钢纤维混凝土的力学性能及应用

　　摘要：普通混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉，抗裂和韧性都很差。在普通混凝土中掺入适量钢纤维配制而成的混凝土称为钢纤维混凝土。钢纤维会对混凝土的抗拉，抗裂，韧性以及抗压、抗弯、抗折强度都有很大提高。钢纤维混凝土作为一种新型混凝土，有它独特优点和性能。
　　关键字：钢纤维混凝土，力学性能，增强作用，应用
　　
　　钢纤维混凝土的生产工艺中，主要问题是怎样有效的将纤维材料均匀的分散于混凝土内，避免刚纤维成团或密结。这与混凝土的投料次序有很大关系，一般应先将骨料与细集料进行干拌，然后加入已疏散的纤维材料，经搅拌均匀在加入水泥和水。若水泥和水加入过早，纤维吸水后，在水的表面张力和纤维之间的吸附力作用下，加之水泥的粘结作用，钢纤维结块成团，直接影响钢纤维混凝土的均匀性，这样会大大降低钢纤维混凝土的性能。
　　1纤维对混凝土的增强作用的作用机理
　　根据国内外理论研究和实验结果，与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的力学性能明显提高，其抗拉强度一般可提高2倍左右，抗弯强度是普通混凝土抗弯强度的2.5-3.5倍，抗冲击强度的提高更为明显，一般可达普通混凝土的5倍以上，甚至可达20倍之多。
　　目前，对于钢纤维混凝土的增强机理，存在着两种不同的解释。一种是美国Rmuald提出的纤维间距机理;一种是英国Swamy、Manga等人提出的复合材料机理。下面我们主要用纤维间距机理进行分析。
　　纤维间距机理是基于线弹性断裂力学的基础上来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用的。该机理认为，在混凝土内部原来就存在缺陷，欲提高这种材料的强度，就必须尽可能地减小缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。这一机理可由下图的力学模型来说明。
　　                                 
　　该模型假定纤维在混凝土拉应力方向呈棋盘分布(间隔S)，裂缝(半径为a)存在于4根钢纤维所围住的中心，此时，由于拉伸应力所引起的粘结应力分布()产生于和纤维相邻近的裂缝端部附近，起着约束裂缝开展的作用。如果设拉伸应力引起的内部裂缝端部应力集中系数为，而与裂缝端部相邻近的粘结应力分布产生的具有相反意义的、起约束作用的应力集中系数为，则总的应力系数就将减小，即:
　　                                            
　　所以初裂强度得以提高。可见，单位面积内的纤维数越多，纤维间距愈小，强度提高的效果就越好;且纤维的弹性模量越大，抗裂效果越好。抗裂效果好了，其抗弯强度、抗冲击强度、抗疲劳强度、延展性韧性等力学性能也相应的提高。
　　1.1对抗压强度的提高
　　钢纤维对混凝土的抗压强度有所提高。这是因为将钢纤维掺入混凝土中，在抗拉过程中可以阻止裂缝的发展，从而增强混凝土的极限抗拉强度。
　　1.2对抗折强度的提高
　　钢纤维对混凝土的抗折作用有所提高。因为基体通过界面粘结力将荷载传递给钢纤维,而钢纤维可以约束裂缝的延伸和横贯裂缝传递内力.这时钢纤维与基体作为整体共同承担荷载,使承载能力显著提高.当钢纤维与混凝土基体之间的界面粘结强度达到极限时,此时钢纤维从纤维锚固最短,受力最大的裂缝处开使,依次从基体中拔出,钢纤维混凝土的承载能力逐渐减小制至破坏.因此钢纤维的掺量越大,对裂缝约束作用和传递内力的作用越强且破坏时由于纤维拔出所消耗的能量也越大,所以增强效果越好.
　　1.3对劈裂抗拉强度的提高
　　钢纤维的加入能使混凝土的劈裂抗拉强度有明显的增强。对于劈裂抗拉试件拉
　　应力是发生在最终断裂面的全截面上，在这个截面上所有钢纤维均会起到增强作用，随着外部荷载逐渐增大，试件横断面的中性轴逐渐上移，受拉区的纤维依次发挥作用，所以增强效果比较明显。
　　2钢纤维混凝土的经济优势
　　钢纤维混凝土具有显著的经济技术效益。具体表现在:可取代或部分取代钢筋或者降低钢筋直径1一2mm；在同等强度卜可减少混凝土量2既听~3哪减薄而层厚度;缩短施工周期2毕似上，提高工程质量，降低工程维修费用，延长工程使用寿命;钢纤维混凝土具有普通混凝土一样的施工性能，与普通的混凝土同样搅拌施工，不需要增添设备，不增加施工成木。即使钢纤维在混凝土中掺量达到120Kg间时，也能分布均匀，不结团，并能满足商品混凝土搅拌站组织生产和现场泵送施工要求。
　　3钢纤维混凝土的应用
　　由于钢纤维混凝土的优越性能，使其在建筑结构、桥梁结构和桥面工程、铁路轨枕、和矿山井巷、交通隧道、地下洞室支护、军事工程及结构物的修补和加固、水下等方面得到了广泛应用。
　　在建筑结构领域中，主要用于房屋建筑结构、工业及民用建筑的抗震节点和刚性屋面、地下防水工程等方面。房屋建筑结构方面，主要是由于钢纤维混凝土具有各向同性的增强效果，因而是抵御结购构件各种复杂应力的理想材料；在结构抗震节点方面，主要是利用钢纤维混凝土代替箍筋来解决抗震节点中箍筋过密的问题；在刚性屋面方面主要是应用其代替钢筋或钢丝网作屋面刚性防水层；在地下防水工程中，钢纤维混凝土与防水剂结合形成性能优良的防潮、阻裂、耐磨材料。
　　在桥梁结构和桥面工程中，主要利用其高韧性，优良的抗拉、抗弯、抗冲击、抗疲劳和控制裂缝的性能。钢纤维混凝土不仅提高了桥梁的承载能力，而且对于减轻桥梁结构自重、节省混凝土和钢材用量以及下部墩台圬工数量等效果明显，且取得了明显的经济效益。
　　在铁路轨枕方面，主要应用其良好的抗拉、抗裂和抗冲击性能，有效地改善了局部轨枕伤损严重的情况，提高了轨枕的使用寿命，尤其是对小半径曲线部分和钢轨接头部分轨枕，使用效果尤为显著。
　　在矿山井巷、交通隧道、地下洞室支护和军事工程等方面，主要是应用喷射钢纤维混凝土来代替普通混凝土加强坑道的支护，增强坑道的防渗性能;在结构物的修补和加固方面，钢纤维混凝土主要用于代替钢丝网混凝土进行伤损修复与加固;此外，在水工方面，主要是利用钢纤维混凝土奶磨损和抗腐蚀、抗渗性好等特点，来承受高速水流的冲刷与侵蚀作用。
　　4总结
　　钢纤维混凝土作为一种新型混凝土，有它独特优点和性能。也有需要进一步解决的问题，因此推广应用还需要一个认识、实践、再认识的过程。随着科学技术的进步和钢纤维混凝土的研究的不断深入，相信在不久的将来，钢纤维混凝土一定会在更多的应用范围显示出其许多潜在的优越性。
　　
　　参考文献
　　[1]任勇华，杨俊芬，李国新，李智。钢纤维对高强轻骨料混凝土的增强效果研究,混凝
　　土[J]，2006，6
　　[2]冯克勤，陈耀东。混凝土工程[M],中国建筑工业出版社，1981，5:176
　　[3]宋净飞，钢纤维混凝土的加强机理分析，交通标准化[J],2006,8
　　[4]李国明，钢纤维混凝土的性能及其应用实例，广东建材[J],2005,6