高强度钢纤维混凝土的应用工程技术
近年来国家对公路基础设施的投资很大全国各地都兴起修建高等级公路的热潮目前在公路桥梁的建设中混凝土桥面破损非常严重不但影响正常交通而且不利于安全。70年代以来国外已采用钢纤维混凝土铺修桥面对于提高桥面层的抗裂性耐磨性和减少维修工作量都有很大好处。我国从80年代开始陆续用钢纤维混凝土修筑桥面也取得了很好的效果。钢纤维混凝土作为一种新型的材料逐渐重视起来。钢纤维混凝土就是将适量的碳钢纤维均匀的掺入到普通混凝土中形成的。钢纤维混凝土的出现使传统的建筑材料工艺产生深刻的变化。
1 刚纤维混凝土特点 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砼有大幅提高。用钢纤维混凝土铺设公路路面或机场跑道厂房地面等可使厚度减薄一半并使接缝间距延长数倍至十倍且寿命大大增加。使用钢纤维混凝土同时免去盘条和金属网配筋不仅节约钢材而且混凝土质量更加可靠。
2 钢纤维混凝土的增强机理 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Swamymangat等人提出的“复合材料机理”。
2.1 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:KtKδ-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。
2.2 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。
3 原材料质量要求 钢纤维表面应洁净无锈无油保证钢纤维与混凝土的粘结强度。另外不允许因分散不均而相互粘结成团。尺寸和抗拉强度应符合技术要求。 不得采用海水海沙严禁掺加氯盐。粗骨料粒径不宜大于20mm和钢纤维长度的2/3。 外加剂宜选用优质减水剂对抗冻性有要求的钢纤维混凝土宜选用引气型减水剂。 水泥骨料水外加剂和混合材料应符合国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》中的关规定。
4 钢纤维混凝土配合比设计 钢纤维混凝土的配合比设计应满足结构设计要求的抗压强度与抗折强度以及施工中要求的和易性。在某些条件下还应满足对抗冻抗渗性耐腐蚀性或耐冲刷性等项要求。 根据强度标准值或设计值以及施工配置强度提高系数确定试配抗压强度和抗折强度。按试配抗压强度计算水灰比一般不大于0.50水泥用量不大于500公斤。根据试验抗折强度按规定计算或通过已有资料确定钢纤维体积率。根据施工要求的稠度通过试验或已有资料确定单位体积用水量如掺用外加剂应考虑外加剂的影响。根据试验或有关资料确定合理砂率一般选用50左右使用时根据所用材料的品种规格纤维体积率水灰比等适量调整。按绝对体积法或假定质量密度法计算材料用量确定试验配合比。按试配配合比进行拌和物性能试验调整单位体积用量和砂率确定强度试验用基准配合比。
5 钢纤维混凝土的拌和 宜采用机械拌和。当钢纤维体积率高拌和物稠度较大时搅拌机一次拌和量不大于其额定拌和量的80。 各种材料的重量计量准确称量偏差在允许范围内。 搅拌的投料次序和方法应以搅拌过程中钢纤维不结团不产生弯曲或折断不因拌和机超负荷而停止运转出料口不堵塞为原则。宜选用将钢纤维水泥粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法。 钢纤维混凝土的搅拌时间应通过现场搅拌试验确定并比应该普通混凝土规定的搅拌时间延长12min采用先干拌后湿拌的拌和试验时干拌时间不宜小于1.5min。
6 钢纤维混凝土的运输浇筑和养护 混凝土在运输的时候应缩短运输时间运输过程中避免拌和物离析钢纤维混凝土的浇筑方法应保证钢纤维分布均匀性和结构的连续性在一个规定连续浇筑区域内浇筑施工过程不得中断拌和料从搅拌机卸出到浇筑完毕时间不宜超过30min钢纤维混凝土应采用机械振捣不得采用人工振捣所采用的振捣机械和振捣方法除应保证混凝土密实度外尚应保证钢纤维分布均匀。
7 钢纤维混凝土的质量控制 钢纤维混凝土的质量检验除应对原材料配合比施工主要环节按现行有关混凝土结构工程施工与验收规范的规定执行外尚应检验下列项目:对钢纤维进行质量检验。钢纤维的称量每一工班至少检验二次同时应采用水洗法在浇筑地点取样检测钢纤维体积率每工作班至少二次水洗法检验钢纤维体积率的误差不应超过配合比要求的钢纤维体积率的±15。取样制作抗压抗折强度标准试件坍落度不大于50mm的钢纤维混凝土用震动台振实大于50mm的用木槌振实。抗压试块采用边长150mm的立方体为标准试件标准养护28天测定其抗压强度抗折试件采用150m×150mm×550mm的标准试件经标准养护在龄期达90天时进行测试。
8 钢纤维混凝土在公路工程中的应用 2002年在新乡市新辉特大立交桥工程中桥面伸所缝处采用C50钢纤维混凝土。我们严格按照设计文件和规定要求选用黑龙江庆安钢铁厂生产的熔抽型碳钢纤维天津蓟县产12cm石灰岩碎石天津蓟县产河砂细度模数2.7天津华联外加剂厂生产的“永强”牌TD-10减水防冻剂唐山冀东水泥厂生产的“盾石”525普硅水泥经过反复的试验最后确定了用于桥面伸缩缝的C50钢纤维混凝土配合比。 在桥面伸缩缝施工过程中严格按照配合比控制原材料质量搅拌振捣和浇筑全部按规范要求进行施工取得了很好的效果。经过工程施工的检验能够满足设计的要求。
9 结束语 钢纤维混凝土虽有很多的优点但在应用上还是受到一定的限制。如施工和易性较差搅拌和振捣时会发生纤维成团或折断等问题粘结性能也有待进一步改善。但是价格贵亦是影晌钢纤维推广使用的一个重要因素钢纤维的制造价格也将随着生产方法的改善和技术设备的更新而不断降低。但我们完全有理由相信在不久的将来钢纤维混凝土一定会在国外更多的应用范围内显示出强大的优越性。
1 刚纤维混凝土特点 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砼有大幅提高。用钢纤维混凝土铺设公路路面或机场跑道厂房地面等可使厚度减薄一半并使接缝间距延长数倍至十倍且寿命大大增加。使用钢纤维混凝土同时免去盘条和金属网配筋不仅节约钢材而且混凝土质量更加可靠。
2 钢纤维混凝土的增强机理 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Swamymangat等人提出的“复合材料机理”。
2.1 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:KtKδ-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。
2.2 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。
3 原材料质量要求 钢纤维表面应洁净无锈无油保证钢纤维与混凝土的粘结强度。另外不允许因分散不均而相互粘结成团。尺寸和抗拉强度应符合技术要求。 不得采用海水海沙严禁掺加氯盐。粗骨料粒径不宜大于20mm和钢纤维长度的2/3。 外加剂宜选用优质减水剂对抗冻性有要求的钢纤维混凝土宜选用引气型减水剂。 水泥骨料水外加剂和混合材料应符合国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》中的关规定。
4 钢纤维混凝土配合比设计 钢纤维混凝土的配合比设计应满足结构设计要求的抗压强度与抗折强度以及施工中要求的和易性。在某些条件下还应满足对抗冻抗渗性耐腐蚀性或耐冲刷性等项要求。 根据强度标准值或设计值以及施工配置强度提高系数确定试配抗压强度和抗折强度。按试配抗压强度计算水灰比一般不大于0.50水泥用量不大于500公斤。根据试验抗折强度按规定计算或通过已有资料确定钢纤维体积率。根据施工要求的稠度通过试验或已有资料确定单位体积用水量如掺用外加剂应考虑外加剂的影响。根据试验或有关资料确定合理砂率一般选用50左右使用时根据所用材料的品种规格纤维体积率水灰比等适量调整。按绝对体积法或假定质量密度法计算材料用量确定试验配合比。按试配配合比进行拌和物性能试验调整单位体积用量和砂率确定强度试验用基准配合比。
5 钢纤维混凝土的拌和 宜采用机械拌和。当钢纤维体积率高拌和物稠度较大时搅拌机一次拌和量不大于其额定拌和量的80。 各种材料的重量计量准确称量偏差在允许范围内。 搅拌的投料次序和方法应以搅拌过程中钢纤维不结团不产生弯曲或折断不因拌和机超负荷而停止运转出料口不堵塞为原则。宜选用将钢纤维水泥粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法。 钢纤维混凝土的搅拌时间应通过现场搅拌试验确定并比应该普通混凝土规定的搅拌时间延长12min采用先干拌后湿拌的拌和试验时干拌时间不宜小于1.5min。
6 钢纤维混凝土的运输浇筑和养护 混凝土在运输的时候应缩短运输时间运输过程中避免拌和物离析钢纤维混凝土的浇筑方法应保证钢纤维分布均匀性和结构的连续性在一个规定连续浇筑区域内浇筑施工过程不得中断拌和料从搅拌机卸出到浇筑完毕时间不宜超过30min钢纤维混凝土应采用机械振捣不得采用人工振捣所采用的振捣机械和振捣方法除应保证混凝土密实度外尚应保证钢纤维分布均匀。
7 钢纤维混凝土的质量控制 钢纤维混凝土的质量检验除应对原材料配合比施工主要环节按现行有关混凝土结构工程施工与验收规范的规定执行外尚应检验下列项目:对钢纤维进行质量检验。钢纤维的称量每一工班至少检验二次同时应采用水洗法在浇筑地点取样检测钢纤维体积率每工作班至少二次水洗法检验钢纤维体积率的误差不应超过配合比要求的钢纤维体积率的±15。取样制作抗压抗折强度标准试件坍落度不大于50mm的钢纤维混凝土用震动台振实大于50mm的用木槌振实。抗压试块采用边长150mm的立方体为标准试件标准养护28天测定其抗压强度抗折试件采用150m×150mm×550mm的标准试件经标准养护在龄期达90天时进行测试。
8 钢纤维混凝土在公路工程中的应用 2002年在新乡市新辉特大立交桥工程中桥面伸所缝处采用C50钢纤维混凝土。我们严格按照设计文件和规定要求选用黑龙江庆安钢铁厂生产的熔抽型碳钢纤维天津蓟县产12cm石灰岩碎石天津蓟县产河砂细度模数2.7天津华联外加剂厂生产的“永强”牌TD-10减水防冻剂唐山冀东水泥厂生产的“盾石”525普硅水泥经过反复的试验最后确定了用于桥面伸缩缝的C50钢纤维混凝土配合比。 在桥面伸缩缝施工过程中严格按照配合比控制原材料质量搅拌振捣和浇筑全部按规范要求进行施工取得了很好的效果。经过工程施工的检验能够满足设计的要求。
9 结束语 钢纤维混凝土虽有很多的优点但在应用上还是受到一定的限制。如施工和易性较差搅拌和振捣时会发生纤维成团或折断等问题粘结性能也有待进一步改善。但是价格贵亦是影晌钢纤维推广使用的一个重要因素钢纤维的制造价格也将随着生产方法的改善和技术设备的更新而不断降低。但我们完全有理由相信在不久的将来钢纤维混凝土一定会在国外更多的应用范围内显示出强大的优越性。
