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      鋼纖維混凝土
      發布日期:2024/6/5 14:04:06

      鋼纖維混凝土(SFRC)是一種新型的復合材料,可通過在普通混凝土中加入適量的短鋼纖維進行澆注和噴射。近年來,它在國內外發展迅速。它克服了混凝土抗拉強度低、極限伸長率小、脆性大的缺點。它具有優異的抗拉強度、抗彎性、抗剪切性、抗裂性、抗疲勞性和高韌性等性能。已應用于水利工程、路橋、建筑等工程領域。
      一.鋼纖維混凝土的發展
      纖維增強混凝土(FRC)是纖維增強混凝土的縮寫。它通常是由水泥漿、砂漿或混凝土與金屬纖維、無機纖維或有機纖維增強材料組成的水泥基復合材料。它是將具有高抗拉強度、高極限伸長率和高耐堿性的短細纖維均勻分散在混凝土基體中而形成的一種新型建筑材料?;炷林械睦w維可以限制混凝土早期裂縫的產生和在外力作用下裂縫的進一步擴展,有效克服混凝土抗拉強度低、易開裂、抗疲勞性差等固有缺陷,大大提高混凝土的抗滲、防水、抗凍和鋼筋保護性能。纖維混凝土,特別是鋼纖維混凝土,由于其優越的性能,在實際工程中越來越受到學術界和工程界的關注。1907年蘇聯專家BП。Hekpocab開始使用金屬纖維增強混凝土;1910年,H.F.Porter發表了一份關于短纖維鋼筋混凝土的研究報告,建議短鋼纖維應均勻分散在混凝土中,以增強基體材料;1911年,美國格雷厄姆在普通混凝土中加入鋼纖維,以提高混凝土的強度和穩定性;到20世紀40年代,美國、英國、法國、德國、日本等國在利用鋼纖維提高混凝土的耐磨性和抗裂性、鋼纖維混凝土的制造技術、改善鋼纖維的形狀以提高纖維與混凝土基體的結合強度等方面做了大量研究;1963年,J.P.romualdi和G.B.Batson發表了一篇關于鋼纖維約束混凝土裂縫發展機制的論文,提出了鋼纖維混凝土的裂縫強度由在拉應力中起有效作用的鋼纖維的平均間距決定的結論(纖維間距理論),從而開啟了這種新型復合材料的實際發展階段。到目前為止,隨著鋼纖維混凝土的普及和應用,由于纖維在混凝土中的分布不同,主要有四種類型:鋼纖維混凝土、混合纖維混凝土、分層鋼纖維混凝土和分層混合纖維混凝土。
      二.鋼纖維混凝土的加固機理
      1.復合材料力學理論。復合材料力學理論以連續纖維復合材料理論為基礎,結合鋼纖維在混凝土中的分布特點。在該理論中,復合材料被視為纖維為一相、基體為另一相的兩相復合材料。
      2.纖維間距理論。纖維間距理論,也稱為抗裂理論,是基于線彈性斷裂力學提出的。該理論認為,纖維的增強效果只與均勻分布的纖維間距(最小間距)有關。
      三.鋼纖維混凝土發展現狀分析
      1.鋼纖維混凝土。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中加入少量低碳鋼、不銹鋼和玻璃鋼纖維而形成的一種相對均勻、多向的鋼筋混凝土。鋼纖維的摻量一般為1%~2%(體積),每立方米混凝土按重量計摻70~100kg鋼纖維。鋼纖維的長度應為25~60mm,直徑應為0.25~1.25mm,長度與直徑的最佳比例應為50~700。與普通混凝土相比,它不僅能提高混凝土的抗拉、抗剪、抗彎、耐磨、抗裂性能,而且能大大提高混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能,顯著提高結構的抗疲勞性和耐久性,尤其是韌性可提高10~20倍。比較了我國鋼纖維混凝土與普通混凝土的力學性能。當鋼纖維含量為15%~20%,水灰比為0.45時,抗拉強度提高50%~70%,彎曲強度提高120%~180%,沖擊強度提高10~20倍,沖擊疲勞強度提高15~20倍、彎曲韌性提高14~20倍。因此,鋼纖維混凝土比素混凝土具有更好的物理力學性能。

      2.混合纖維混凝土。相關研究數據表明,鋼纖維對混凝土抗壓強度沒有顯著的促進作用,甚至降低混凝土抗壓強度;與素混凝土相比,對于鋼纖維混凝土的抗滲性、耐磨性、抗沖擊性和耐磨性以及防止混凝土早期塑性收縮,有積極的看法和消極的看法(增加和減少),甚至有中間的看法。此外,鋼纖維混凝土還存在用量大、價格高、銹蝕、幾乎不耐火災爆裂等問題,不同程度地影響了其應用。近年來,國內外一些學者開始關注混雜纖維混凝土(HFRC),試圖將具有不同性能和優勢的纖維混合在一起,相互借鑒,在不同水平和荷載階段發揮“正混雜效應”,增強混凝土的各種性能,以滿足不同工程的需要。然而,就其各種力學性能,特別是疲勞變形和疲勞損傷,在靜、動載荷和恒幅或變幅循環載荷下的變形發展規律和損傷特性,纖維的最佳摻量和配合比,復合材料成分之間的關系,增強效果和增強機理,抗疲勞性能,破壞機理和施工工藝等方面,配合比設計問題還有待進一步研究。

      3.分層鋼纖維混凝土。單片纖維混凝土不易攪拌均勻,纖維易結塊,纖維用量大,成本相對較高,影響了其廣泛應用。通過大量的工程實踐和理論研究,提出了一種新型的鋼纖維結構——層鋼纖維混凝土。少量鋼纖維均勻分布在路面板的上下表面,中間仍是素混凝土層。LSFRC中的鋼纖維通常是手動或機械分配的。鋼纖維較長,長徑比一般在70~120之間,呈二維分布。在不影響力學性能的情況下,這種材料不僅大大減少了鋼纖維的用量,而且避免了整體纖維混凝土攪拌過程中纖維團聚的現象。此外,鋼纖維層在混凝土中的位置對混凝土的抗彎強度有很大影響?;炷恋撞康匿摾w維層加固效果最好。隨著鋼纖維層位置的上移,加固效果顯著下降。LSFRC的抗彎強度比相同配合比的素混凝土高35%以上,略低于整體鋼纖維混凝土。然而,LSFRC可以節省大量的材料成本,并且不存在混合困難的問題。因此,LSFRC是一種具有良好社會經濟效益和廣闊應用前景的新型材料,值得在路面施工中推廣應用。
      4.分層混合纖維混凝土。層間混合纖維增強混凝土(LHFRC)是在LSFRC的基礎上加入0.1%聚丙烯纖維,在上層、下層鋼纖維混凝土和中層素混凝土中均勻分布大量高抗拉強度、高極限伸長率的細短聚丙烯纖維而成的復合材料。它可以克服LSFRC中間素混凝土層的弱點,防止表面鋼纖維磨損后的安全隱患。LHFRC能顯著提高混凝土的抗彎強度。與素混凝土相比,素混凝土的抗彎強度提高了約20%,與LSFRC相比,其抗彎強度增加了2.6%,但對混凝土的彎曲彈性模量影響不大。LHFRC的彎曲彈性模量比素混凝土高1.3%,比LSFRC低0.3%。LHFRC還可以顯著提高混凝土的彎曲韌性,其彎曲韌性指數約為素混凝土的8倍和LSFRC的1.3倍。此外,由于LHFRC中兩種或兩種以上纖維在混凝土中的性能不同,根據工程需要,可以利用合成纖維和鋼纖維在混凝土的正混合效應,大大提高材料的延展性、耐久性、韌性、抗裂強度、抗彎強度和抗拉強度,提高材料質量,延長材料的使用壽命。
      ----摘要(《山西建筑》第38卷第11期,陳慧卿)

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      鋼纖維混凝土
      2024/6/5 14:04:06 訪問量:374
      鋼纖維混凝土(SFRC)是一種新型的復合材料,可通過在普通混凝土中加入適量的短鋼纖維進行澆注和噴射。近年來,它在國內外發展迅速。它克服了混凝土抗拉強度低、極限伸長率小、脆性大的缺點。它具有優異的抗拉強度、抗彎性、抗剪切性、抗裂性、抗疲勞性和高韌性等性能。已應用于水利工程、路橋、建筑等工程領域。
      一.鋼纖維混凝土的發展
      纖維增強混凝土(FRC)是纖維增強混凝土的縮寫。它通常是由水泥漿、砂漿或混凝土與金屬纖維、無機纖維或有機纖維增強材料組成的水泥基復合材料。它是將具有高抗拉強度、高極限伸長率和高耐堿性的短細纖維均勻分散在混凝土基體中而形成的一種新型建筑材料?;炷林械睦w維可以限制混凝土早期裂縫的產生和在外力作用下裂縫的進一步擴展,有效克服混凝土抗拉強度低、易開裂、抗疲勞性差等固有缺陷,大大提高混凝土的抗滲、防水、抗凍和鋼筋保護性能。纖維混凝土,特別是鋼纖維混凝土,由于其優越的性能,在實際工程中越來越受到學術界和工程界的關注。1907年蘇聯專家BП。Hekpocab開始使用金屬纖維增強混凝土;1910年,H.F.Porter發表了一份關于短纖維鋼筋混凝土的研究報告,建議短鋼纖維應均勻分散在混凝土中,以增強基體材料;1911年,美國格雷厄姆在普通混凝土中加入鋼纖維,以提高混凝土的強度和穩定性;到20世紀40年代,美國、英國、法國、德國、日本等國在利用鋼纖維提高混凝土的耐磨性和抗裂性、鋼纖維混凝土的制造技術、改善鋼纖維的形狀以提高纖維與混凝土基體的結合強度等方面做了大量研究;1963年,J.P.romualdi和G.B.Batson發表了一篇關于鋼纖維約束混凝土裂縫發展機制的論文,提出了鋼纖維混凝土的裂縫強度由在拉應力中起有效作用的鋼纖維的平均間距決定的結論(纖維間距理論),從而開啟了這種新型復合材料的實際發展階段。到目前為止,隨著鋼纖維混凝土的普及和應用,由于纖維在混凝土中的分布不同,主要有四種類型:鋼纖維混凝土、混合纖維混凝土、分層鋼纖維混凝土和分層混合纖維混凝土。
      二.鋼纖維混凝土的加固機理
      1.復合材料力學理論。復合材料力學理論以連續纖維復合材料理論為基礎,結合鋼纖維在混凝土中的分布特點。在該理論中,復合材料被視為纖維為一相、基體為另一相的兩相復合材料。
      2.纖維間距理論。纖維間距理論,也稱為抗裂理論,是基于線彈性斷裂力學提出的。該理論認為,纖維的增強效果只與均勻分布的纖維間距(最小間距)有關。
      三.鋼纖維混凝土發展現狀分析
      1.鋼纖維混凝土。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中加入少量低碳鋼、不銹鋼和玻璃鋼纖維而形成的一種相對均勻、多向的鋼筋混凝土。鋼纖維的摻量一般為1%~2%(體積),每立方米混凝土按重量計摻70~100kg鋼纖維。鋼纖維的長度應為25~60mm,直徑應為0.25~1.25mm,長度與直徑的最佳比例應為50~700。與普通混凝土相比,它不僅能提高混凝土的抗拉、抗剪、抗彎、耐磨、抗裂性能,而且能大大提高混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能,顯著提高結構的抗疲勞性和耐久性,尤其是韌性可提高10~20倍。比較了我國鋼纖維混凝土與普通混凝土的力學性能。當鋼纖維含量為15%~20%,水灰比為0.45時,抗拉強度提高50%~70%,彎曲強度提高120%~180%,沖擊強度提高10~20倍,沖擊疲勞強度提高15~20倍、彎曲韌性提高14~20倍。因此,鋼纖維混凝土比素混凝土具有更好的物理力學性能。

      2.混合纖維混凝土。相關研究數據表明,鋼纖維對混凝土抗壓強度沒有顯著的促進作用,甚至降低混凝土抗壓強度;與素混凝土相比,對于鋼纖維混凝土的抗滲性、耐磨性、抗沖擊性和耐磨性以及防止混凝土早期塑性收縮,有積極的看法和消極的看法(增加和減少),甚至有中間的看法。此外,鋼纖維混凝土還存在用量大、價格高、銹蝕、幾乎不耐火災爆裂等問題,不同程度地影響了其應用。近年來,國內外一些學者開始關注混雜纖維混凝土(HFRC),試圖將具有不同性能和優勢的纖維混合在一起,相互借鑒,在不同水平和荷載階段發揮“正混雜效應”,增強混凝土的各種性能,以滿足不同工程的需要。然而,就其各種力學性能,特別是疲勞變形和疲勞損傷,在靜、動載荷和恒幅或變幅循環載荷下的變形發展規律和損傷特性,纖維的最佳摻量和配合比,復合材料成分之間的關系,增強效果和增強機理,抗疲勞性能,破壞機理和施工工藝等方面,配合比設計問題還有待進一步研究。

      3.分層鋼纖維混凝土。單片纖維混凝土不易攪拌均勻,纖維易結塊,纖維用量大,成本相對較高,影響了其廣泛應用。通過大量的工程實踐和理論研究,提出了一種新型的鋼纖維結構——層鋼纖維混凝土。少量鋼纖維均勻分布在路面板的上下表面,中間仍是素混凝土層。LSFRC中的鋼纖維通常是手動或機械分配的。鋼纖維較長,長徑比一般在70~120之間,呈二維分布。在不影響力學性能的情況下,這種材料不僅大大減少了鋼纖維的用量,而且避免了整體纖維混凝土攪拌過程中纖維團聚的現象。此外,鋼纖維層在混凝土中的位置對混凝土的抗彎強度有很大影響?;炷恋撞康匿摾w維層加固效果最好。隨著鋼纖維層位置的上移,加固效果顯著下降。LSFRC的抗彎強度比相同配合比的素混凝土高35%以上,略低于整體鋼纖維混凝土。然而,LSFRC可以節省大量的材料成本,并且不存在混合困難的問題。因此,LSFRC是一種具有良好社會經濟效益和廣闊應用前景的新型材料,值得在路面施工中推廣應用。
      4.分層混合纖維混凝土。層間混合纖維增強混凝土(LHFRC)是在LSFRC的基礎上加入0.1%聚丙烯纖維,在上層、下層鋼纖維混凝土和中層素混凝土中均勻分布大量高抗拉強度、高極限伸長率的細短聚丙烯纖維而成的復合材料。它可以克服LSFRC中間素混凝土層的弱點,防止表面鋼纖維磨損后的安全隱患。LHFRC能顯著提高混凝土的抗彎強度。與素混凝土相比,素混凝土的抗彎強度提高了約20%,與LSFRC相比,其抗彎強度增加了2.6%,但對混凝土的彎曲彈性模量影響不大。LHFRC的彎曲彈性模量比素混凝土高1.3%,比LSFRC低0.3%。LHFRC還可以顯著提高混凝土的彎曲韌性,其彎曲韌性指數約為素混凝土的8倍和LSFRC的1.3倍。此外,由于LHFRC中兩種或兩種以上纖維在混凝土中的性能不同,根據工程需要,可以利用合成纖維和鋼纖維在混凝土的正混合效應,大大提高材料的延展性、耐久性、韌性、抗裂強度、抗彎強度和抗拉強度,提高材料質量,延長材料的使用壽命。
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