钢纤维混凝土的应用与发展

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1、钢纤维混凝土的应用与发展钢纤维混凝土的应用与发展班级：08 级土木一班 姓名：唐帅 学号:0843052064摘要：摘要：钢纤维混凝土是一种新型的复合建筑材料，其物理和力学性能优于普通 混凝土，通过介绍钢纤维增强混凝土的基本理论，阐述钢纤维混凝土在多个领 域工程中的应用。关键词：关键词：钢纤维混凝土钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简写为 SFRC）是在普通 混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。 它是近些年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。其中所掺的钢 纤维是用钢质材料加工制成的短纤维，常用的有：切断型钢

2、纤维、剪切型钢纤 维、铣削型钢纤维、熔抽型钢纤维等。钢纤维在混凝土中主要是限制混凝土裂 缝的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度较普通混凝土有显著提高，其抗冲 击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性有较大改善，使原本属于脆性材料的混凝土变 成具有一定塑性性能的复合材料。一、钢纤维混凝土的基本性能一、钢纤维混凝土的基本性能 国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究， 现归纳如下：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

3、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.强度和重量比值增大 这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能 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 27 倍，冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。4.收缩性能明显改善 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.抗疲劳性能显著提高 钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比

4、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 1106 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 2106 次时，应力比为 0.92， 而普通混凝土仅为 0.56. 6.耐久性能显著提高 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

5、量为 1%、强度等级为 CF35 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。 二、钢纤维混凝土的应用二、钢纤维混凝土的应用钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，以其优良的抗拉、抗弯、阻裂、耐 冲击、耐疲劳、高韧性等物理力学性能，目前已被广泛应用于建筑工程、水利 工程、公路桥梁工程、公路路面和机

6、场道面工程、铁路公程、管道工程、内河 航道工程、防暴工程和维修加固工程等各个专业领域。（一）水利工程钢纤维混凝土在水利工程中的应用比较广泛，主要将其用 于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孔、有压疏水道、 消力池、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大坝防渗面板及护坡等。这些部位对混 凝土材料自身的抗拉强度、抗剪强度以及抗裂性能的要求都比较高，也正发挥 了钢纤维混凝土的自身优势。我国在实际工程中应用的有：三峡工程、小浪底 水利枢纽工程、三门峡泄水排砂底孔等工程。以上工程都获得了较为满意的效 果，并取得了较好的经济效益。（二）建筑工程。钢纤维混凝土在建筑工程中的影响越来越广泛，一般应 用

7、于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等 工程领域中。如抗震框架节点中使用钢纤维混凝土，能代替箍筋满足节点对强 度、延性、耗能等方面的要求，而且还能提供类似于箍筋约束混凝土的作用， 并解决节点区钢筋挤压使混凝土难于浇注的施工问题；钢纤维混凝土还具有良 好的抗裂性，可使构件在标准荷载下处于弹性阶段而不裂，不出现应力的重分 布；用钢纤维混凝土制成的自防水预应力屋面板，不仅提高了自防水预应力屋 面板的抗裂性能，同时也减少了纵向预应力筋的配筋率，提高了结构的耐久性。 钢纤维混凝土在建筑中的应用实例有：福州东方大厦、沈阳市急救中心站综合 楼、江苏省丹阳市中医院、辽阳市食品公司办

8、公楼等工程。（三）道路和桥梁工程。钢纤维混凝在道路和桥梁工程方面，主要广泛应 用于路面、桥梁、机场跑道等工程中，包括新建及修补工程。钢纤维混凝土较 普通混凝土有较好的韧性，抗冲击、抗疲劳性。它可使面层厚度减少，伸缩缝 间距加长，使用性能提高，维修费用减低，寿命延长。面层较普通混凝土可减 少30-50%，公路伸缩缝间距可达30-100m，机场跑道的伸缩缝间距可达30m。用于路面及桥面修补时，其罩面厚度仅为3-5cm。在实际工程中有：北京东西环路 立交桥、沪杭高速公路成渝公路、大足朱溪大桥、广州解放大桥等工程中都采 用了钢纤维混凝土解决工程难题，使用效果较好，经济效益显著。（四）铁路工程。在铁路工

9、程方面，钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维 混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕及抢修铁路桥面防水保护层中。铁路工程承 受较大的荷载、较高的速度和数万次的振动，所以要求混凝土必须具有较高的 强度、较高的抗冲击性及较大的塑性。这正好利用了钢纤维混凝土的抗冲击性 及较好的塑性。建成的工程有：沈阳铁路局长达线维修工程、柳州铁路局黔桂 铁路铺设工程、南昆铁路隧道工程和西安安康铁路椅子山隧道等工程土。钢纤 维混凝土的应用，使维修工作量大为减少，并提高了线路的使用寿命，效果良 好。（五）港口及海洋工程。钢纤维混凝土在海洋工程中的使用主要是钢纤维 混凝土的腐蚀问题，所以有待进一步研究，但在日本和挪威的使用经验是令人

10、 鼓舞的。日本钢铁俱乐部采用钢纤维混凝土作钢管桩防腐层，在海水中浸泡10 年，钢纤维混凝土防腐完好，钢管表面无锈蚀，仍有金属光泽。挪威将钢纤维 混凝土用于北海海底输气管道的隧道衬砌、Forsmark 核电站海底核废料库的支 护、海洋平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补 等。我国江苏石舀港码头的轨道梁工程中也使用了钢纤维混凝土。除了上述领域外，还有很多钢纤维混凝土的应用的实例，如承受重级工作 制造工业厂房和仓库地面、薄壁蓄水结构、预制板、离心管、污水井、游泳池、 耐火混凝土和耐火材料、抗爆结构、各类建筑物和构筑物的修补、补强加固、 抗震加固等。3 3、钢纤维混凝土的发展钢

11、纤维混凝土的发展随着1824年波特兰水泥的诞生，在1830年前后出现了混凝土，作为当时的一种 新型建筑材料，就广泛地应用于土建、水利和交通工程。尽管混凝土路面固有 优点是高抗压强度，然而它也有固有弱点如混凝土用量大、易于塑性干缩 开裂、抗疲劳能力低、韧性差、抗拉强度低、易产生裂纹、抗冲击碎裂性差等， 限制了在工程中的使用范围。这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出。 因此，长期以来许多专家和学者不断探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能， 增强耐久性)的各种方法和途径，提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合 材料钢纤维混凝土。鉴于钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced

12、Concrete 简称 SFRC)具有混 凝土不具有的优点，钢纤维混凝土在实际工程中日益得到学术界和工程界的关 注。1907年原苏联专家 B.HekpocaB 开始用金属纤维增强混凝土；1910年， 美国 H.F.Porter 发表了有关短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短钢纤维均 匀地分散在混凝土中用以强化基体材料；1911年，美国 Graham 曾把钢纤维掺入 普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果；到20世纪40年代， 美、英、法、德、日等国先后做了许多关于用钢纤维来提高混凝土耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘 结强度等方面的研究；

13、1963年 J.P.Romualdi 和 G.B.Batson 发表了关于钢纤维 约束混凝土裂缝开展的机理的论文，提出了钢纤维混凝土开裂强度是由对拉伸 应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的结论(纤维间距理论)，从而开始了 这种新型复合材料的实用开发阶段。 SFRC 是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性 能的钢纤维均匀的分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。钢纤维在混 凝土中限制混凝土早期裂缝的产生及在外力作用下裂缝的进一步扩展。在钢纤 维混凝土受力初期，纤维与混凝土共同受力，此时混凝土是外力的主要承担者。 随着外力的不断增加或者外力持续一定时间，当裂缝扩展到一定程

14、度之后，混 凝土退出工作，纤维成为外力的主要承担者，由于混凝土与钢纤维接触界面之 间有很大的界面粘结力，因而可将外力传到抗拉强度大、延伸率高的纤维上面， 使钢纤维混凝土作为一个均匀的整体抵抗外力的作用，显著提高了混凝土原有 的抗拉、抗弯强度和断裂延伸率。由此可见，钢纤维有效地克服了混凝土抗拉 强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷。 钢纤维混凝土路面不但具有普通混凝土路面的优良性能，而且具有良好的 抗折、抗冲击、抗疲劳以及收缩率小、韧性好、耐磨耗能力强等特性。可使路 面厚度减薄30以上，缩缝间距可增至15m30m，一般不用设胀缝和纵缝。四、结四、结 语语 钢纤维混凝土的优越性能及在水利水电工程

15、中成功的应用表明:钢纤 维混凝土不但可以解决钢筋混凝土难以解决的裂缝、耐久性等问题,而且用于输 水隧洞等工程可以大幅度降低造价。因此,钢纤维混凝土在水利水电工程中具有 广阔应用前景。目前钢纤维混凝土在应用中主要的问题是钢纤维生产成本较高,造成 钢纤维混凝土初始造价较高。为了使钢纤维混凝土得到广泛应用,一方面,应努 力降低钢纤维生产成本从而降低钢纤维混凝土的造价;另一方面,在应用时,不应 只计一次性投资,而应考虑钢纤维混凝土的优越使用性能、较低的维修费和使用 寿命延长等综合经济效益。参考文献1 中华人民共和国行业标准，公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D40- 2002人民交通出版社 2 中国工程建设标准化协会标准钢纤维混凝土结构设计与施工规程中 国建筑工业出版社3 钢纤维混凝土结构 中国建筑工业出版社 赵国藩