钢纤维与钢纤维混凝土材料的选择简介

(仅供参考)

 

钢纤维混凝土的拌合料是由水泥、水、粗细骨料、钢纤维及必要时掺入化学外加剂或掺加剂,按一定比例配制而成,拌合料各组成材料的正确选择,对钢纤维混凝土的物理力学性能和施工有重要的影响。

一、剪切型钢纤维的主要性能

1、抗拉强度

为使钢纤维混凝土具有良好的力学性能,要求钢纤维具有一定的抗拉强度。钢纤维的抗拉强度,根据钢纤维的材质和生产工艺不同,其抗拉强度也有所区别。剪切型钢纤维的抗拉强度一般为380~800MPa。

2、粘结强度

钢纤维的粘结强度,可按《钢纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:89)用直接拉拔法测定钢纤维与水泥砂浆之间的粘结强度。

由于钢纤维混凝土的破坏主要是钢纤维的拔出而不是拉断,因此钢纤维的增强主要取决于钢纤维混凝土基体界面的粘结强度。提高粘结强度除与基体的性能有关外,就钢纤维本身来说,应该从钢纤维的表面和形状来改善它与基体的粘结性能。为了提高钢纤维的粘结强度,常采用:使钢纤维表面粗糙化、截面呈不规则形,增加与基体的接触面积和摩擦力;将钢纤维表面压痕,或压成波形,增加机械粘结力;使钢纤维的两端异形化,将两端制成弯钩或大头形等,以提高其锚固力和抗拔力。

试验表明,异形钢纤维比平直形钢纤维的增强效果可提高约一倍。

3、硬度

各种钢纤维的表面硬度较高,在与混凝土搅拌时,一般不易发生弯折现象。钢纤维应能经受沿直径为3mm钢棒弯折90度不断。

4、耐腐蚀性

浇筑在钢纤维混凝土内部的钢纤维,只要捣固密实,与空气隔绝,钢纤维一般不发生锈蚀现象。露于混凝土表面或在裂缝宽度超过0.25mm时,跨接在裂缝处的钢纤维,易发生腐蚀现象。

二、钢纤维的几何参数和体积率

表示钢纤维几何参数的有钢纤维长度、直径(等效直径)及长径比。

钢纤维长度指钢纤维两端点间的直线距离,用Lf 表示,其尺寸可为15~60mm。

钢纤维截面的直径或等效直径(当钢纤维为非圆形截面时,其截面积相当于圆形截面面积时计算所得到的直径),用df 表示通常为0.3~1.2mm。

钢纤维的长径比即指钢纤维的长度与直径或等效直径之比,即Lf/ df,通常为30~100。

钢纤维体积率,指钢纤维所占钢纤维混凝土体积的百分数。用pf 表示,它表明钢纤维在拌合料中掺入量的多少。

三、钢纤维混凝土结构对钢纤维几何参数和体积率的选用范围

钢纤维的增强效果与钢纤维长度、直径(等效直径)及长径比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维长度太短不起增强作用,太长施工较困难,影响拌合物的质量,直径过细在拌合过程中被弯折,过粗则在同样体积率时,其增强效果较差。

试验研究和工程实践表明,钢纤维的长度为15~60mm,直径或等效直径为0.3~1.2mm,长径比在30~100的范围內选用,其增强效果和施工性能满足要求。如超出上述范围,经试验在其增强效果和施工性能方面能满足要求时,也可根据需要采用。根据国内外工程应用经验,对不同类别钢纤维混凝土结构,提出常用的钢纤维几何参数选用范围,列于表1-1。

钢纤维几何参数选用表1-1

钢纤维混凝土结构类别

长度(mm)

直径(等效直径)(mm)

长径比

一般浇筑成型的结构

25-60

0.3-1.2

40-100

框架抗震节点

40-60

0.4-1.2

50-100

铁路轨枕

20-30

0.3-0.6

50-70

喷射钢纤维混凝土

15-25

0.3-0.5

30-60

钢纤维混凝土中钢纤维的体积率小到一定程度时将不起增强作用,对于不同品种、不同长径比的钢纤维,其最小体积率略有不同,国内外一般以0.5%为最小体积率。钢纤维体积率超过2%时,拌合物的和易性变差,施工较困难,质量难以保证。但在特殊需要时,经试验和采取必要的施工措施,在保证质量和增强效果的情况下,可将钢纤维体积率增大。

根据国内外工程和应用经验,不同的钢纤维混凝土结构工程,常用体积率选用范围列于表1-2。选用时根据钢纤维的性能、结构对增强效果的要求,以及经济合理的原则选定。当钢纤维的性能较好或结构对增强要求较低时,可选用低值,结构对增强要求较高或钢纤维性能较差时可选高值。

钢纤维体积率选用范围表1-2

钢纤维混凝土结构类别

钢纤维体积率(%)

钢纤维混凝土结构类别

钢纤维体积率(%)

一般浇筑成型的结构

0.5-2.0

铁路轨枕刚性防水屋面

0.8-1.2

局部受压构件、桥面、预制桩、桩顶、桩尖

1.0-1.5

喷射钢纤维

0.5-1.5

 

1-1-2水泥水泥在钢纤维混凝土中是一种胶结材料,与水拌合形成水泥浆,具有很高的粘结力,它把砂、石和钢纤维胶结成一整体,经凝结硬化,具有一定强度的钢纤维混凝土。因此水泥是钢纤维混凝土的重要组成材料。

目前在钢纤维混凝土中常用的水泥是425和525号普通硅酸盐水泥。钢纤维混凝土中水泥用量比普通水泥用量要大,一般为360~450kg/m3。

 

1-1-3常称细骨料,用于填充碎石或砾石等粗骨料的空隙并共同组成钢纤维混凝土的骨架。

砂的粗细程度用砂的细度模数表示。砂的细度模数对钢纤维混凝土强度与和易性有一定影响,相同数量的粗砂与细砂相比,粗砂的比表面积较小,因而,在保证钢纤维混凝土强度相同时,粗砂需要的水泥用量较细砂少。显然,当水泥用量相同时,用粗砂配制成的钢纤维混凝土强度要比用细砂配制的钢纤维混凝土强度为高。此外,当钢纤维混凝土的拌合料和易性相同时,细砂混凝土的拌合料需水量较多,但如用过粗的砂拌制容易产生离析和泌水现象;若用过细的砂拌制,虽不产生离析和泌水现象,却需要较多的水泥浆才能包裹砂的表面,水泥用量大。为此,砂的细度模数要适中,配制钢纤维混凝土的砂宜用中粗砂。

砂的级配应符合要求。砂的密度一般为2.5~2.7g/cm3。

 

1-1-4石料碎石或砾石是组成钢纤维混凝土的骨架材料,常称粗骨料。钢纤维混凝土所用石料,通常选用碎石。因碎石的颗料表面较粗糙,富有棱角,能产生良好的机械嵌锁作用,与水泥浆有较强的粘结力。因此,在同样条件下用碎石比用砾石所配制成的钢纤维混凝土强度为高,但需水泥浆较多。

钢纤维混凝土所用石料粒径,不宜大于钢纤维长度的2/3,一般为5~20mm,最大粒径不宜大于20mm, 如果石料粒径过大,削弱了钢纤维的增强作用,并易于集中于大石料周围,不便于钢纤维的分散。

石料的级配应符合要求,否则会影响钢纤维混凝土混合料的流动性和水泥用量。

 

1-1-5凡能饮用的水和洁净的天然水,均可用于钢纤维混凝土,因海水对钢纤维有锈蚀作用,一般不允许用海水拌制钢纤维混凝土。

 

1-1-6外加剂在钢纤维混凝土拌合过程中,为了改善拌合料的和易性、减少水泥用量或提高强度,可掺入一定量的外加剂。

外加剂按使用效果分为减水剂、引水剂、防冻剂、膨胀剂、促凝剂等。在钢纤维混凝土中,使用较多的是减水剂(普通减水剂和高效减水剂),以提高其和易性。

在使用外加剂时应注意的事项是:

1)根据使用目的,选择品种,并根据技术经济进行比较确定。

2)所加掺量应按所用品种,并根据使用要求,施工条件,拌合的原材料等因素经试验确定。掺量以水泥重量的百分率表示。

3)掺量为1%以下的外加剂(如高效减水剂)应以水溶液掺入为宜。

4)注意外加剂与水泥的适应性。

5)外加剂的性能应符合现行标准《混凝土外加剂应用规程》的规定。

另外,根据需要和可能,在钢纤维混凝土中还可掺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,节约水泥用量以及提高强度。其拌合材料性能应符合现行标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和《用于水泥中的火山灰质混合材料》的规定,其掺量可通过试验确定。

 

参考文献

〔1〕赵国藩,彭少民,黄承逵,钢纤维混凝土结构,北京:中国建筑工业出版社,1999。

 
 

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