一、鋼纖維的基本性質(zhì)
1.鋼纖維的類型及特征參數(shù)
鋼纖維按材質(zhì)分,有普通碳鋼鋼纖維和不銹鋼鋼纖維,其中以普通鋼鋼纖維用量居多;按外形分有長直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分有圓形、矩形、月牙形及不規(guī)則形;按生產(chǎn)工藝分有切斷型、剪切型、銑削型及熔抽型;按施工用途分有澆筑用鋼纖維和噴射用鋼纖維。
為滿足鋼纖維的增強效果與施工性能,通常采用鋼纖維長度為15～60mm,直徑或等效直徑為0.3～1.2mm,長徑比為30～100,纖維的體積摻量為0.5%～2%。
2.鋼纖維的主要性能
鋼纖維的主要性能包括抗拉強度與黏結(jié)強度。試驗表明,由于普通鋼纖維混凝土主要是因鋼纖維拔出而破壞,并不是因鋼纖維拉斷而破壞,因此鋼纖維的抗拉強度一般能滿足使用要求,而其與混凝土基體界面的黏結(jié)強度是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素。黏結(jié)強度除與基體的性能有關(guān)外,就鋼纖維本身而言,與鋼纖維的外形和截面形狀有關(guān)。
二、鋼纖維混凝土的基本性能
國內(nèi)外對鋼纖維的作用機理和鋼纖維混凝土的基本性能做了大量的研究,現(xiàn)歸納如下:
鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展。在受荷(拉、彎)初期,水泥基料與纖維共同承受外力,當混凝土開裂后,橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優(yōu)越的物理和力學(xué)性能。
1.強度和重量比值增大
   這是鋼纖維混凝土具有優(yōu)越經(jīng)濟性的重要標志。
2.具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度
   在混凝土中摻入適量鋼纖維,其抗拉強度提高25%～50%,抗彎強度提高40%～80%,抗剪強度提高50%～100%。
3.具有卓越的抗沖擊性能
材料抵抗沖擊或震動荷載作用的性能,稱為沖擊韌性,在通常的纖維摻量下,沖擊抗壓韌性可提高2～7倍,沖擊抗彎、抗拉等韌性可提高幾倍到幾十倍。
4.收縮性能明顯改善
在通常的纖維摻量下,鋼纖維混凝土較普通混凝土的收縮值降低7%～9%。
5.抗疲勞性能顯著提高
鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能比普通混凝土都有較大改善。當摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時,應(yīng)力比為0.68,而普通混凝土僅為0.51;當摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達2×106次時,應(yīng)力比為0.92,而普通混凝土僅為0.56。
6.耐久性能顯著提高
鋼纖維混凝土除抗?jié)B性能與普通混凝土相比沒有明顯變化外,由于鋼纖維混凝土抗裂性、整體性好,因而耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性均有顯著提高。摻有1.5%的鋼纖維混凝土經(jīng)150次凍融循環(huán),其抗壓和抗彎強度下降約20%,而其他條件相同的普通混凝土卻下降60%以上,經(jīng)過200次凍融循環(huán),鋼纖維混凝土試件仍保持完好。摻量為1%、強度等級為CF35的鋼纖維混凝土耐磨損失比普通混凝土降低30%。摻有2%鋼纖維高強混凝土抗氣蝕能力較其他條件相同的高強混凝土提高1.4倍。鋼纖維混凝土在空氣、污水和海水中都呈現(xiàn)良好的耐腐蝕性,暴露在污水和海水中5年后的試件碳化深度小于5mm,只有表層的鋼纖維產(chǎn)生銹斑,內(nèi)部鋼纖維未銹蝕,不像普通鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕后,銹蝕層體積膨脹而將混凝土脹裂。
三、鋼纖維混凝土設(shè)計與施工規(guī)程說明
我國于1996年出版了《鋼纖維混凝土試驗方法》CECS13:89和《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》CECS38:92,但本規(guī)程只對鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)不同于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的專門要求作出規(guī)定。在進行鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工時,尚應(yīng)與《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》SL/T191-96和《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001配合使用。
四、鋼纖維混凝土在水利水電工程中的應(yīng)用
1.支護工程
鋼纖維混凝土由于抗拉、抗彎、抗剪強度高,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、山體護坡等工程。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