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钢纤维混凝土(SFRC)的设计施工与应用

发布时间:2013-06-26 点击数:273

摘要

 本文结合钢纤维混凝土性能特点,通过介绍钢纤维混凝土配合比设计、运输,浇筑、养护和质量控制,以工程实例说明钢纤维混凝土在土木工程中有广阔的应用前景。

 关键词  钢纤维混凝土  设计与施工  应用

 1 引言

  用均匀分散的短钢纤维增强的普通混凝土即钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrent. 简称SFRC),是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短钢纤维组合而成的复合材料。它通过在混凝土中乱向分布的钢纤维,使混凝土物理力学性能产生质的变化,从而大大提高混凝土抗裂性能和抗冲击性能,使原本脆性的混凝土材料呈现很高的延性和韧性,以及优良的抗冻、耐磨性能。SFRC最早出现于20世纪初期,在美、英、德、日、俄、意、西、比等发达国家的军事设施、桥梁等领域得以推广并应用。我国于20世纪70 年代后期开始研制钢纤维,先后在黑龙江大庆、浙江金华、北京、重庆、四川、上海、广东等 地的公路路面、机场跑道、旧桥加固中进行试验性的应用,后推广至土木工程各领域。 

2 钢纤维混凝土的性能特点

  钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期,水泥基料与纤维共同承受外力,当混凝土开裂后,横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。 

(1)有优越的经济性。 

强度和重量比值增大是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。

 (2)具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度。 

在混凝土中掺入适量钢纤维,其抗拉强度提高25%~50%,抗弯强度提高40%~80%,抗剪强度提高50%~100%。 

(3)具有卓越的抗冲击性。

  材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能,称为冲击韧性,在通常的纤维掺量下,冲击抗压韧性可提高2~7倍,冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。 

(4)具有明显收缩性。 

在通常的纤维掺量下,钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%~9%。 

(5)具有显著抗疲劳性。

钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106次时,应力比为0.68,而普通混凝土仅为0.51;当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时,应力比为0.92,而普通混凝土仅为0.56。 

(6)具有显著耐久性。 

钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外,由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好,因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为C35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。 

3钢纤维混凝土配合比设计 

3.1原材料选用与要求 

(1)钢纤维:单丝钢纤维抗拉强度不宜小于600MPa;长度应与混凝土粗集料最大公称粒径相匹配,最短长度宜大于粗集料最大公称粒径的1/3,最大长度不宜大于粗集料最大公称粒径2倍,长度与标称值的偏差不应超过±10%;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;桥面混凝土中钢纤维应做防锈处理,宜使用有锚固端的钢纤维,不得使用表面磨损前后裸露尖端导致行车不安全或搅拌时易成团的钢纤维。 

(2)水泥、粗细骨料:水泥一般选用425号或525号普通硅酸盐水泥,水泥含量比普通混凝土大,多为350kg/m3以上;粗骨料粒径不宜大于20mm和钢纤维长度的2/3,一般比普通混凝土含量小;细集料宜为质地坚硬、耐久、洁净的中砂,细度模数在2.0~3.5之间。 

(3)水:一般采用纯净水,不得采用海水,海沙,严禁掺加氯盐。 

(4)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剂减水剂。

  (5)水泥、骨料、水、外加剂和混合料应符合国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》和《公路水泥混凝土路面施工技术规范》中的相关规定。

 3.2配合比设计步骤 

钢纤维混凝土的配合比设计在兼顾经济性的同时还应满足弯拉强度、工作性和耐久性,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《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30-2003)要求,钢纤维混凝土配合比设计应按下述步骤进行:

 1、计算和确定水灰比。  ①以钢纤维混凝土配制28d弯拉强度fcf替代普通混凝土配制28d弯拉强度,按公式fcf= +ts计算出基体混凝土的水灰比;② 选取钢纤维混凝土基体 的水灰比计算值与规范规定值两者中的小值作为选定水灰比,一般不大于0.5。 

(2)确定钢纤维掺量体积率ρf。  一般在0.6%~1.0%范围内初选,当板厚折减系数小时,体积率宜取上限;当长径比大时,宜取较小值;当有锚固端者宜取较小值。 

(3)确定单位体积用水量Wof。  根据施工要求的稠度通过试验或根据规范确定单位体积用水量,如掺用外加剂应考虑外加剂的影响。 

(4)确定单位水泥用量Cof。 选取按公式Cof= Wof计算值与规范规定值中的大者作为单位水泥用量, 但不宜大于500kg/m3。 

(5)确定合理砂率Spf。  可按公式Spf=SP+10ρf(Sp为砂率)计算或按规范规定选取,一般选用38~50%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。 

(6)砂石料用量可采用密度法或体积法计算。  按密度法计算时,钢纤维混凝土单位质量可取2450~2580kg/m3;按体积法计算时,应计入设计含气量。 

(7)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。

 (8)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。  4  钢纤维混凝土的施工  4.1钢纤维混凝土的拌和 

(1)拌和原则。

表1 钢纤维混凝土拌和物运输、铺筑完毕允许最长时间  施工气温/℃  运输允许最长时间/h  铺筑完毕允许最长时间/h  滑模、轨道  三辊轴机组  滑模、轨道  三辊轴机组  5~9 1.25 1.0 1.5 1.25 10~19 0.75 0.5 1.0 0.75 20~29 0.5 0.35 0.75 0.5 30~35  0.35  0.25  0.5  0.35 

(2)浇筑、养护。  钢纤维混凝土浇筑必须符合钢纤维混凝土拌和料运输、铺筑完毕的允许最长时间(见表1)。在规定的连续施工区段内的钢纤维混凝土必须连续浇筑,若中断,由于钢纤维沿接缝的表面排列,起不到增强作用,易产生裂缝。①摊铺:用汽车运输到工地倒在指定的位置,用人工将混凝土大致摊铺整平,摊铺系数按1.25~1.35控制,严禁抛掷和搂耙,防止混凝土拌和物离析。在摊铺过程中如发现钢纤维结团现象,须及时用人工撒开或剔除,以免发生蜂窝。②振捣与整平:采用三辊轴机组摊铺钢纤维时,不得将振捣棒组插入钢纤维混凝土内部振捣,也不得使用人工插捣。可采用大功率平板式振捣器振捣密实,再采用振动梁压实整平。振动梁底面设凸棱,压入表面的钢纤维和粗集料,在用三辊轴整平机将表面滚压整平后用3m以上刮尺、刮板或抹刀纵横向精平表面。精平后的表面不得裸露钢纤维和厚浮浆。③钢纤维混凝土的养护与普通混凝土相同。 

 4.3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: 

 (1)对钢纤维进行质量检验。

   (2)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%。  

(3)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28d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90d时进行测试。 

  5 钢纤维混凝土在工程中的应用 

5.1工程实例    

 2006年4月由南平路兴公路养护工程有限公司负责实施的南平市水南桥桥面修复工程项目中,在桥面铺装上采用C35钢纤维混凝土,结构形式:主桥面采用厚12cmC35钢纤维混凝土面层+2cm沥青油毛毡防水层,桥头接线采用厚12cmC35钢纤维混凝土面层+10cm C15素混凝土层;钢纤维采用宜兴市宜剑钢纤维有限公司生产“道桥”牌钢纤维,外加剂采用厦门市创慧工贸有限公司生产的“创慧”牌XH-1型抗折剂,水泥采用三三水泥有限公司生产的“万年青”牌P.o.42.5水泥,粗集料采用南平安丰碎石料厂5~25mm碎石,砂采用细度模数为2.95的中砂。经过反复的试验最后确定了用于桥面铺装的C35钢纤维混凝土配合比,如下: 

  水泥:粗集料:中砂:外加剂: 钢纤维:水=398:992:798:7.95:71.2:183  

  在桥面铺装施工过程中严格按照配合比控制原材料质量,搅拌、运输、振捣和浇筑全部按规范要求进行施工,取得了很好的效果。现场抽取5个芯样28天抗折强度最低4.89Mpa,最高5.23Mpa,均能满足满足设计的要求。 

 5.2 钢纤维混凝土在桥面铺装中应用的优点  钢纤维混凝土因其具有良好的抗裂性、抗弯曲性、耐冲击性和耐疲劳性,在桥面铺装中使用较一般水泥混凝土具有以下几点优势:

(1)减薄铺装厚度。钢纤维混凝土在相同荷载条件下铺装厚度可减少30%~50%,这样既减少了工程量又降低了桥梁恒载。 

(2)加强桥面铺装与伸缩缝的连接强度。桥面伸缩缝是整个桥面的薄弱环节,在车辆的行驶过程中,由刚性桥面过度到柔性伸缩缝再到刚性桥面,不可避免地产生强烈的震动,震动释放出的巨大能量对伸缩缝与混凝土连接结构极具破坏性。钢纤维混凝土因其较强的耐冲击性保证其与伸缩缝连接钢筋牢固粘结,使伸缩缝发生的变形、位移、或翘曲都较小,大大提高了伸缩缝的使用寿命。 

(3)延长了桥面的使用寿命。在重交通荷载作用下,钢纤维混凝土桥面开裂要比普通混凝土缓慢得多,其桥面裂缝宽度小,不连续开裂后延性仍很好,混凝土剥落、坑槽现象很少。这都有利于桥面和桥梁的使用寿命,改善了车辆的行驶条件。 

6 结语  钢纤维混凝土虽然在各个领域上有广阔的应用前景,但是在工艺上存在施工和易性较差,搅拌和振捣时会发生纤维成团或折断,粘结性能有待改善等问题;鉴于在价格上较同类产品没有优势等原因,它在推广过程中受到一定的限制。即便如此,我们相信在钢纤维的制造价格随着生产方法的改善和技术设备的更新而不断降低的同时,在对长期利益和短期利益,一次投资和维修保养费用的分析基础上,它一定会在更多的应用范围内显示出其强大的优越性。 

  参考文献 

[1] 中华人民共和国交通部,公路水泥混凝土路面施工技术规范(JTG F30-2003),北京:人民交通出版社,2003 

[2]中国工程建设标准化协会,钢纤维混凝土试验方法标准(CECS13:19),北京:中国建筑工业出版社,1990  [3] 中华人民共和国交通部,公路水泥混凝土纤维材料钢纤维(JT/T524-2004),北京:人民交通出版社,2004 

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