建筑施工手册系列之混凝土工程10-9 常用特种混凝土

10-9常用特种混凝土10-9-1纤维混凝土目前发展起来的纤维增强混凝土，应用最广的是指钢纤维增强混凝土、玻璃纤维增强混凝土和聚丙烯类纤维增强混凝土。前者在国内已经制成高强纤维混凝土，抗压强度100~110MPa，抗弯强度也接近15MPa，抗冲击强度为普通混凝土的3.6~6.3倍。纤维混凝土与普通混凝土相比，虽有许多优点，但毕竟代替不了钢筋混凝土。人们开始在配有钢筋的混凝土中掺加纤维，使其成为钢筋-纤维复合混凝土，这又为纤维混凝土的应用开发了一条新途径。10-9-1-1钢纤维混凝土在混凝土拌合物中，掺入适量的钢纤维，可配成一种既可浇筑又可喷射的特种混凝土，这就是钢纤维混凝土。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性和抗裂、抗爆等性能都可得到提高。因为大量很细的钢纤维均匀地分散在混凝土中，与混凝土接触的面积很大，因而，在所有的方向，都使混凝土的强度得到提高，大大改善了混凝土的各项性能。1．钢纤维的基本要求（1）钢纤维的强度钢纤维混凝土破坏时，发现往往是钢纤维被拉断，这不是因为钢纤维抗拉强度不足，而是因为其韧性不足造成的。因此，要提高其韧性。如果材料通过淬火或其他急冷硬化方法获得，尽管其抗拉强度较高，但质地较脆，在搅拌过程中易被折断，反而会降低强化效果。因此，只要不是易脆断的钢材，通常强度较高的纤维可满足要求。一般钢纤维的抗拉强度不得低于380MPa。当工程有特殊要求时，钢纤维抗拉强度可由需方根据技术与经济条件提出。（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决定。钢纤维如太粗或太短，其强化特性差，如过细或过长，则在搅拌时容易结团。为了增强钢纤维同混凝土之间的粘结强度，常采用增大表面积或将纤维表面加工成凹凸形状，按外形可为平直形、波浪形、压痕形、扭曲形、端钩形、大头形等，见图10-46。按横截面可为圆形、矩形、月牙形及不规则形等。图10-46钢纤维的外形钢纤维的标称长度指钢纤维两端点之间的直线长度，其尺寸可为15~60mm。钢纤维截面的直径或等效直径宜在0.3~1.2mm。钢纤维长径比或标称长径比宜在30~100。钢纤维混凝土结构对钢纤维几何尺寸参数的要求宜符合表10-96的规定。钢纤维几何参数采用范围表10-96钢纤维馄凝土结构类别长度（mm）直径（等效直径）（mm）长径比一般浇筑成型的结构25~500.3~0.840~100抗震框架节点40~500.4~0.850~100铁路轨枕20~300.3~0.650~70喷射混凝土20~250.3~0.540~60注：钢纤维的等效直径是指非圆形截面换算成圆形截面的直径。2．钢纤维的种类和特征钢纤维的种类、制造方法及特征见表10-97。钢纤维的抗拉强度见表10-98。从各类钢纤维对混凝土的增强效果来看，则以切断纤维、冷轧钢板剪切纤维和加工硬度较大的铣削纤维比较好。各类钢纤维的制造方法和特征表10-97钢纤维种类制造方法特征存在问题断面形状表面防拔方法其他切断钢纤维将钢丝切断圆形冷拔表面压痕折弯强度高，表面处理容易原材料成本高剪切钢纤维将薄钢板用旋转刀具切断正方形长方形压延面切断面压痕、折弯、扭曲可使用不锈钢、脱脂刀具寿命短铣削钢纤维用平刀铣刀将钢块或钢板进行切削的金属屑三角形切断面皱纹状粗面回火色扭曲硬度大，可制细纤维，用不锈钢刀具寿命短熔融抽丝钢纤维熔钢粘在冷却的圆盘上被甩月牙形氧化皮膜回火色两端较粗淬火或回火可用不锈钢熔炉材料的耐久性问题各类钢纤维的抗拉强度表10-98钢纤维种类平均断面积（mm2）拉伸荷载（N）抗拉强度（MPa）切断钢纤维0.102302350剪切钢纤维1号2号3号0.110.250.2590140120790540460铣削钢纤维0.25180710熔融抽丝钢纤维1号2号3号0.260.230.181601501306206707603．钢纤维混凝土的物理力学性能把直径为0.3~1.2mm，长为15~60mm的钢纤维均匀地掺入混凝土中，构成一种新的复合混凝土时，其性能改善尤为明显，见表10-99。近年来，用喷射法进行钢纤维混凝土施工逐渐增多，钢纤维喷射混凝土与喷射混凝土的性能比较见表10-100。钢纤维混凝土的性能（钢纤维掺入率为2％）表10-99序号钢纤维混凝土的物理力学性能与普通混凝土比较1抗压强度1.0~1.3倍2抗拉强度和抗弯强度1.5~1.8倍3早期抗裂强度1.5~20倍4抗剪强度1.5~2.0倍5疲劳强度有所改善6耐冲击性能5~10倍7耐破损性能有所改善8延伸率约2.0倍9韧性40~200倍10耐热性能显著改善11对冻融作用的抵抗能力显著改善12耐久性密实度高，表面裂缝宽度不大于0.08mm，有所改善，暴露于大气中的面层钢纤维产生锈斑钢纤维喷射混凝土的性能表10-100序号钢纤维喷射混凝土的物理力学性能与喷射混凝土的比较1抗压强度1.3~1.5倍2抗拉强度1.5~1.8倍3抗弯强度1.8~2.0倍4韧性30~300倍5耐冲击性8~60倍6收缩0.5~0.8倍影响力学性能的因素除钢纤维的掺量直接影响混凝土的物理力学性能外，尚有钢纤维形状尺寸、配制方向及分散程度等因素。4．钢纤维混凝土的配制（1）配制要求为了获得高强度的钢纤维混凝土，必须满足以下条件：1）具有足够数量和匀质的高强钢纤维；2）在整个工艺过程中，钢纤维仍保持自身的大部分强度；3）纤维同混凝土的粘结力较好，纤维同砂浆接触部分的密实度较高；4）纤维应均匀分布在基体材料的整个体积中；5）基体材料对纤维应是化学惰性的；6）基体材料应具有足够的抗剪强度。（2）组成材料1）水泥：一般使用32.5级、42.5级普通硅酸盐水泥；配制高强钢纤维混凝土，可使用52.5级以上的硅酸盐水泥。采用硅酸盐水泥配制的钢纤维混凝土，可掺用矿物掺合料。2）骨料：砂的粒径为0.15~5mm；卵石或碎石的最大粒径一般不宜大于20mm，对钢纤维喷射混凝土，则不宜大于10mm。3）外加剂：掺外加剂是为了降低水灰比，从而改善拌合物的和易性。可使用减水剂或高效减水剂。配制钢纤维喷射混凝土，则需掺入适量速凝剂。对抗冻性有要求的钢纤维混凝土，宜用引气型减水剂。4）砂率：保证钢纤维混凝土拌合物的和易性，混凝土的砂率一般不应低于45％。水泥用量一般较未掺纤维的混凝土高10％左右。（3）配合比设计钢纤维混凝土配合比除满足普通混凝土一般要求外，还应满足抗拉强度或抗折强度、韧性及施工时拌合物和易性和钢纤维不结团的要求。在某些条件下还应满足对抗冻性、抗渗性的要求。对有耐腐蚀和耐高温要求时的结构物，应选用不锈钢钢纤维。钢纤维混凝土配合比设计，可按下述步骤进行：1）根据强度标准值或设计值以及施工配制强度提高系数，确定试配抗压强度与抗拉强度或试配抗压强度与抗折强度，按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定采用。2）根据试配抗压强度计算水灰比；3）根据试配抗拉强度或抗折强度或韧性与耐久性要求，按表10-101选用或根据已有资料确定钢纤维体积率；钢纤维体积率采用范围表10-101钢纤维混凝土结构类型钢纤维体积率（％）一般浇筑成型的结构0.5~2.0局部受压构件、桥面、预制柱顶1.0~1.5铁路轨枕、刚性防水屋面0.8~1.2喷射钢纤维混凝土1.0~1.54）根据施工要求的稠度，通过试验或按已有资料确定单位体积用水量，如掺用外加剂时应考虑外加剂的影响；5）根据稠度和钢纤维体积率或参照已有工程经验确定砂率；6）按绝对体积法或假定质量密度法计算材料用量，确定初步配合比；7）按初步配合比进行拌合物性能试验，调整单位体积用水量和砂率，确定强度试验用的基准配合比；8）根据强度试验结果调整水灰比和钢纤维体积率，确定施工配合比。钢纤维混凝土水灰比宜选用0.45~0.50，每立方米的水泥用量宜为360~400kg；当钢纤维体积率较大时，水泥用量可适当增加，但不应大于500kg。钢纤维混凝土单位体积用水量可通过试验或根据已有经验确定。钢纤维混凝土坍落度可比相应普通混凝土要求值小20mm。钢纤维混凝土初步配合比确定后，应进行拌合物性能试验，检查其稠度、粘聚性、保水性是否满足施工要求，若不满足，则应在保持水灰比和钢纤维体积率不变的条件下，调整单位体积用水量或砂率，直到满足要求。参考配合比见表10-102。钢纤维混凝土配合比表10-1025．施工要点（1）搅拌工艺1）搅拌设备：可使用强制式混凝土搅拌机。在纤维掺量增多时，应适当减少一次拌合量，一次搅拌量不宜大于其额定搅拌量的80％。2）纤维加入方法：为使纤维能均匀分散于混凝土中，应通过摇筛或分散机加料。使用集束状钢纤维时，则不需使用上述设备。3）投料顺序：采用预拌法制作纤维混凝土，关键要使纤维在水泥硬化体中均匀分散。特别是当纤维掺量较多时，如不能使其充分地分散，就容易同水泥浆或砂子一起结成球状的团块，显著降低增强效果。目前，常用的混合投料顺序为：①纤维以外的材料预先混合均匀，在拌合过程中加入纤维；混合搅拌0.5min混合搅拌2min②（砂十水泥）————→＋（石子＋纤维）————→＋（水＋外加剂）→搅拌→排料。钢纤维混凝土的搅拌时间应通过试验确定，应较普通混凝土规定的搅拌时间延长1~2min。采用先干拌后加水的搅拌方法，干拌时间不宜少于1.5min。（2）浇筑与成型工艺1）混凝土浇筑：搅拌后的纤维混凝土的流动性，随着纤维掺量的增加而显著下降，拌合料从搅拌机卸出到浇筑完毕所需时间不宜超过30min。浇筑过程中严禁加水。2）混凝土振捣成型：钢纤维混凝土的成型，可使用普通的振动台或表面振动器，内部振动器则不适用。选用前者可避免振捣时将纤维折断，也防止钢纤维起团。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的振动时间要适当延长。3）纤维定向处理：根据结构件的受力特点，在捣实时，可以人为地使纤维定向。如采用磁力定向、振动定向及挤压定向等。喷射法施工，钢纤维在喷射时不易受到损伤，且喷射物分布均匀，不会产生结团现象，这样就能提高长径比，提高界面粘结性能，同时，也能增大纤维含量，使钢纤维混凝土的物理力学性能有较大的改善。10-9-1-2聚丙烯纤维混凝土1．常用聚丙烯纤维的物理力学性能指标（表10-103）。常用聚丙烯纤维的物理力学性能表10-103纤维名称密度（kg/m3）纤维直径（μm）纤维长度（mm）抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）断裂延伸率（％）杜拉纤维9105~192763.7915丙纶纤维910265~195253.515改性丙纶纤维91030~404~12500~7009~107~9纤化丙纶90012~50500~7003.5~4.820聚丙烯纤维增强水泥基材有两种不同的方式：连续网片和短切纤维。聚丙烯纤维的主要优点是良好的抗碱性和化学稳定性（它与大多数化学物质无反应），有较高的熔点，且原材料价格低廉。其不足之处是：①耐火性差，当温度超过120℃时，纤维就软化，使聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的强度显著下降，因此，用聚丙烯纤维作为水泥基的主要增强材料，要特别注意耐火性能；②在空气或氧气中光照易老化；③弹性模量低，一般只有1~8GPa；④具有憎水性而不易被水泥浆浸湿。但是这些缺点并未阻碍聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的发展，因包裹纤维的基体提供了一个保护层，有助于减小对火和其他环境因素的损伤。2．聚丙烯纤维及混凝土的性能纤维加入混凝土（砂浆）中采用常规搅拌设备搅拌，只要适当延长搅拌时间（约120s），纤维束即可彻底分散为纤维单丝，并均匀地分布于砂浆中，而采用强制式搅拌设备可以无须延长搅拌时间。每立方米混凝土掺入0.7kg纤维，纤维丝数量即可达2000多万条。聚丙烯纤维可以通过大量吸收能量，控制水泥基体内部微裂的生成及发展，大幅度提高混凝土抗裂能力及改善抗冲击性能，并能大幅度提高混凝土抗折强度并降低其脆性，同时也提高了混凝土的抗渗能力、抗冻能力，使混凝土耐久性大大增强。聚丙烯纤维的使用非常方便，根据配合比掺量，将适量纤维（体积掺量0.05％~0.15％）加入料斗中的骨料一同送入搅拌机加水搅拌即可。在预拌混凝土搅拌站，可直接将整袋纤维置于传送带上的骨料中即可。由于包装纸袋为特