鋼纖維砼在市政工程中的應用

提要:本文就鋼纖維砼在國內外發展應用的情況作了簡單的介紹,并詳細說明了我公司在該領域所做的研究和成果。

鋼纖維砼具有比普通砼更優良的物理力學性能,在市政工程中有著廣泛的應用前景。以往它應用于商品砼生產中存在纖維不易分布均勻,坍落度小,難以運輸等難點。合理選擇材料,特別是鋼纖維品種,調節配合比,可使其應用于市政工程中,適應商品砼生產、運輸和泵送施工。

關鍵詞:鋼纖維 鋼纖維砼 配合比 工藝 應用

一、概況:

鋼纖維砼是60年代在國外開始提出并申請專利的,最早的實用性研究報告是1963年J.P.Romualdi所做的。經過廣大學者、研究人員的廣泛細致的研究,鋼纖維砼作為一種較佳的纖維復合材料已得到了廣泛認可,國外已在許多工程中加以運用。根據試驗室與工程運用的情況,美、英、日等國家相應制定了本國關于鋼纖維砼的試驗、應用檢測的有關標準。

我國也早就開始了這方面的研究工作,并取得了一定成果,制定了有關標準,也在一些工程中加以了運用。

目前,國內外運用鋼纖維砼的領域主要在以下方面:

1、隧洞襯砌和護坡:

此領域主要采用噴射鋼纖維砼。較之傳統工藝,它具有節省斷面、強度高、韌性好、施工簡便、成本少的優點。挪威國內隧洞襯砌工程的60%工程量采用此方法,我國浙江齊溪電站輸水隧洞也采用了此方法 。

2、路面、橋面、機場跑道:

此領域使用主要包括新建和修補工程,由于鋼纖維砼的良好抗裂性、彎曲特性、耐沖擊性、耐疲勞性,可使面層厚度減少,伸縮縫間距加長,維修費用降低、壽命延長。上海虹橋機場由我公司進行了鋼纖維砼施工,迄今該工程情況良好。德國法蘭克福機場也有運用。

3、橋梁結構和鐵路軌枕:

此領域運用較少,工程項目有四川省大足縣珠溪河橋及石太線上一段曲線軌道。

4、水工建筑物:

此領域主要為提高壩面抗滲、抗裂性能及高速水流作用部位的增強。如美國貝利泄洪洞、美國莫紐門特水閘壩、浙江省百丈澗高壓引水洞和姚嶺水庫壩面以及葛洲壩泄水閘等。

5、港口和海洋工程 :

由于擔心海水環境下鋼纖維砼的腐蝕問題,此領域應用仍在探索中,但已施工的工程如:Forsmark核電站、浙江半升洞碼頭靠船結構等目前情況良好。

6、建筑結構及制品:

此領域應用、試用種類很多,難以一一列舉,但在運用中普遍鋼纖維摻量較低,主要以抗震防爆,局部增強阻裂為目的,大規模使用和整體結構運用很少。

鋼纖維砼之所以在短時期內能得到迅速發展,主要是它具有比普通砼更優良的性能(下表)。正因為此,鋼纖維砼有著廣闊的發展前景。但是,鋼纖維砼的推廣使用尚處于初始階段,加強這方面的研究,將有助于鋼纖維砼的推廣應用。

項目

鋼纖維砼

普通砼

抗壓強度

1.0--1.3倍

1

早期抗裂

1.5--2.0倍

1

抗拉強度

1.5--1.8倍

1

抗彎強度

1.5--1.8倍

1

抗剪強度

1.5--2.0倍

1

耐沖擊

5-- 10倍

1

韌性

40--200倍

1

耐久性

抗凍融循環次數為4倍,耐腐蝕性略有提高,表面暴露的纖維有銹蝕。

耐磨性

1.4倍

1

二、鋼纖維砼的技術特征:

研究表明,砼是由基相和分散相以及結合面組成的三相復合材料。由于砼是由多相材料復合而成,因而必然存在著結合面。由于澆注時砼的泌水作用和干燥期間水泥漿收縮受到硬骨料的限制,這些隱蔽的結合面就逐漸形成微裂縫,即“結合縫”。因此,剔除施工中造成的明顯缺陷和使用中引起的變形破壞,就其原始狀態而言,即使是澆注良好的砼,其本身也存在大量的“先天”裂縫和缺陷。在破壞時,應力集中于這些“先天”裂縫和缺陷中,使之穩定發展,最終形成砼的解體,反映在砼性能中,即砼是一種脆性材料,缺乏足夠的韌性與延性。

鋼纖維砼由于鋼纖維的加入,使之成為纖維復合材料,根據復合材料的觀點,鋼纖維在試件破壞過程中承受了一部分荷載,起到了增強作用,從斷裂力學觀點來看,由于鋼纖維的阻裂性能,使鋼纖維砼在破壞之前有大范圍的緩慢穩定裂縫擴展以及裂紋尖端存在微裂區或裂紋過渡區。在裂紋擴展過程中,將受到纖維阻擋而減慢發展或改變方向繞過去再被其他纖維阻擋。同時,開裂區的纖維提供拉拔阻力,阻裂紋擴張,從而使鋼纖維砼產生“塑性”變化,鋼纖維在這里減緩裂縫尖端應力起了抵消了裂縫處應力場強度因子集中的作用,即我們所說的阻裂增強效應。

三、生產鋼纖維砼的技術難點:

由于我國在鋼纖維砼的應用研究上尚處于一般水平,因而國內尚未大量推廣使用。在過去的使用中,也發現了一些問題,如:纖維抱球起團嚴重,拌制中鋼纖維不易分布均勻;鋼纖維砼坍落度小,無法泵送施工;施工中振搗、平整難等,但是,在目前砼道路要求大大提高以及建筑結構自抗滲提法的廣泛認同的情況下,鋼纖維砼具有普通砼不可比擬的一些優良性能,再度引起了廣泛注意。

市政道路使用的砼要求有較佳的抗折性能,耐沖擊性能和耐磨性能。普通砼道面目前存在一些缺陷:道面砼抗折一般在5.0Mpa左右,且早期抗折較低。但市政道路施工普遍存在工期緊,道路開放快的特點,對道路砼要求有較佳的早期抗裂性能和良好的抗折性能。傳統方法用普通砼施工,道路厚度較大,養護時間長,開放交通慢,維修工作量大,且存在路面粗糙度衰減快,耐沖擊性能不佳的狀況,而鋼纖維應用于道路施工與普通砼相比有著良好的性能保證,有效改善了上述狀況。

建筑結構自防水是近來提出的,在國外已有了廣泛應用。由于砼自身中存在著缺陷,會有相當多的裂縫和連通孔,因而目前結構自防水性能較弱,只好用外防水來彌補,產生了費用大,維修工作量大的問題。提高結構自防水性能的方法,一種是利用一些添加劑來產生微膨脹,抵消砼內部收縮應力,減少微裂紋和連通孔的產生,使結構致密化,一種是改善微裂紋和孔結構,使之尺寸縮小,減少貫通可能。鋼纖維砼由于鋼纖維的阻裂作用,能有效改善砼內微裂紋和孔結構,并在一定程度上減少這些缺陷,因而應用于結構上,可加強結構自防水。同時,在大面積平板結構中,由于普通砼抗折性能不佳,易形成裂縫,且有一些是貫穿縫,對于結構自防水有著不良影響,鋼纖維砼能有效改善這一情況,加強結構自防水。

從上可見,鋼纖維砼的應用推廣已迫在眉睫。

根據我公司在虹橋機場應用鋼纖維砼中的經驗教訓,我們認為鋼纖維砼用于商品砼生產,施工主要存在以下幾個問題。

1、鋼纖維易起球,拌制時難以分布均勻。

2、坍落度值普遍偏小,只研制出干硬性砼,難以適應商品砼的運輸。

3、鋼纖維砼泵送性能差,難以適應泵送施工。

4、鋼纖維砼泵送施工后的養護及施工配合要求不詳。

考慮到道路施工及結構施工的不同,研究工作分兩步進行。

1、研制道路鋼纖維商品砼,使之適應普通道路商品砼的生產、運輸、施工,并試驗研究鋼纖維砼的有關性能,配制道路鋼纖維砼。

2、在第一步基礎上,完成泵送鋼纖維砼的配制,使之能應用于結構施工,并提出生產與施工中注意事項。

四、鋼纖維砼的配制:

1、原材料的選擇:

a、鋼纖維的選擇:

鋼纖維的品種主要分為四類:鋼絲纖維,剪切纖維,熔抽纖維,銑削纖維。選擇合適的鋼纖維品種,對試驗的成功與否有著重要的意義。由于鋼纖維砼破壞時,大都是纖維被拔出而不是拉斷,因此,改善纖維與基體間的粘結強度是改善纖維增強效果的主要控制因素之一。其方法有3種:

(1)增加纖維的粘結長度(即長徑比),但纖維太長易起球,影響和易性和施工,太細易彎折,長徑比宜在40-100之間。

(2)改善基體對鋼纖維的粘結性能。

(3)改善纖維形狀,增加纖維與基體間的摩阻和咬合力。

根據上面三種方法,我們對四種纖維做了列表比較,從表中可看出銑削纖維有著較佳的綜合性能,它是80年代研制成功且目前發展迅速的一種鋼纖維,它可降低鋼纖維用量,防止結球,易于施工,因此,我們選擇哈瑞克斯銑削纖維。

 

纖維品種

方法一

方法二

方法三

鋼絲纖維

長徑比較大,易起團

表面有油,不利基體粘結

光滑表面,摩阻、咬合力較小

剪切纖維

同上

同上

同上

熔抽纖維

長徑比合適,不起球

比面積大,利于粘結,只適于生產不銹鋼纖維

表面粗糙,摩阻、咬合力較大

銑削纖維

長徑比合適,不會抱球起團

表面無油,比表面積大,利于基本粘結

一面為毛面,頭尾帶鉤,摩阻、咬合力大


b、其它材料:

根據實際情況,我們選定其它原材料如下:

水泥:泰立525普通水泥

石子:5-25cm連續級配

外加劑:WL-1,SP406

粉煤灰:Ⅱ級磨細灰

2、道路鋼纖維砼配合比的配制:

根據常用道路砼強度等級,我們設計了C35、抗折6.0鋼纖維砼配合比。鋼纖維摻量分別為35kg、40kg、45kg。試驗結果如下:

水泥

鋼纖維

抗壓強度

抗折強度

坍落度

kg/m3

(kg)

7d

28d

7d

28d

(mm)

380

/

25.7

42.2

3.80

5.35

65

339

45

37.8

47.8

5.85

7.40

45

339

40

35.3

46.7

5.37

6.19

55

339

35

32.3

41.6

5.38

6.16

85

上述配合比外加劑均為WL-1。

每立方砼摻鋼纖維45kg,粘聚性好,但由于鋼纖維用量大,砼流動性較差,施工性能較難保證。

每立方砼摻鋼纖維40kg,砼和易性良好,流動性有較大改善,能適應施工要求。

每立方砼摻鋼纖維35kg,砼和易性良好,流動性良好,但用水量還可進行適當調整。

根據上述試驗,可見鋼纖維摻量與試件抗折強度同步變化,每立方砼35kg,40kg摻量均能滿足配合比設計要求,且施工性能較佳,如早期強度要求較高,可考慮45kg摻量。

WL-1外加劑可適應此配合比。

砼坍落度大小,與鋼纖維摻量成反比,選用銑銷纖維后,減少了鋼纖維摻量,坍落度有了較大改善。

為保證砼有較好流動性,且不損傷抗折性能,砂率宜在38%-40%之間。故確立基準配合比如下:單位:kg/m

C:339 SF:35~45 外加劑用WL-1

其中用水量宜根據鋼纖維摻量做適當調整。

3、泵送鋼纖維砼配合比的配制:

在道路砼配合比研究中,我們發現鋼纖維在砼中會產生一種支撐效應,相互交錯,形成一種網絡,從而大幅度削弱砼流動性能。因此泵送砼中運用鋼纖維,必須考慮適當用量,盡可能減少這種支撐效應。同時為了滿足泵送所需砼和易性,配合比設計中應適當加大砂率,并放大水灰比或改用高效減少劑來增加坍落度。

根據阻裂性能試驗,在鋼纖維摻量為45kg時,與普通砼相比,鋼纖維砼裂紋長度為其50%,開裂面積僅為其43%,可見其抗裂效果相當明顯,因而我們確定鋼纖維摻量為45kg。

我們設計了3組配合比:

級配

C

SF

外加劑

坍落度

1

C50

370

45

SP406

140mm

2

C40

330

45

SP406

175mm

3

C30

330

45

WL-1

110mm

上表中3號配合比砼和易性差,坍落度在80-120mm之間,且再放大坍落度,砼出現離析,故調整如下:

C:360kg SF:45kg 

調整后配合比和易性良好,初始坍落度及損失狀況均較好。數據如下:

1:坍落度=140mm 30分后110mm 1小時后 90mm

2:坍落度=175mm 30分后130mm 1小時后115mm

3:坍落度=140mm 30分后110mm 1小時后 95mm

坍落度損失后,砼流動性尚好,能保證施工性能。
下表為試件的強度情況:

單位:MPa

3d

7d

14d

28d

28d抗折

1

28.5

42.4

49.6

57.8

7.2

2

20.2

34.5

39.8

51.5

6.8

3

28.7

39.2

6.2

根據上述數據,確立配合比如下:

單位:kg/m3

C

SF

外加劑

C50

370

45

SP406

C40

330

45

SP406

C30

360

45

WL-1

4、確立配合比: 

根據研究數據,我們確立了下列配合比(單位:kg/m3)

序號

品種

強度等級

水泥

鋼纖維

外加劑品種

1

道路

C35

339

40

WL--1

2

泵送

C50

370

45

SP406

3

C40

330

45

SP406

 
 

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