鋼纖維混凝土的應(yīng)用技術(shù)

鋼纖維混凝土就是在普通混凝土中摻入適量鋼纖維而成的一種新型復(fù)合材料，近年來在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展。它克服了混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、性脆等缺點，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能，已在建筑、路橋、水工等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

    鋼纖維混凝土在水利水電工程中的應(yīng)用
    水利工程鋼纖維混凝土在水利工程中的應(yīng)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(fù)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(hù)坡等。這些部位對混凝土材料自身的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及抗裂性能的要求都比較高，也正發(fā)揮了鋼纖維混凝土的自身優(yōu)勢。以下是在水利工程中相關(guān)方面使用鋼纖維混凝土列舉：
    （1）支護(hù)工程 鋼纖維混凝土由于抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度高，能承受較大的圍巖和土體的變形作用而保持良好的整體性，因此可用于隧洞支護(hù)、山體護(hù)坡等工程。如浙江省開化縣齊溪水電站有壓隧洞在兩個工程段內(nèi)采用噴射鋼纖維混凝土襯砌，使圍巖能在較大程度上發(fā)揮作用，減少了襯砌厚度，由原來的鋼筋混凝土襯砌厚度500mm減至鋼纖維混凝土噴襯厚度60mm，省去了鋼筋加工和綁扎工程量，同時不需立模和回填灌漿，造價由每延米1175元減至398元，施工工作量減少3/4。工程至今正常運(yùn)行。
    （2）儲水、防滲、輸水管道工程 鋼纖維混凝土由于抗裂性能好、收縮率低，因而防水、防滲性能較好，可用于低壓輸水管、蓄水池、地下室防滲等工程。而在儲水和防滲結(jié)構(gòu)中鋼纖維混凝土可作防水層，有時也可兼作結(jié)構(gòu)層代替鋼筋混凝土。如浙江省余姚嶺水庫混凝土壩面多次出現(xiàn)裂縫、下游面局部出現(xiàn)滲水，在混凝土面層采用噴射鋼纖維混凝土，厚度50mm，達(dá)到了防滲效果，與高頻振蕩鋼絲網(wǎng)水泥砂漿防滲面板相比，具有工藝簡單、施工方便、造價低等優(yōu)點。
    （3）高速水流沖刷磨損部位 鋼纖維混凝土具有較高的抗沖磨、抗氣蝕能力，因此可用于溢洪道、消力池、閘底板等承受高速水流作用的部位。如：大渡河支流南椏河石棉二級電站，該電站是引水式徑流電站，1965年建成發(fā)電。當(dāng)年汛期后，沖砂閘底板和護(hù)坦被沖成深槽，最深處達(dá)0.7m，埋設(shè)的28mm鋼筋全部磨斷，1968年和1969年先后兩次用輝綠巖鑄石板、環(huán)氧混凝土、呋喃混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固對比試驗，除環(huán)氧混凝土在一個汛期內(nèi)磨損10～50mm外（后來也被沖毀了），其余材料不到一個汛期全部被砸碎沖掉。1977年在毀壞處采用硅錳渣鑄石板、改性環(huán)氧砂漿、膠乳水泥砂漿、MC尼龍板、高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土等材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)試驗，結(jié)果表明鋼纖維混凝土是較好的抗沖耐磨材料。
    （4）處于腐蝕環(huán)境中的構(gòu)件 鋼纖維混凝土具有良好的耐腐蝕性能，可用于海水等腐蝕環(huán)境中的閘門、輸水管道等構(gòu)件的防蝕層或結(jié)構(gòu)層。
    （5）動力荷載作用部位和抗震結(jié)構(gòu)節(jié)點 由于鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞等性能，因此，可用于承受動力荷載的機(jī)墩、抗震結(jié)構(gòu)的框架節(jié)點等部位。
    （6）復(fù)雜應(yīng)力部位 鋼纖維混凝土中的鋼纖維一般呈三維亂向分布，沿每個方向都有增強(qiáng)和增韌作用。鋼纖維對混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力區(qū)增強(qiáng)是非常有利的，而且容易澆筑成型，比鋼筋更能適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。此外，鋼纖維限制混凝土裂縫的作用也是鋼筋不能相比的。因此，可用于大壩內(nèi)廊道、泄水孔等孔口復(fù)雜應(yīng)力區(qū)和牛腿等受彎構(gòu)件的抗剪以及板的抗沖切部位等。
    （7）部分應(yīng)用鋼纖維混凝土的水利水電工程 浙江省淳安縣河村水庫泄洪洞支護(hù)，浙江省文成縣百丈際水電站引水隧洞、葛洲壩二江泄水閘、三門峽泄水排砂底孔、貴州烏江渡水電站、江西大港水電站的工程修補(bǔ)，湖南省永川市向阻壩渡槽局部槽身加強(qiáng)，浙江省玉環(huán)縣四海閘閘槽二期，三峽臨時船閘閘槽二期，杭州市德勝壩閘門門體等。鋼纖維混凝土在以上工程應(yīng)用均取得良好效果。
    建筑工程方面應(yīng)用和實例
    鋼纖維混凝土在建筑工程中的影響越來越廣泛，一般應(yīng)用于房屋建筑工程、預(yù)制樁工程、框架節(jié)點、屋面防水工程、地下防水工程等工程領(lǐng)域中。如抗震框架節(jié)點中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節(jié)點對強(qiáng)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(jié)點區(qū)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(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)荷載下處于彈性階段而不裂，不出現(xiàn)應(yīng)力的重分布；用鋼纖維混凝土制成的自防水預(yù)應(yīng)力屋面板，不僅提高了自防水預(yù)應(yīng)力屋面板的抗裂性能，同時也減少了縱向預(yù)應(yīng)力筋的配筋率，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。以下是在建筑工程中使用鋼纖維混凝土列舉：
    （1）福州高層華福大廈，該工程地上31層，地下2層，一至八層為商業(yè)與辦公室用房，層高高、開間大，九層以上為公寓，層高低、開間小，故在八層頂采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，該轉(zhuǎn)換層大梁全部采用鋼纖維混凝土。鋼纖維摻量為混凝土體積的1％，相當(dāng)于每立方混凝土摻78公斤鋼纖維。采用揚(yáng)中工程纖維廠生產(chǎn)的剪切扭曲型鋼纖維，混凝土強(qiáng)度等級C40，石子粒徑不大于20mm。二幢大廈轉(zhuǎn)換層大梁共計混凝土500m3，使用鋼纖維近40噸。施工時由人工將鋼纖維均勻地拋撒在砂石骨料中，先干拌均勻后再加水泥與水進(jìn)行正常攪拌，比普通混凝土多一道干拌工序。其抗剪能力約提高45％，建成后效果較好。
    （2）福州中美大廈，地下2層，地上28層，框架剪力墻中筒結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)層層高僅2.9米，**柱距7.9米，為保證建筑凈高，內(nèi)框架高僅270mm，梁寬為2000mm，即為特型寬扁梁。為了保證柱周邊板帶的抗沖切能力，設(shè)計中將板帶在柱上交匯的方塊處加厚為400mm形成柱帽更好地支托由板帶梁傳來的荷載安全地過渡到柱上，同時又起到梁加膠的作用；兩個方向柱帽的寬度與板帶梁同寬為2000mm，為提高柱帽處的抗沖切能力，在該柱帽處采用鋼纖維混凝土。鋼纖維摻入量為混凝土1％體積率，柱帽部分的鋼纖維混凝土另行配置，施工時先搗注柱帽范圍后搗注梁板部位混凝土。由于施工時配合較好，質(zhì)量得到保證。因無較高向下垂柱的大梁，各標(biāo)準(zhǔn)層樓板底直觀效果好，顯得空間平整。
    （3）其余使用鋼纖維混凝土的建筑有福州東方大廈、沈陽市急救中心站綜合樓、江蘇省丹陽市中醫(yī)院、遼陽市食品公司辦公樓等工程。
    鋼纖維混凝土在道路和橋梁工程應(yīng)用
    鋼纖維混凝在道路和橋梁工程方面，主要廣泛應(yīng)用于路面、橋梁、機(jī)場跑道等工程中，包括新建及修補(bǔ)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(fèi)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(dá)30-100m，機(jī)場跑道的伸縮縫間距可達(dá)30m。用于路面及橋面修補(bǔ)時，其罩面厚度僅為3-5cm。以下是在道路和橋梁工程中使用鋼纖維混凝土列舉：
    （1）2002年在新鄉(xiāng)市新輝特大立交橋工程中，橋面伸所縫處采用C50鋼纖維混凝土。我們嚴(yán)格按照設(shè)計文件和規(guī)定要求，選用黑龍江慶安鋼鐵廠生產(chǎn)的熔抽型碳鋼纖維；天津薊縣產(chǎn)1～2cm石灰?guī)r碎石；天津薊縣產(chǎn)河砂（細(xì)度模數(shù)2.7）；天津華聯(lián)外加劑廠生產(chǎn)的“永強(qiáng)”牌TD-10減水防凍劑，唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的“盾石”525普硅水泥，經(jīng)過反復(fù)的試驗最后確定了用于橋面伸縮縫的C50鋼纖維混凝土配合比。在橋面伸縮縫施工過程中嚴(yán)格按照配合比控制原材料質(zhì)量攪拌，振搗和澆筑全部按規(guī)范要求進(jìn)行施工，取得了很好的效果。經(jīng)過工程施工的檢驗，能夠滿足設(shè)計的要求。
    （2）美國陸軍工程兵團(tuán)所采用的混凝土或砂漿表面抗磨損試驗（轉(zhuǎn)動切削法）方法，以分析其抗磨損性能。其結(jié)果表明，根據(jù)轉(zhuǎn)動切削試驗法纖維混凝土增強(qiáng)抗磨損能力105％。使用纖維后增加的粗糙度，將使混凝土在同樣外露表面磨損試驗條件下，抗磨損能力增加1倍。也曾與挪威高速公路試驗室合作進(jìn)行抗磨損試驗。試驗在挪威有釘帽的輪胎測試混凝土磨損試驗機(jī)上進(jìn)行。其結(jié)果表明，C-75有纖維的混凝土試樣比無纖維的對比試樣，其抗磨損能力增加52％，而其試件磨損損失量少34.4％。C-50纖維混凝土試樣，水泥用量雖少，但所顯示比C-75對比試樣的抗磨損能力增加20％，而其材料磨損損失量少17.2％。
    （3）其余有北京東西環(huán)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(jīng)濟(jì)效益顯著。
    鋼纖維混凝土在鐵路工程應(yīng)用
    在鐵路工程方面，鋼纖維混凝土主要用于預(yù)應(yīng)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(hù)層中。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數(shù)萬次的振動，所以要求混凝土必須具有較高的強(qiáng)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。鋼纖維混凝土的應(yīng)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。
    （1）鐵路方面在西康線椅于山隧道工程采用濕噴鋼纖維混凝土取得成功，由于鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度大，具有很強(qiáng)的支護(hù)功能。濕噴鋼纖維混凝土工藝節(jié)省人力、物力、簡化工序、降低成本。噴射混凝土施工簡便，不用模擬，只需配備一臺噴射機(jī)與攪拌機(jī)，省去了支模、澆筑和折模工序，使混凝土輸送、澆筑和搗實合為一道工序，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于工序簡化，也減少了工序間的相互干擾，加快了襯砌的施工速度，提高了施工效率。濕噴鋼纖維混凝土可通過輸料軟管在高空或狹小工作區(qū)間向任意方向施工薄壁結(jié)構(gòu)，機(jī)動靈活，有較廣的適應(yīng)性，因而在隧道施工中適用范圍廣，可適用于III類及其III類圍岸以上的襯砌。與干噴相比，濕噴大大減少了施工粉塵，優(yōu)化了施工環(huán)境，鋼纖維混凝土外有的粗糙，其小槽溝能吸收聲波，減輕回音，因而具有降低噪音的功能。         
    （2）太行山特長隧道位于石太客運(yùn)專線小寨車站和盂縣車站之間，通過太行山山脈的主峰越宵山，隧道**埋深445 m，設(shè)計為雙洞單線隧道，兩線線間距35 m，隧道全長27 839 m，是目前我國設(shè)計的最長山嶺隧道。該隧道進(jìn)口段圍巖巖體破碎，裂隙發(fā)育，條件較差，設(shè)計采用濕噴鋼纖維混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。經(jīng)現(xiàn)場試驗，7d和28d平均強(qiáng)度分別為18.9、25.5MPa，28d平均強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.6MPa，變異系數(shù)為1.2％，質(zhì)量穩(wěn)定優(yōu)良。濕噴鋼纖維混凝土在本工程的應(yīng)用，大大地緩解了工期矛盾，改善了作業(yè)環(huán)境，減輕了通風(fēng)壓力，社會經(jīng)濟(jì)效益明顯。
    （3）其余建成的工程有：沈陽鐵路局長達(dá)線維修工程、柳州鐵路局黔桂鐵路鋪設(shè)工程、南昆鐵路隧道工程等工程。
    鋼纖維混凝土在港口及海洋應(yīng)用
    鋼纖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(jìn)一步研究，但在日本和挪威的使用經(jīng)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(hù)、海洋平臺后張預(yù)應(yīng)力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補(bǔ)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。