钢纤维混凝土施工技术研究与应用

摘要：本文分析了钢纤维混凝土的物理力学性能，并着重介绍了其配合比设计，从而证明了钢纤维混凝土比普通混凝土所不具备的优良性能。

关键词：钢纤维混凝土；配合比；优良性能

Abstract: This paper analyzes the physical and mechanical properties of steel fiber concrete, and emphatically introduces the mixing ratio design, so as to prove the excellent performance of steel fiber reinforced concrete than ordinary concrete has not.

Keywords: steel fiber reinforced concrete; mix; excellent performance

中图分类号：TU74

纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均布地惨和在混凝土中而形成的一种新型增强建筑材料。

在普通混凝土中掺入适量钢纤维配置而成的混凝土，称为钢纤维混凝土或钢纤维增强混凝土。由于大量很细的钢纤维均匀的分散在混凝土中，钢纤维与混凝土的接触面积很大，与同样质量的钢筋相比，刚才表面积约增加32-64倍，因而在国有方向都能使混凝土得到增强，即具有各向同性的增强，大大地改善了混凝土的各向性能，并使刚纤维混凝土作为一种新的复合材料，具备普通混凝土所不具备的优良性能，其抗拉强度、抗弯强度、耐磨性、耐冲击性、耐疲劳性、韧性、抗裂性和抗暴性等性能都得到很大提高。

一、钢纤维混凝土的物理力学性能

影响普通混凝土物理力学性能的各种因素，同样影响刚纤维混凝土的物理力学性能，除此之外，钢纤维的掺量（体积百分率p）、长径比（L/d）、纤维的形状、配置方向及分散程度、机体配合比和性质等，都对钢纤维混凝土的物理力学性能产生影响。

1、抗拉强度

普通混凝土虽然有较高的抗压强度，但抗拉强度较小，抗拉应变值也很小。纤维增强材料对混凝土的抗拉强度提高并不大，但其独特的性能是：可控制裂缝开展，增加能量吸收能力，提高热荷载和温度梯度的抵抗能力，提高抗疲劳、抗冲击和抗磨损的能力，表面不易脱落以及提高在恶劣条件下的耐久性。

2、抗弯强度

理论上分析，纺纤维混凝土无论是其抗弯强度还是抗拉强度，都将随着钢纤维含量和纤维长径比的增大而增加。但是，由于纤维混凝土的特殊工艺性能，其增强效果并不随纤维含量的增大而成比例增加，当钢纤维增加到一定数量，造成搅拌、浇筑和振捣困难时，混凝土的抗弯、抗拉强度反而会下降。从工程经济的角度看，钢纤维混凝土通常最优的含纤率在2%-3%之间，工程上一般掌握在2%左右。

3、抗冲击强度

实践证明，由于纤维混凝土有较大的吸收能量的能力，其抗冲击强度提高比较明显，一般可为普通混凝土的5-10倍，有的甚至高达20倍以上。

4、抗压强度

纤维混凝土在掺量不高的情况下（Vx=2%左右），钢纤维混凝土的抗压强度不如抗拉强度及抗弯强度，一般仅为普通混凝土的1.0-1.3倍。若继续增大纤维的含量，由于施工水平的限制，不仅不能提高抗压强度，而且会由于混凝土密实度降低而导致抗压强度的降低。实验证明，虽然掺加钢纤维不能有效地提高混凝土的抗压强度，但却能大幅度的提高抗压破坏时的韧性，显著改善构件的破坏方式。

5、其它物理力学性能

钢纤维混凝土的其它物理力学性能，如韧性、延性、抗剪、抗冻、耐磨、耐热等，都比普通混凝土有所改善。当纤维含量为2%时，延性可提高2-4倍，韧性可高达40-200倍，抗剪强度约为1.5-2.0倍，耐磨性约为1.5倍，抗冻性约为2-8倍。

二、钢纤维混凝土的配合比设计

钢纤维混凝土可认为是把钢纤维和水泥混凝土作为素材的双相复合材料，因此在制作钢纤维混凝土时，把钢纤维均匀地分散在混凝土中，是最基本而不可缺少的条件。在决定钢纤维混凝土的配合比时，也必须首先考虑和满足这一条件。

1、配置钢纤维混凝土的要求

为了获得高强度、易施工的钢纤维混凝土，在配置混凝土必须满足一下三个基本要求。

（1）钢纤维混凝土必须具有足够的混凝土硬化性能，满足结构设计各种混凝土强度的使用要求。

（2）钢纤维混凝土拌合料应具有较好的和易性，能满足施工要求。

（3）在满足使用及施工要求的前提下，在原材料选择及配合比设计中，要尽量减少钢纤维和水泥的用量，以降低工程成本。

2、对钢纤维材料的要求

（1）钢纤维强度。钢纤维混凝土被破坏时，往往是钢纤维被拉断，因此要提高钢纤维的韧性，但也没有必要过于增加它的抗拉强度。若钢纤维的抗拉强度过高，则其质地易变脆，在搅拌过程中也易被拉断，反而降低了强化效果。

（2）钢纤维的尺寸和形状。钢纤维的尺寸主要由强化特性和施工难易性所决定，钢纤维太粗或太短，其强化特性差，若过长或过细，则在搅拌时容易结团。较合适的钢纤维尺寸是：断面积为0.1-0.4mm2，长度为20-50mm。为使钢纤维能均匀地分布于混凝土中，必须使钢纤维具有合适的长径比，当使用单根状钢纤维时，其长径比不应大于100，适宜的长径比为60-80。

3、对水泥基材的要求

对水泥基材的要求，主要是指对水泥品种与强度等级、对砂石料的粒径与比例、外加剂的种类、拌和物的工作性，硬化后混凝土的性能等方面的要求。

（1）一般选用强度等级为42.5MPa、52.5MPa的普通硅酸盐水泥，配置高强钢纤维混凝土时，可选用强度等级62.5MPa以上的硅酸盐水泥或明矾石水泥。

（2）砂子的粒径为0.15-5.0mm，卵石或碎石的最大粒径一般不宜大于15mm，对钢纤维喷射混凝土则不宜大于10mm。

（3）为降低混凝土的水灰比，改善混凝土拌和物的和易性，其单位体积水泥用量应当适当增加，必要时可掺加减水剂或塑化剂。

（4）为保证钢纤维混凝土拌和物具有良好的和易性，混凝土的砂率一般不应低于50%，水泥用量一般较之未掺钢纤维的混凝土高10%左右。

（5）配制的钢纤维混凝土拌和物应具有较好的工作性，使短切纤维可均匀地分布于混凝土中，在浇筑时无离析、泌水现象并易于振捣密实。

（6）钢纤维混凝土硬化体应具有尽可能高的致密度，以保证钢纤维混凝土的抗渗、抗冻融、耐腐蚀、抗风化等性能。

（7）特定条件下要求所使用的水泥基材具有低碱度，以防止或减少基材对纤维的化学侵蚀。

三、钢纤维混凝土的施工

钢纤维混凝土的施工，主要是掌握混凝土搅拌、浇筑与成型三大施工工艺，这事保证施工质量的关键。

1、钢纤维混凝土的搅拌

配制钢纤维混凝土，关键在搅拌的过程中使钢纤维均匀地分散于混凝土拌合物中。特别是当纤维掺量较多时，如不能使其充分地分散，很容易同水泥砂浆或砂子一起结成球状的团块，将极大地降低增强效果。根据钢纤维混凝土搅拌的实践经验，目前常用的较好的混合搅拌方法有“先混法”和“后混法”两种。

（1）先混法。即先将钢纤维与粗、细骨料在搅拌容器内搅拌均匀（干料搅拌），然后再将水泥和水掺入搅拌均匀即可。

（2）后混法。先将水泥、水和骨料在搅拌容器中搅拌均匀（同普通混凝土的搅拌），然后再将钢纤维掺入混凝土中搅拌均匀。

一般来说，钢纤维越细、越长和掺加量越大，则其分散性越差。为提高钢纤维的分散性，在搅拌钢纤维混凝土时，掺加适量的非离子界面活性剂（如聚氧乙烯辛基、苯酚醚）是比较有效的。通过活性剂掺量与伴生空气量的关系实验，钢纤维混凝土活性剂的掺量一般不超过0.005%。

2、纤维混凝土的浇筑与成型

钢纤维混凝土浇筑成型所需的能量比普通混凝土要大，搅拌后的钢纤维混凝土的流动性，即使掺加非离子表面活性剂，也会随着钢纤维掺量的增加而大幅度下降。其原因是钢纤维相互摩擦和相互缠绕，使具有一定程度的刚性而形成空间网结构，抑制了内部水及水泥浆的流动所致。因此，在满足抗弯强度的前提下，钢纤维的掺量不宜过多，否则会致使混凝土在浇筑不能密实填充模板，反而造成混凝土强度的下降。钢纤维混凝土的成型捣实，一般应选用普通的振动台或表面振动器，而不宜选用内部振捣设备。

综上所述，钢纤维混凝土具有普通混凝土所不具备的优良性能。由于钢纤维混凝土价格较高等方面的原因，目前钢纤维混凝土还不能完全取代普通混凝土，但其在工程应用上已经证明它在预制混凝土产品、现浇混凝土结构和喷射混凝土中具有优良的性能。钢纤维混凝土除可应用于道路、桥面、铺装、隧道内衬等工程外，特别是在需要薄的断面或不规则形状断面、不易或不能配置普通钢筋是显得更加有效。