞過程中，在主裂紋中又伴隨多條分支裂紋、細(xì)裂紋充及穩(wěn)態(tài)微裂紋。同時(shí)又由于鋼纖維造成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的牽引、拉纖作用，鋼纖維混凝土的真壞斷面凸凹不平，所以具有更大的吸收能量的能力，研討會(huì)塊較多，較細(xì)，試件的邊緣破壞嚴(yán)重。
• 破壞面積大于相同強(qiáng)度的普通混凝土材料的破壞面積。從宏觀上看，鋼纖維高強(qiáng)混凝土在沖擊壓縮下產(chǎn)生的破壞面積比同樣條件下高強(qiáng)混凝土破壞面積大得多，也比試件的截住面面積大。這是因?yàn)榛炷�土中的鋼纖維使材料的缺陷減少，裂紋細(xì)化，改變了混凝土材料在各自相區(qū)的操作深化方式，只有吸收更多的能量才產(chǎn)生破壞，因而使得鋼纖維混凝土的破壞面積大大增加。

鋼纖維混凝土的施工工藝

鋼纖維混凝土的攪拌工藝

為防止鋼纖維混凝土在攪拌時(shí)纖維結(jié)團(tuán)，在施工時(shí)每拌一次的攪拌量不宜大于攪拌機(jī)額定攪拌量的80％。采用滾動(dòng)式攪拌機(jī)拌和，在攪拌
混凝土過程中必須保證鋼纖維均勻分布。為保證混凝土混合料的攪拌質(zhì)量，采用先干后濕的拌和工藝。投料順序及攪拌時(shí)間為：粗集料→鋼纖維（干拌1min）→細(xì)集料→水泥（干拌1min），其中鋼纖維在拌和時(shí)分三次加入拌和機(jī)中，邊拌邊加入鋼纖維，再倒入黃砂、水泥，待全部料投入后重拌2min～3min，最后加足水濕拌1min。總攪拌時(shí)間不超過6min，超攪拌會(huì)引起濕纖維結(jié)團(tuán)。按此程序拌出的混合料均勻。尚若在拌和中，先加水泥和粗、細(xì)集料，后加鋼纖維則容易結(jié)成團(tuán)。而且纖維團(tuán)越滾越緊，難以分開，一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結(jié)團(tuán)，就必須剔除掉，以防止因此而影響混凝土的質(zhì)量。

鋼纖維混凝土澆搗

鋼纖維混凝土澆搗與普通混凝土一樣，澆筑和振搗是施工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響鋼纖維混凝土的整體性和致密性。不同之處就是其流動(dòng)性較差，在邊角處容易產(chǎn)生蜂窩，因此，邊角部分可先用搗棒搗實(shí)。板角采用插入式振動(dòng)器振搗，然后用夯梁板來回整平。在混凝土面層抹平過程中，因鋼纖維直徑較粗而易冒出路面，影響到行車安全，故在施工時(shí)需注意清除。

鋼纖維混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域

鋼纖維混凝土近年來在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展。它克服了混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、性脆等缺點(diǎn)，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能，已在建筑、路橋、水工等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

鋼纖維混凝土在水利水電工程中的應(yīng)用

部分應(yīng)用鋼纖維混凝土的水利水電工程：浙江省淳安縣河村水庫(kù)泄洪洞支護(hù)，浙江省文成縣百丈際水電站引水隧洞、葛洲壩二江泄水閘、三門峽泄水排砂底孔、貴州烏江渡水電站、江西大港水電站的工程修補(bǔ)，湖南省永川市向阻壩渡槽局部槽身加強(qiáng)，浙江省玉環(huán)縣四海閘閘槽二期，三峽臨時(shí)船閘閘槽二期，杭州市德勝壩閘門門體等。鋼纖維混凝土在以上工程應(yīng)用均取得良好效果。

支護(hù)工程：鋼纖維混凝土由于抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度高，能承受較大的圍巖和土體的變形作用而保持良好的整體性，因此可用于隧洞支護(hù)、山體護(hù)坡等工程。

儲(chǔ)水、防滲、輸水管道工程：鋼纖維混凝土由于抗裂性能好、收縮率低，因而防水、防滲性能較好，可用于低壓輸水管、蓄水池、地下室防滲等工程。而在儲(chǔ)水和防滲結(jié)構(gòu)中鋼纖維混凝土可作防水層，有時(shí)也可兼作結(jié)構(gòu)層代替鋼筋混凝土。

高速水流沖刷磨損部位：鋼纖維混凝土具有較高的抗沖磨、抗氣蝕能力，因此可用于溢洪道、消力池、閘底板等承受高速水流作用的部位。如:大渡河支流南椏河石棉二級(jí)電站，該電站是引水式徑流電站，1965年建成發(fā)電。當(dāng)年汛期后，沖砂閘底板和護(hù)坦被沖成深槽，最深處達(dá)0.7m，埋設(shè)的28mm鋼筋全部磨斷，1968年和1969年先后兩次用輝綠巖鑄石板、環(huán)氧混凝土、呋喃混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固對(duì)比試驗(yàn)，除環(huán)氧混凝土在一個(gè)汛期內(nèi)磨損10～50mm外(后來也被沖毀了)，其余材料不到一個(gè)汛期全部被砸碎沖掉。1977年在毀壞處采用硅錳渣鑄石板、改性環(huán)氧砂漿、膠乳水泥砂漿、MC尼龍板、高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土等材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼纖維混凝土是較好的抗沖耐磨材料。

處于腐蝕環(huán)境中的構(gòu)件：鋼纖維混凝土具有良好的耐腐蝕性能，可用于海水等腐蝕環(huán)境中的閘門、輸水管道等構(gòu)件的防蝕層或結(jié)構(gòu)層。

復(fù)雜應(yīng)力部位：鋼纖維混凝土中的鋼纖維一般呈三維亂向分布，沿每個(gè)方向都有增強(qiáng)和增韌作用。鋼纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力區(qū)增強(qiáng)是非常有利的，而且容易澆筑成型，比鋼筋更能適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。此外，鋼纖維限制混凝土裂縫的作用也是鋼筋不能相比的。因此，可用于大壩內(nèi)廊道、泄水孔等孔口復(fù)雜應(yīng)力區(qū)和牛腿等受彎構(gòu)件的抗剪以及板的抗沖切部位等。

石油、化工、冶金行業(yè)

爐外精煉中的噴槍、浸漬管、擋渣堰；中間包包蓋、包襯；電爐三角區(qū)；爐蓋；鐵水溝溝蓋；魚雷罐；焦?fàn)t爐門；軋鋼加熱爐爐門；爐頂；燒咀；環(huán)形爐擋火墻；爐底輥；鍛鋼爐出鋼槽等各種窯爐的耐火襯里。煉油裝置中的催化裂化裝置的襯里。

建筑行業(yè)