钢纤维混凝土的性能及应用？
一.导言
1824出现硅酸盐水泥后，人类开始使用混凝土建造建筑物。然后钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土分别出现在1850和1928，混凝土被广泛使用。20世纪20年代，随着结构计算理论和施工技术的相对成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用，应用领域越来越广。目前，它是世界上最大和最广泛使用的建筑材料。
混凝土是一种优良的建筑材料，但由于其弯曲、拉伸和冲击韧性较差而被广泛使用。因此，考虑能否在混凝土中加入抗拉强度高、韧性好的短细纤维来改善其性能。
1901年，波特发表了第一篇关于钢纤维混凝土的论文。1911年，美国的格雷厄姆提出在普通钢筋混凝土中加入钢纤维。到了四十年代，由于军事工程的需要，英、美、法、德、日等国相继进行了研究，并公布了一些专利，但进展并不大，因为这些研究和专利几乎都未能解释钢纤维对混凝土的增强机理。纤维混凝土真正进入实用研究是在20世纪60年代初。1963年美国Romualai发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告，真正使这项研究进入了一个新的发展时期。
二、钢纤维混凝土的增强机理
研究钢纤维混凝土增强机理的理论主要有两种:复合材料力学理论和纤维间距理论。这两种理论从不同角度解释了钢纤维对混凝土的增强作用，结果是一致的。
(一)复合材料力学理论
基于复合材料力学理论，钢纤维混凝土被视为一种纤维增强体系。利用混合原理推导了钢纤维混凝土的应力、弹性模量和强度，并引入了纤维方向系数，考虑了有效纤维体积比在拉应力方向的比例和不连续短纤维应力沿纤维长度的不均匀分布。
(二)纤维间距理论
纤维间距理论根据线弹性断裂力学原理解释了钢纤维对裂缝发生和发展的抑制作用。该理论认为，为了增强混凝土这种内部存在缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能减小内部缺陷的尺寸，降低裂尖处的应力场强度因子。对于混凝土等脆性材料，由于水泥浆与细骨料的界面区域以及砂浆与粗骨料的界面区域存在薄弱环节，虽然各组分都具有较高的抗拉强度，但混凝土一般会发生断裂，宏观抗拉强度很低。钢纤维的加入可以跨越裂缝两侧，使裂缝两侧钢纤维与混凝土之间的粘结应力起到抑制裂缝的作用。
三、钢纤维混凝土的应用
(一)水利水电工程
20ZLB-70轴流泵是目前农业泵站广泛使用的一种泵。22点(管道内径55cm，壁厚3cm)该泵型采用钢纤维混凝土泵管，以解决目前其他泵管在工程造价、工期、管理维护等方面存在的问题。江苏泗阳混凝土制品厂对钢纤维混凝土泵管采用的主要技术标准是:当施加的扬程达到7.5m时，管内工作压力达到0.075MPa，室内检查压力达到0.15MPa，0.1MPa无渗漏。安全系数值为3。所用混凝土比例为水泥、黄砂、碎石、水= L: 2.06: 1.12: 0.5。钢纤维的体积含量为1.5%，纤维长径比为60-100。关于钢纤维混凝土泵管的使用价值，工厂将这种泵管与同类型的铸铁泵管、钢板泵管、自应力水泥泵管、钢筋混凝土泵管进行了对比，发现钢板管和铸铁管用钢量最大，其次是钢筋混凝土管和预应力钢筋混凝土管。钢丝网水泥管和自应力管较小；而新开发的钢纤维管用钢量只有8kg，是最少的。在生产管理方面，钢板管和铸铁管容易生锈，连接螺栓和止水填料容易腐蚀，维护费用高。钢筋混凝土管和预应力钢筋混凝土管虽然维护费用少，但体积大，运输和安装不方便。钢丝网水泥管和自应力水泥管虽然用钢量和自重比前者少，但要有专门的生产工艺和设备。钢纤维混凝土管可以弥补上述六种管道的不足。泵管性能方面，各种泵管都能满足强度要求。
(2)桥梁工程
重庆交通大学等单位对钢纤维混凝土肋拱桥的动力性能进行了分析，通过部分采用钢纤维混凝土，成功设计出净距为60m、拱圈高度为1.55m的肋拱桥。成桥后，对该桥的自振频率、模态和冲击性能进行了测试。结果表明，钢纤维混凝土肋拱桥不仅造价低，而且在地震作用下明显小于普通混凝土肋拱桥。
(3)住房项目
节点是框架梁柱的传力枢纽，也是框架的薄弱环节。国内外几次大地震表明，许多钢筋混凝土框架节点在地震作用下都有不同程度的破坏，节点的抗震问题已引起工程界的重视。按照传统的方法，为了提高钢筋混凝土节点的抗震强度和延性，需要在节点处配置多而密的箍筋，节点处箍筋的施工难度较大。接缝处钢筋过于密集也影响混凝土的浇筑质量。在框架节点处用钢纤维钢筋代替部分箍筋可以有效解决这一问题。
最早由哈尔滨建筑大学范成谋教授提出，经过实验室试验后应用于工程。最早申请的是吉林广播电台办公楼1661(1988 5月)和黑河市建委实验楼(1989 5月)。以上两个项目施工场地的年温差和昼夜温差都比较大。为了使防水层与找平层分离，以减少收缩和温度应力的影响，在钢纤维混凝土中掺入一定量的膨胀剂，取得了良好的效果。每立方米钢纤维混凝土的材料消耗量为:水泥:砂:碎石:钢纤维:水:减水剂:膨胀剂= 450:720:720:72:198:4.5:63。减水剂为上海产高效减水剂，减水率为15%。膨胀剂为合肥产品，自由膨胀值小于0.1%。刚性防水屋面分格设计，每格3×6m。每个仓库与四周墙壁之间设有分仓缝。隔间接缝用PVC防水油膏填充。木条尺寸为20×30mm，施工24小时后取出。防水层厚度为40毫米。
钢纤维混凝土的应用领域非常广泛，这里不一一列举。
综上所述，钢纤维混凝土由于一系列突出的优点和巨大的技术发展潜力，可以预见在下一个21世纪将取得更大的技术进步和广阔的应用前景。
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