鋼纖維與鋼纖維混凝土材料的選擇簡介

(僅供參考)

 

鋼纖維混凝土的拌合料是由水泥、水、粗細骨料、鋼纖維及必要時摻入化學外加劑或摻加劑,按一定比例配制而成,拌合料各組成材料的正確選擇,對鋼纖維混凝土的物理力學性能和施工有重要的影響。

一、剪切型鋼纖維的主要性能

1、抗拉強度

為使鋼纖維混凝土具有良好的力學性能,要求鋼纖維具有一定的抗拉強度。鋼纖維的抗拉強度,根據鋼纖維的材質和生產工藝不同,其抗拉強度也有所區別。剪切型鋼纖維的抗拉強度一般為380~800MPa。

2、粘結強度

鋼纖維的粘結強度,可按《鋼纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13:89)用直接拉拔法測定鋼纖維與水泥砂漿之間的粘結強度。

由于鋼纖維混凝土的破壞主要是鋼纖維的拔出而不是拉斷,因此鋼纖維的增強主要取決于鋼纖維混凝土基體界面的粘結強度。提高粘結強度除與基體的性能有關外,就鋼纖維本身來說,應該從鋼纖維的表面和形狀來改善它與基體的粘結性能。為了提高鋼纖維的粘結強度,常采用:使鋼纖維表面粗糙化、截面呈不規則形,增加與基體的接觸面積和摩擦力;將鋼纖維表面壓痕,或壓成波形,增加機械粘結力;使鋼纖維的兩端異形化,將兩端制成彎鉤或大頭形等,以提高其錨固力和抗拔力。

試驗表明,異形鋼纖維比平直形鋼纖維的增強效果可提高約一倍。

3、硬度

各種鋼纖維的表面硬度較高,在與混凝土攪拌時,一般不易發生彎折現象。鋼纖維應能經受沿直徑為3mm鋼棒彎折90度不斷。

4、耐腐蝕性

澆筑在鋼纖維混凝土內部的鋼纖維,只要搗固密實,與空氣隔絕,鋼纖維一般不發生銹蝕現象。露于混凝土表面或在裂縫寬度超過0.25mm時,跨接在裂縫處的鋼纖維,易發生腐蝕現象。

二、鋼纖維的幾何參數和體積率

表示鋼纖維幾何參數的有鋼纖維長度、直徑(等效直徑)及長徑比。

鋼纖維長度指鋼纖維兩端點間的直線距離,用Lf 表示,其尺寸可為15~60mm。

鋼纖維截面的直徑或等效直徑(當鋼纖維為非圓形截面時,其截面積相當于圓形截面面積時計算所得到的直徑),用df 表示通常為0.3~1.2mm。

鋼纖維的長徑比即指鋼纖維的長度與直徑或等效直徑之比,即Lf/ df,通常為30~100。

鋼纖維體積率,指鋼纖維所占鋼纖維混凝土體積的百分數。用pf 表示,它表明鋼纖維在拌合料中摻入量的多少。

三、鋼纖維混凝土結構對鋼纖維幾何參數和體積率的選用范圍

鋼纖維的增強效果與鋼纖維長度、直徑(等效直徑)及長徑比有關。鋼纖維增強作用隨長徑比增大而提高。鋼纖維長度太短不起增強作用,太長施工較困難,影響拌合物的質量,直徑過細在拌合過程中被彎折,過粗則在同樣體積率時,其增強效果較差。

試驗研究和工程實踐表明,鋼纖維的長度為15~60mm,直徑或等效直徑為0.3~1.2mm,長徑比在30~100的范圍內選用,其增強效果和施工性能滿足要求。如超出上述范圍,經試驗在其增強效果和施工性能方面能滿足要求時,也可根據需要采用。根據國內外工程應用經驗,對不同類別鋼纖維混凝土結構,提出常用的鋼纖維幾何參數選用范圍,列于表1-1。

鋼纖維幾何參數選用表1-1

鋼纖維混凝土結構類別

長度(mm)

直徑(等效直徑)(mm)

長徑比

一般澆筑成型的結構

25-60

0.3-1.2

40-100

框架抗震節點

40-60

0.4-1.2

50-100

鐵路軌枕

20-30

0.3-0.6

50-70

噴射鋼纖維混凝土

15-25

0.3-0.5

30-60

鋼纖維混凝土中鋼纖維的體積率小到一定程度時將不起增強作用,對于不同品種、不同長徑比的鋼纖維,其最小體積率略有不同,國內外一般以0.5%為最小體積率。鋼纖維體積率超過2%時,拌合物的和易性變差,施工較困難,質量難以保證。但在特殊需要時,經試驗和采取必要的施工措施,在保證質量和增強效果的情況下,可將鋼纖維體積率增大。

根據國內外工程和應用經驗,不同的鋼纖維混凝土結構工程,常用體積率選用范圍列于表1-2。選用時根據鋼纖維的性能、結構對增強效果的要求,以及經濟合理的原則選定。當鋼纖維的性能較好或結構對增強要求較低時,可選用低值,結構對增強要求較高或鋼纖維性能較差時可選高值。

鋼纖維體積率選用范圍表1-2

鋼纖維混凝土結構類別

鋼纖維體積率(%)

鋼纖維混凝土結構類別

鋼纖維體積率(%)

一般澆筑成型的結構

0.5-2.0

鐵路軌枕剛性防水屋面

0.8-1.2

局部受壓構件、橋面、預制樁、樁頂、樁尖

1.0-1.5

噴射鋼纖維

0.5-1.5

 

1-1-2水泥水泥在鋼纖維混凝土中是一種膠結材料,與水拌合形成水泥漿,具有很高的粘結力,它把砂、石和鋼纖維膠結成一整體,經凝結硬化,具有一定強度的鋼纖維混凝土。因此水泥是鋼纖維混凝土的重要組成材料。

目前在鋼纖維混凝土中常用的水泥是425和525號普通硅酸鹽水泥。鋼纖維混凝土中水泥用量比普通水泥用量要大,一般為360~450kg/m3。

 

1-1-3常稱細骨料,用于填充碎石或礫石等粗骨料的空隙并共同組成鋼纖維混凝土的骨架。

砂的粗細程度用砂的細度模數表示。砂的細度模數對鋼纖維混凝土強度與和易性有一定影響,相同數量的粗砂與細砂相比,粗砂的比表面積較小,因而,在保證鋼纖維混凝土強度相同時,粗砂需要的水泥用量較細砂少。顯然,當水泥用量相同時,用粗砂配制成的鋼纖維混凝土強度要比用細砂配制的鋼纖維混凝土強度為高。此外,當鋼纖維混凝土的拌合料和易性相同時,細砂混凝土的拌合料需水量較多,但如用過粗的砂拌制容易產生離析和泌水現象;若用過細的砂拌制,雖不產生離析和泌水現象,卻需要較多的水泥漿才能包裹砂的表面,水泥用量大。為此,砂的細度模數要適中,配制鋼纖維混凝土的砂宜用中粗砂。

砂的級配應符合要求。砂的密度一般為2.5~2.7g/cm3。

 

1-1-4石料碎石或礫石是組成鋼纖維混凝土的骨架材料,常稱粗骨料。鋼纖維混凝土所用石料,通常選用碎石。因碎石的顆料表面較粗糙,富有棱角,能產生良好的機械嵌鎖作用,與水泥漿有較強的粘結力。因此,在同樣條件下用碎石比用礫石所配制成的鋼纖維混凝土強度為高,但需水泥漿較多。

鋼纖維混凝土所用石料粒徑,不宜大于鋼纖維長度的2/3,一般為5~20mm,最大粒徑不宜大于20mm, 如果石料粒徑過大,削弱了鋼纖維的增強作用,并易于集中于大石料周圍,不便于鋼纖維的分散。

石料的級配應符合要求,否則會影響鋼纖維混凝土混合料的流動性和水泥用量。

 

1-1-5凡能飲用的水和潔凈的天然水,均可用于鋼纖維混凝土,因海水對鋼纖維有銹蝕作用,一般不允許用海水拌制鋼纖維混凝土。

 

1-1-6外加劑在鋼纖維混凝土拌合過程中,為了改善拌合料的和易性、減少水泥用量或提高強度,可摻入一定量的外加劑。

外加劑按使用效果分為減水劑、引水劑、防凍劑、膨脹劑、促凝劑等。在鋼纖維混凝土中,使用較多的是減水劑(普通減水劑和高效減水劑),以提高其和易性。

在使用外加劑時應注意的事項是:

1)根據使用目的,選擇品種,并根據技術經濟進行比較確定。

2)所加摻量應按所用品種,并根據使用要求,施工條件,拌合的原材料等因素經試驗確定。摻量以水泥重量的百分率表示。

3)摻量為1%以下的外加劑(如高效減水劑)應以水溶液摻入為宜。

4)注意外加劑與水泥的適應性。

5)外加劑的性能應符合現行標準《混凝土外加劑應用規程》的規定。

另外,根據需要和可能,在鋼纖維混凝土中還可摻入一定量的粉煤灰或硅粉等混合材料,以改善拌合料的和易性,節約水泥用量以及提高強度。其拌合材料性能應符合現行標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和《用于水泥中的火山灰質混合材料》的規定,其摻量可通過試驗確定。

 

參考文獻

〔1〕趙國藩,彭少民,黃承逵,鋼纖維混凝土結構,北京:中國建筑工業出版社,1999。

 
 

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