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钢纤维增强混凝土性能的应用与研究

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摘要:钢纤维混凝土是以钢纤维为增强材料,混凝土为基体的复合材料。在纤维增强混凝土结构中,应用广、发展快。本文概述了钢纤维混凝土的研究进展及目前在此领域的相关研究热点,并对钢纤维增强混凝土的应用研究做出了初步的展望。

关键词:钢纤维;混凝土;抗裂

1绪论

目前我国的公路建设中,由于混凝土独特性能在公路中得到广泛应用。混凝土路面抗渗性好、强度高、工作性能良好,与普通混凝土而言,具有更高的使用寿命和耐久性。在高速车流的碾压和高温与低温的交替的影响下,大量的质量问题和技术问题就出现在混凝土路面中。在凝结硬化的过程中,混凝土会产生大量的裂缝,由于水胶比低、早期自收缩大。这无疑存在不安全的隐患。因此增强混凝土路面抗裂、延长使用寿命成为重要的研究对象。面对这一系列的问题,我国专家及相关路面工作者对抑制混凝土路面开裂进行了大量的研究,积累了大量可供参考的经验和知识。研究表明在混凝土中加入钢纤维可有效的阻止裂缝的发展,达到了抗裂效果,有效延长了路面的使用寿命。因此受到国内外的广泛推崇,从整体看具有重要的意义。

2钢纤维增强混凝土路面在国外的发展

钢纤维在混凝土中主要起预防和抑制路面的反射裂缝,其应用必须得追溯到1907-1908年间,苏联专家B.JI.Hekpacob将钢纤维掺入混凝土中增强其性能。有人认为,最早发展是在1910年,美国的H.F.Porter为强化结构材料,对短纤维进行比较系统全面的研究,将短纤维作为一种增强材料均匀分散于混凝土中,现在钢纤维混凝土结构与其大致相同。二十世纪四十年代,多个国家分别对钢纤维制作工艺、钢纤维增强混凝土性能,为增强钢纤维与混凝土的黏结力改变钢纤维形状申请专利。1963年,钢纤维混凝土发展较快,J.B.Batson对钢纤维增强混凝土的作用机理进行理论分析,并发表研究报告。而后两大理论产生,一个是英国Swamy提出复合力学理论,另一个美国Romualdi提出纤维间距理论。综合上述情况看,以前钢纤维是抗反射裂缝产生为目的,现在变为对混凝土路面综合性改善。钢纤维对于混凝土路面的加强作用,在美国和西欧国家的研究也备受关注,并且钢纤维仍在大面积使用。并研制了与钢纤维相关的添加设备,为钢纤维混凝土路面的普及提供了方便。

3钢纤维增强混凝土路面在国内的发展

对钢纤维混凝土研究我国相对较晚,开始于二十世纪七十年代,随着研究的深入,钢纤维用量随之增长。在学术研究方面取得突出成果,1983年,空军工程学院程铁生[1]进行相关钢纤维混凝土性能研究,例如抗剪性能、抗震性能和单轴受压荷载下应力应变过程。2001年,大连理工大学赵国藩[2]教授分析了钢纤维混凝土增强机理和破坏形态,导出了一系列的抗拉强度公式。在制定规程方面,为推动其应用,哈尔滨建筑工程学院和大连理工大学联合编制了《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》,这为后续研究奠定了基础,对钢纤维混凝土应用和研究起到规范指导作用。2010年,陈辉国[3]等人通过高温试验系统,表明高温后的钢纤维混凝土性能随掺量增加而上升。2017年,潘慧敏[4]通过不同掺量钢纤维对钢纤维混凝土进行冲击试验,表明钢纤维的掺入显著提升了混凝土的抗冲击性。黄文金[5]等人钢纤维混凝土界面黏结强度,结果显示掺量的不同黏结强度变化规律也不同。因此在人们对复合材料有较深入的了解后,认为复合材料的断裂韧性很大程度上取决于混凝土和钢纤维的界面。因此从界面角度去优化钢纤维增强混凝土材料和用量更加合理有效。

4目前钢纤维增强混凝土路面研究

热点钢纤维可有效提升混凝土性能,保证其整体性。在集料中掺入乱向分布的钢纤维,达到改善混凝土高温稳定性、低温抗裂性,与混凝土具有良好的亲和力。钢纤维混凝土施工工艺简单、抗裂效果明显因此相关学者进行了大量研究,主要从以下几方面:

4.1钢纤维与水泥砂浆界面粘附性研究在钢纤维混凝土中发挥关键阻裂作用的是钢纤维与混凝土基体的界面粘结,同时钢纤维能分散荷载的作用。表征钢纤维混凝土裂后状态重要因素就是粘结作用。通过拉拔试验测试钢纤维与基体的粘结,由拔出荷载-滑移曲线,评价粘结效果。

4.2钢纤维混凝土力学性能研究复合材料的物理性能和力学性能体现了钢纤维对混凝土强化程度及其机理。通过力学性能试验可测得主要性能包括抗压性能、拉伸性能、抗折性能等等。力学性能试验是一种重要的研究钢纤维增强机理的手段,主要通过荷载作用测试力学指标。

4.3钢纤维合理化用量研究通过分析外荷载作用下,基体与钢纤维界面的黏附功作用效果等于基体自身的内聚力作用效果时钢纤维的长度与基体的用量之比,达到复合材料界面理想的破坏形态,脱黏和基体破坏同时发生,通过黏附较多水泥砂浆的钢纤维确定在钢纤维增强基体中,钢纤维的最佳长度与最佳用量。

5结语与展望

钢纤维混凝土与普通混凝土相比,不仅能有效的延长道路的使用寿命,而且大幅度改善了道路路用性能,因此其使用空间更加广泛。虽钢纤维的加入增加了修筑成本,但综合比较性价比高。同时钢纤维混凝土虽已进行了大量研究,但对试验参数大部分依据经验而得,缺乏详细的理论作为依据,因此对钢纤维混凝土的研究具有很大的应用前景。

参考文献:

[1]程铁生,章文纲.钢纤维混凝土在刚性道面上的应用[J].工业建筑,1983,12:12-17.

[2]贡金鑫,黄承逵,赵国藩.钢纤维混凝土的抗折疲劳方程[J].土木工程学报,2001,34(4):72-77.

[3]陈辉国,刘盈丰,等.钢纤维掺量对混凝土高温力学性能的影响[J].重庆交通大学学报,2010,4:552-554.

[4]潘慧敏,马云朝.钢纤维在混凝土冲击断面的分布与统计分析[J].硅酸盐通报,2017,11:3817-3822.

[5]黄文金,盛叶,张正宾,等.钢管-钢纤维活性粉末混凝土界面黏结强度试验研究[J].建筑结构学报,2017,S1:502-507.

作者:谭利娟 单位:重庆交通大学土木工程学院

混凝土杂志责任编辑:张雨    阅读:人次