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談論鋼纖維混凝土的性能及其應用
[論文關鍵詞]鋼纖維混凝土增強理論 應用
[論文摘要]鋼纖維混凝土是一種新型的復合，其和力學性能優于普通混凝土，通過介紹鋼纖維增強混凝土的基本理論，闡述鋼纖維混凝土在多個領域工程中的應用。
鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete,簡寫為SFRC）是在普通混凝土中摻入適量短鋼纖維而形成的可澆筑、可噴射成型的一種新型復合材料。它是近些年來發展起來的一種性能優良且應用廣泛的復合材料。其中所摻的鋼纖維是用鋼質材料加工制成的短纖維，常用的有：切斷型鋼纖維、剪切型鋼纖維、銑削型鋼纖維、熔抽型鋼纖維等。鋼纖維在混凝土中主要是限制混凝土裂縫的擴展，從而使其抗拉、抗彎、抗剪強度較普通混凝土有顯著提高，其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性有較大改善，使原本屬于脆性材料的混凝土變成具有一定塑性性能的復合材料。
一、鋼纖維增強混凝土的基本理論
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復合力學理論是以連續纖維復合材料理論為基礎，結合鋼纖維在混凝土中的分布特點形成的。該理論是將復合材料視為以纖維為一相，基體為另一相的兩相復合材料。
�。ǘ├w維間距理論。纖維間距理論又稱纖維阻裂理論，是1963年由J.P.Romualdi和J.B.Batson提出來的。該理論根據線彈性斷裂力學理論解釋纖維對裂縫發生和發展的約束作用，認為欲增強混凝土這種本身帶內部缺陷的脆性材料的抗拉強度，必須盡可能地減少內部缺陷的尺寸，提高韌性，降低裂縫尖端的應力強度因子、減少裂縫尖端的應力集中作用，故在裂縫處用纖維連接，受拉時跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的上下表面，使裂縫處材料仍能繼續承載，這樣，因裂縫的出現孔邊應力集中程度就緩和，隨著橋接裂縫纖維數目的增多，纖維間距越小，緩和裂縫尖端應力集中程度越大，對裂縫尖端產生的反向應力場也越大，當纖維數量增加到密布于裂縫時，應力集中就會消失，進一步表明纖維的阻裂效應，即在復合材料結構形成和受力破壞的過程中，有效地提高了復合材料受力前后阻裂引發與擴展的能力，達到鋼纖維對混凝土增強與增韌目的。
（三）界面應力傳遞的剪滯理論。鋼纖維混凝土中鋼纖維周圍的水泥基體結構與自身結構是不相同的，即在鋼纖維與基體之間存在著界面層。鋼纖維混凝土的性能主要取決于混凝土基體性能、鋼纖維含量以及它們之間的界面特性。假定界面是一層厚度可以忽略的薄層，但具有一定的力學性能。當荷載作用于鋼纖維混凝土時，荷載一般先施加于低彈性的基體，然后通過纖維-基體的界面，把一部分荷載傳遞給高彈模的纖維，使纖維和基體共同承擔荷載，從而起到增強的作用。
二、鋼纖維混凝土的應用
鋼纖維混凝土作為一種新型復合材料，以其優良的抗拉、抗彎、阻裂、耐沖擊、耐疲勞、高韌性等物理力學性能，目前已被廣泛應用于建筑工程、工程、公路橋梁工程、公路路面和機場道面工程、鐵路公程、管道工程、內河航道工程、防暴工程和維修加固工程等各個專業領域。
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鋼纖維混凝土在水利工程中的應用比較廣泛，主要將其用于受高速水流作用以及受力比較復雜的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓疏水道、消力池、閘底板和水閘、船閘、渡槽、大壩防滲面板及護坡等。這些部位對混凝土自身的抗拉強度、抗剪強度以及抗裂性能的要求都比較高，也正發揮了鋼纖維混凝土的自身優勢。我國在實際工程中應用的有：三峽工程、小浪底水利樞紐工程、三門峽泄水排砂底孔等工程。以上工程都獲得了較為滿意的效果，并取得了較好的效益。
（二）工程。鋼纖維混凝土在建筑工程中的影響越來越廣泛，一般應用于房屋建筑工程、預制樁工程、框架節點、屋面防水工程、地下防水工程等工程領域中。如抗震框架節點中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節點對強度、延性、耗能等方面的要求，而且還能提供類似于箍筋約束混凝土的作用，并解決節點區鋼筋擠壓使混凝土難于澆注的施工問題；鋼纖維混凝土還具有良好的抗裂性，可使構件在標準荷載下處于彈性階段而不裂，不出現應力的重分布；用鋼纖維混凝土制成的自防水預應力屋面板，不僅提高了自防水預應力屋面板的抗裂性能，同時也減少了縱向預應力筋的配筋率，提高了結構的耐久性。鋼纖維混凝土在建筑中的應用實例有：福州東方大廈、沈陽市急救中心站綜合樓、江蘇省丹陽市院、遼陽市食品公司辦公樓等工程。
（三）道路和橋梁工程。鋼纖維混凝在道路和橋梁工程方面，主要廣泛應用于路面、橋梁、機場跑道等工程中，包括新建及修補工程。鋼纖維混凝土較普通混凝土有較好的韌性，抗沖擊、抗疲勞性。它可使面層厚度減少，伸縮縫間距加長，使用性能提高，維修費用減低，壽命延長。面層較普通混凝土可減少30-50%，公路伸縮縫間距可達30-100m，機場跑道的伸縮縫間距可達30m。用于路面及橋面修補時，其罩面厚度僅為3-5cm。在實際工程中有：北京東西環路立交橋、滬杭高速公路成渝公路、大足朱溪大橋、廣州解放大橋等工程中都采用了鋼纖維混凝土解決工程難題，使用效果較好，經濟效益顯著。
�。ㄋ模╄F路工程。在鐵路工程方面，鋼纖維混凝土主要用于預應力鋼纖維混凝土鐵路軌枕、雙塊式鐵路軌枕及搶修鐵路橋面防水保護層中。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數萬次的振動，所以要求混凝土必須具有較高的強度、較高的抗沖擊性及較大的塑性。這正好利用了鋼纖維混凝土的抗沖擊性及較好的塑性。建成的工程有：沈陽鐵路局長達線維修工程、柳州鐵路局黔桂鐵路鋪設工程、南昆鐵路隧道工程和西安安康鐵路椅子山隧道等工程土。鋼纖維混凝土的應用，使維修工作量大為減少，并提高了線路的使用壽命，效果良好。
�。ㄎ澹└劭诩昂Ｑ蠊こ獭ｄ摾w維混凝土在海洋工程中的使用主要是鋼纖維混凝土的腐蝕問題，所以有待進一步研究，但在日本和挪威的使用經驗是令人鼓舞的。日本鋼鐵俱樂部采用鋼纖維混凝土作鋼管樁防腐層，在海水中浸泡10年，鋼纖維混凝土防腐完好，鋼管表面無銹蝕，仍有金屬光澤。挪威將鋼纖維混凝土用于北海海底輸氣管道的隧道襯砌、Forsmark核電站海底核廢料庫的支護、海洋平臺后張預應力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補等。我國江蘇石舀港碼頭的軌道梁工程中也使用了鋼纖維混凝土。
除了上述領域外，還有很多鋼纖維混凝土的應用的實例，如承受重級工作制造廠房和倉庫地面、薄壁蓄水結構、預制板、離心管、污水井、游泳池、耐火混凝土和耐火材料、抗爆結構、各類建筑物和構筑物的修補、補強加固、抗震加固等。
三、結束語
鋼纖維混凝土具有普通混凝土不具有的優點，且具有良好的經濟效益，其在民用建筑樓地面、公路路面、預制構件水利工程、港口碼頭、機場跑道和停機坪、橋梁隧道以及各種構筑物等方面的應用前景將是十分廣闊的前景。
參考文獻：
[1]J.P.Romualdi and G.B.Batson. Mechanics of Crack Arrest in Concrete,Proc.ASCE, Vol.89,EM3,Junal 1963(pp.147-168).
[2]高丹盈，劉建秀.鋼纖維混凝土基本理論[M].北京：科學技術文獻出版社.1994.
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