摘要：鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強度和斷裂韌性、抗疲勞等性能,容易澆筑成型,適用于水利水電工程中的復雜應力部位。
關鍵詞：鋼纖維 混凝土 性能 應用
鋼纖維混凝土就是在普通混凝土中摻入適量鋼纖維而成的一種新型復合材料,近年來在國內外得到迅速發展。它克服了混凝土抗拉強度低、極限延伸率小、性脆等缺點,具有優良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能,已在建筑、路橋、水工等工程領域得到應用。
一、鋼纖維的基本性質
1.鋼纖維的類型及特征參數
鋼纖維按材質分,有普通碳鋼鋼纖維和不銹鋼鋼纖維,其中以普通鋼鋼纖維用量居多;按外形分有長直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分有圓形、矩形、月牙形及不規則形;按生產工藝分有切斷型、剪切型、銑削型及熔抽型;按施工用途分有澆筑用鋼纖維和噴射用鋼纖維。
為滿足鋼纖維的增強效果與施工性能,通常采用鋼纖維長度為15～60mm,直徑或等效直徑為0.3～1.2mm,長徑比為30～100,纖維的體積摻量為0.5%～2%。
2.鋼纖維的主要性能
鋼纖維的主要性能包括抗拉強度與黏結強度。試驗表明,由于普通鋼纖維混凝土主要是因鋼纖維拔出而破壞,并不是因鋼纖維拉斷而破壞,因此鋼纖維的抗拉強度一般能滿足使用要求,而其與混凝土基體界面的黏結強度是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素。黏結強度除與基體的性能有關外,就鋼纖維本身而言,與鋼纖維的外形和截面形狀有關。
二、鋼纖維混凝土的基本性能
國內外對鋼纖維的作用機理和鋼纖維混凝土的基本性能做了大量的研究,現歸納如下:
鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發生和發展。在受荷（拉、彎）初期,水泥基料與纖維共同承受外力,當混凝土開裂后,橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優越的物理和力學性能。
1.強度和重量比值增大
這是鋼纖維混凝土具有優越經濟性的重要標志。
2 .具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度
在混凝土中摻入適量鋼纖維,其抗拉強度提高25%～50%,抗彎強度提高40%～80%,抗剪強度提高50%～100%。
3.具有卓越的抗沖擊性能
材料抵抗沖擊或震動荷載作用的性能,稱為沖擊韌性,在通常的纖維摻量下,沖擊抗壓韌性可提高2～7倍,沖擊抗彎、抗拉等韌性可提高幾倍到幾十倍。
4.收縮性能明顯改善
在通常的纖維摻量下,鋼纖維混凝土較普通混凝土的收縮值降低7%～9%。
5.抗疲勞性能顯著提高
鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能比普通混凝土都有較大改善。當摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時,應力比為0.68,而普通混凝土僅為0.51;當摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達2×106次時,應力比為0.92,而普通混凝土僅為0.56。
6.耐久性能顯著提高
鋼纖維混凝土除抗滲性能與普通混凝土相比沒有明顯變化外,由于鋼纖維混凝土抗裂性、整體性好,因而耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性均有顯著提高。摻有1.5%的鋼纖維混凝土經150次凍融循環,其抗壓和抗彎強度下降約20%,而其他條件相同的普通混凝土卻下降60%以上,經過200次凍融循環,鋼纖維混凝土試件仍保持完好。摻量為1%、強度等級為CF35的鋼纖維混凝土耐磨損失比普通混凝土降低30%。摻有2%鋼纖維高強混凝土抗氣蝕能力較其他條件相同的高強混凝土提高1.4倍。鋼纖維混凝土在空氣、污水和海水中都呈現良好的耐腐蝕性,暴露在污水和海水中5年后的試件碳化深度小于5mm,只有表層的鋼纖維產生銹斑,內部鋼纖維未銹蝕,不像普通鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕后,銹蝕層體積膨脹而將混凝土脹裂。
三、鋼纖維混凝土設計與施工規程說明
我國于1996年出版了《鋼纖維混凝土試驗方法》CECS13:89和《鋼纖維混凝土結構設計與施工規程》CECS38:92,但本規程只對鋼纖維混凝土結構不同于混凝土結構設計與施工的專門要求作出規定。在進行鋼纖維混凝土結構設計和施工時,尚應與《水工鋼筋混凝土結構設計規范》SL/T191-96和《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2001配合使用。
四、鋼纖維混凝土在水利水電工程中的應用
1.支護工程
鋼纖維混凝土由于抗拉、抗彎、抗剪強度高,能承受較大的圍巖和土體的變形作用而保持良好的整體性,因此可用于隧洞支護、山體護坡等工程。如浙江省開化縣齊溪水電站有壓隧洞在兩個工程段內采用噴射鋼纖維混凝土襯砌,使圍巖能在較大程度上發揮作用,減少了襯砌厚度,由原來的鋼筋混凝土襯砌厚度500mm減至鋼纖維混凝土噴襯厚度60mm,省去了鋼筋加工和綁扎工程量,同時不需立模和回填灌漿,造價由每延米1175元減至398元,施工工作量減少3/4。工程至今正常運行。
2.儲水、防滲、輸水管道工程
鋼纖維混凝土由于抗裂性能好、收縮率低,因而防水、防滲性能較好,可用于低壓輸水管、蓄水池、地下室防滲等工程。而在儲水和防滲結構中鋼纖維混凝土可作防水層,有時也可兼作結構層代替鋼筋混凝土。如浙江省余姚嶺水庫混凝土壩面多次出現裂縫、下游面局部出現滲水,在混凝土面層采用噴射鋼纖維混凝土,厚度50mm,達到了防滲效果,與高頻振蕩鋼絲網水泥砂漿防滲面板相比,具有工藝簡單、施工方便、造價低等優點。
3.高速水流沖刷磨損部位
鋼纖維混凝土具有較高的抗沖磨、抗氣蝕能力,因此可用于溢洪道、消力池、閘底板等承受高速水流作用的部位。如:大渡河支流南椏河石棉二級電站,該電站是引水式徑流電站,1965年建成發電。當年汛期后,沖砂閘底板和護坦被沖成深槽,**深處達0.7m,埋設的28mm鋼筋全部磨斷,1968年和1969年先后兩次用輝綠巖鑄石板、環氧混凝土、呋喃混凝土進行修補加固對比試驗,除環氧混凝土在一個汛期內磨損10～50mm外（后來也被沖毀了）,其余材料不到一個汛期全部被砸碎沖掉。1977年在毀壞處采用硅錳渣鑄石板、改性環氧砂漿、膠乳水泥砂漿、MC尼龍板、高強混凝土、鋼纖維混凝土等材料進行補強試驗,結果表明鋼纖維混凝土是較好的抗沖耐磨材料。
4.處于腐蝕環境中的構件
鋼纖維混凝土具有良好的耐腐蝕性能,可用于海水等腐蝕環境中的閘門、輸水管道等構件的防蝕層或結構層。
5.動力荷載作用部位和抗震結構節點
由于鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強度、斷裂韌性和抗疲勞等性能,因此,可用于承受動力荷載的機墩、抗震結構的框架節點等部位。
6.復雜應力部位
鋼纖維混凝土中的鋼纖維一般呈三維亂向分布,沿每個方向都有增強和增韌作用。鋼纖維對混凝土結構復雜應力區增強是非常有利的,而且容易澆筑成型,比鋼筋更能適應各種復雜的結構形式。此外,鋼纖維限制混凝土裂縫的作用也是鋼筋不能相比的。因此,可用于大壩內廊道、泄水孔等孔口復雜應力區和牛腿等受彎構件的抗剪以及板的抗沖切部位等。
7.部分應用鋼纖維混凝土的水利水電工程
浙江省淳安縣河村水庫泄洪洞支護,浙江省文成縣百丈際水電站引水隧洞、葛洲壩二江泄水閘、三門峽泄水排砂底孔、貴州烏江渡水電站、江西大港水電站的工程修補,湖南省永川市向阻壩渡槽局部槽身加強,浙江省玉環縣四海閘閘槽二期,三峽臨時船閘閘槽二期,杭州市德勝壩閘門門體等。鋼纖維混凝土在以上工程應用均取得良好效果。
五、結 語
①鋼纖維混凝土的優越性能及在水利水電工程中成功的應用表明:鋼纖維混凝土不但可以解決鋼筋混凝土難以解決的裂縫、耐久性等問題,而且用于輸水隧洞等工程可以大幅度降低造價。因此,鋼纖維混凝土在水利水電工程中具有廣闊應用前景。
②目前鋼纖維混凝土在應用中主要的問題是鋼纖維生產成本較高,造成鋼纖維混凝土初始造價較高。為了使鋼纖維混凝土得到廣泛應用,一方面,應努力降低鋼纖維生產成本從而降低鋼纖維混凝土的造價;另一方面,在應用時,不應只計一次性投資,而應考慮鋼纖維混凝土的優越使用性能、較低的維修費和使用壽命延長等綜合經濟效益。
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