纖維混凝土應(yīng)用淺析
2006-07-26 00:00
1 工程基本概況
筆者參與監(jiān)理的于2005年竣工的華潤(rùn)萬(wàn)佳深圳配送中心物流基地，由深圳深國(guó)投商用置業(yè)有限公司(美資)投資，總投資27 500萬(wàn)元，位于深圳市平湖鎮(zhèn)，將作為華潤(rùn)萬(wàn)佳的南方物流基地和原材料倉(cāng)庫(kù)。該工程占地面積14萬(wàn)m2，總建筑面積144 083M2，南北長(zhǎng)361．2m，東西寬約400m，其中配送主廠(chǎng)房共2層，層高10m，總高21．35m，結(jié)構(gòu)特征主要柱網(wǎng)尺寸11．2m×l2m，共計(jì)5棟。柱截面1m×1m，梁高為1 200—2 500m，梁寬為400～600m，柱梁交接處局部加腋處理，樓面荷載25 kN／m2，各個(gè)建筑物的中部有縱橫兩道變形縫，地基經(jīng)強(qiáng)夯處理，基礎(chǔ)為人工挖孔樁。
2 施T中采用纖維混凝土的實(shí)例及效果
該工程采用纖維混凝土部位為：1層結(jié)構(gòu)地面、2層梁板。地下室為聚合物杜拉纖維網(wǎng)混凝土。纖維網(wǎng)摻量為0.9 kg／m2，杜拉纖維混凝土配合比為水： (水泥)：Iu(砂)： (石)： (粉煤灰)： (CSP—2)緩凝高效減水劑； (纖維網(wǎng))＝0．63，1：2．88；3．51：0．280 7；0．024 9：0．003 2，水灰比為0．44，設(shè)計(jì)坍落度為140—160mm。1、2層地面面層(6cm厚)及9m屋面面層(8 cm厚)為纖維混凝土，纖維摻量為40kg／m2，纖維混凝土配合比為： (水)： (水泥)： (纖維)： (砂)： (石)： (CSP—2緩凝高效減水劑)：0．49：1：0．076 9：2．26：2．4：0．021 4，水灰比為0．45，未加纖維設(shè)計(jì)坍落度為180～220mm，纖維采用現(xiàn)場(chǎng)加入，加入后坍落度為12mm。
(1)杜拉及碳纖維混凝土實(shí)例：1層地面結(jié)構(gòu)層為35 cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，內(nèi)配合22間距300mm雙層雙向鋼筋。地下室外墻平面尺寸為5．5m×78m，底板為?8m×l2m，底板厚度為450mm，墻板厚度為300mm，內(nèi)配札4間距150mm雙層雙向鋼筋。
(2)1、2層超平地面面層面積均較大，每區(qū)5 000M2，面層采用鋼纖維混凝土，面層厚60mm，內(nèi)加鋼纖維。
(3)效果：經(jīng)上述施工后，現(xiàn)場(chǎng)檢查地下室外墻、底板，1、2層結(jié)構(gòu)梁板、1、2層超平地面面層，均未出現(xiàn)較大面積裂縫，混凝土試塊按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d送檢強(qiáng)度全部合格，實(shí)踐證明纖維混凝土具有抗裂性好、彎曲韌性?xún)?yōu)良、抗沖擊性能強(qiáng)的特性。
3 纖維混凝土(FRC)產(chǎn)生的背景、工作原理、施工要點(diǎn)及其它應(yīng)用
3．1 產(chǎn)生的背景及常見(jiàn)纖維材料簡(jiǎn)介
由于普通混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比非常低，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)被設(shè)計(jì)成拉應(yīng)力最小。然而這種應(yīng)力常常產(chǎn)生于彎曲、對(duì)角線(xiàn)拉伸中，或由于不同應(yīng)變產(chǎn)生。任何地方發(fā)生拉應(yīng)力，都希望這些應(yīng)力由鋼筋來(lái)承擔(dān)。因?yàn)樵诨炷林欣瓚?yīng)力引起的后果之一是開(kāi)裂。任何能使混凝土具有較大的抗拉強(qiáng)度和“延性”的工藝將是非常有價(jià)值的。纖維混凝土就是在這一背景下產(chǎn)生。常用的纖維材料有，(1)鋼纖維 由割斷鋼絲、切削鋼片或鋼經(jīng)加熱軟化后拔出等方法生產(chǎn)；這些纖維可以光滑表面，或由各種各樣的方法變形以增加其粘結(jié)。纖維在混凝土表面會(huì)生銹，但在混凝土內(nèi)非常耐久。(2)玻璃纖維 玻璃纖維一般以“短切纖維”取用，每根絲含有100～400根絲。普通玻璃不能用作混凝土中的纖維，因?yàn)楦邏A對(duì)玻璃的侵蝕會(huì)很快減低纖維的強(qiáng)度。已生產(chǎn)的玻璃纖維(含有大量ZrO：)是高度抗堿的。(3)石棉纖維。(4)聚合物纖維。(5)碳纖維。(6)天然有機(jī)纖維。
3．2 工作原理
使用纖維可以使混凝土在強(qiáng)度的某些方面有所改進(jìn)，但類(lèi)似的強(qiáng)度也可以適當(dāng)改變水泥用量和水灰比等簡(jiǎn)單方法獲得。單純的強(qiáng)度比較，不能體現(xiàn)纖維混凝土的價(jià)值。對(duì)于適當(dāng)壓實(shí)的試件，加入纖維對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。纖維對(duì)增強(qiáng)混凝土的彈性模量也沒(méi)有多少影響。纖維增強(qiáng)混凝土的直接抗拉強(qiáng)度，可由加入高彈性模量的纖維而有大幅度提高。但其增加決定于纖維的長(zhǎng)徑比。纖維的加入對(duì)抗扭強(qiáng)度的影響很小。(只是鋼纖維能改善混凝土的抗剪強(qiáng)度)
采用纖維最大的好處在于可以增加了構(gòu)件的韌性(破壞時(shí)構(gòu)件吸收能量)。就是說(shuō)纖維的加入使混凝土的延性大增。增加纖維含量對(duì)最大強(qiáng)度沒(méi)有多少影響，纖維混凝土的抗沖擊性與延性有關(guān)。許多研究揭示混凝土耐沖擊性可以因摻人纖維，大幅度增加。如尼龍、聚丙烯一類(lèi)低模量纖維在這方面特別有效。纖維耐沖擊的效率同樣與粘結(jié)特性有關(guān)。纖維不僅改善纖維混凝土沖擊強(qiáng)度而且會(huì)在振動(dòng)荷載下防止碎裂成碎片。此外，纖維增強(qiáng)還可以提高混凝土抵抗磨損和氣穴的破壞。
耐疲勞性同時(shí)與裂縫傳播能力有關(guān)。混凝土彎曲疲勞強(qiáng)度隨纖維含量的增加而增加，但纖維的增加對(duì)壓縮疲勞沒(méi)有多少影響，對(duì)壓縮徐變也無(wú)影響，但在一定程度上可以減少拉伸徐變。已知很硬的碳纖維可非常明顯的減少?gòu)澢熳?。鋼纖維可減少混凝土收縮約10％。玻璃纖維將減少水泥漿體的收縮約20％。因此，纖維在基體中起著剛性包裹物的作用，由于其體積小不產(chǎn)生很大影響。更重要的是：纖維對(duì)減少收縮開(kāi)裂非常有效，故對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生非常有利的作用。
3．3 施工要點(diǎn)
纖維混凝土的成品性質(zhì)，決定于纖維的類(lèi)型和尺寸，以及生產(chǎn)方法。由于有大的表面積，用水要求多，并且纖維有相互連接和“成球”的傾向。玻璃纖維需水量要求特別高，因?yàn)樵陂L(zhǎng)絲間附著著水使各纖維分開(kāi)。此外，水灰比、粗細(xì)集料比都與普通混凝土有細(xì)微差別，須加以注意。
纖維增強(qiáng)混凝土振搗較困難。增加粗集料含量可以大幅度增加搗實(shí)性。對(duì)大多數(shù)纖維拌合料，用外部振動(dòng)，還能減少泌水和改善拌合料的內(nèi)聚力。
3．4 工程采用的纖維材料簡(jiǎn)介
工程地下室墻體采用的鋼纖維混凝土作為一種新型復(fù)合材料已在我國(guó)工程界得到廣泛重視和應(yīng)用。它具有3大特性：一是抗裂性好；二是彎曲韌性?xún)?yōu)良，三是抗沖擊性能強(qiáng)；根據(jù)鋼纖維混凝土特有的抗裂性能，在屋面防水，特別是多功能屋面上使用，
具有很大的開(kāi)發(fā)前景。
鋼纖維均勻分散在混凝土中，有效地改善了素混凝土的基本力學(xué)性能，使得混凝土在受荷后不易開(kāi)裂，開(kāi)裂后裂縫細(xì)小，不向縱深發(fā)展。鋼纖維混凝土能夠帶裂工作，在許多工程中得到證實(shí)。據(jù)美國(guó)陸軍建筑工程研究所在密西西比州對(duì)重載運(yùn)輸機(jī)跑道進(jìn)行了素混凝土和鋼纖維混凝土跑道荷載對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明：使用鋼纖維混凝土的跑道厚度只需原設(shè)計(jì)值的一半。承載力就達(dá)到原設(shè)計(jì)值的6倍，混凝土表面開(kāi)裂后，裂縫細(xì)小且能閉合，開(kāi)裂后仍能繼續(xù)使用。
鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度并不比普通混凝土高。但通過(guò)對(duì)鋼纖維混凝土的試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)試件在壓壞后(達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)機(jī)回油)試件棱角分明，再此放到壓力機(jī)上承壓，還具有相當(dāng)大的承載力，即鋼纖維混凝土的殘余強(qiáng)度高。所謂殘余抗壓強(qiáng)度，是指第一次加荷至極限抗壓強(qiáng)度后，鋼纖維混凝土試件在第二次以及，以后多，次加荷時(shí)達(dá)到的極限抗
壓強(qiáng)度值。多次加荷時(shí)試件所達(dá)到的承載力稱(chēng)為殘余支撐力。殘余支撐力和殘余抗壓強(qiáng)度的存在就是鋼纖維混凝土裂后能繼續(xù)良好工作的原因。鋼纖維混凝土在多次重復(fù)荷載作用布具有良好的性能，在達(dá)到極限承載力后，裂縫細(xì)小i閉合、整體性能好，并能多次承受極限荷載i使鋼纖維混凝土能夠應(yīng)用于抗震、抗爆工程中，尤其適合作為抗震消能結(jié)構(gòu)體系
中的消能構(gòu)件。
工程l，2層結(jié)構(gòu)面層所要求的超平地面，采用的碳纖維混凝土，其纖維材料密度約為玻璃纖維的70％，抗拉強(qiáng)度雖與玻璃纖維基本相同，彈性模量卻高出玻璃纖維好幾倍。在現(xiàn)有的工業(yè)纖維中，碳纖維的強(qiáng)度、彈性模量都是最高的。此外，碳纖維還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異的耐堿、耐海水等抗化學(xué)腐蝕性，除硝酸等強(qiáng)酸外不怕其他酸堿的腐蝕；具有導(dǎo)電性，碳纖維增強(qiáng)混凝土(CFRC)板裝飾電子計(jì)算機(jī)房，可防止靜電感應(yīng)；具有超高溫耐熱特性，可在3 000℃高溫條件下使用；對(duì)人體無(wú)害；可用混凝土攪拌機(jī)拌合；可擠壓成型、加壓成型，可用濕式噴射法噴射混凝土施工等等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際施工中按常規(guī)的施工流程即可完成，工人不需要特別的培訓(xùn)。
3．5 纖維混凝土在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用
限制了纖維增強(qiáng)混凝土廣泛應(yīng)用的因素，不是材料及成品性能，而是因?yàn)椴牧细甙旱膬r(jià)格和不易獲得。纖維大多較昂貴，除非為了滿(mǎn)足具體的專(zhuān)門(mén)用途的工程，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與超平整度的目標(biāo)，則纖維增強(qiáng)混凝土價(jià)格成為可以接受的條件。通過(guò)筆者查閱各種期刊，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)，纖維混凝土在許多方面應(yīng)用中獲得成功。已用做公路、跑道的復(fù)面材料以及防水屋面，以減少開(kāi)裂及鋪砌厚度；用于大壩的溢洪道以減少氣穴破壞；同時(shí)也用于核反應(yīng)堆。在耐火混凝土以及用作隧道襯砌的噴射混凝土中應(yīng)用，可減少結(jié)構(gòu)破壞。石棉水泥早已用于制作管子、耐火板及薄平板中，同樣也用于薄的預(yù)制板?？傊?，纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，因?yàn)槭┕?shí)踐中更大地體現(xiàn)了材料吸收能量的特性，同時(shí)兼顧了材料價(jià)格及取材方便方面的因素，相信隨著材料的廣泛獲得和人們對(duì)纖維混凝土的深入了解，其應(yīng)用將更廣泛。
4 心 得
該工程投入使用至今已經(jīng)9個(gè)月，1、2層地面及地下室頂板及外墻無(wú)可見(jiàn)細(xì)小裂縫，無(wú)滲漏，表面強(qiáng)度高耐磨損，平整度高無(wú)彎曲變形，整體坡度按設(shè)計(jì)要求被控制在0．1％以下，較好地達(dá)到了投資方的預(yù)想，獲得了用戶(hù)的好評(píng)，被深圳市建設(shè)行政主管部門(mén)評(píng)定為年度結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)工程。
本文摘自：中國(guó)混凝土網(wǎng)http:// www.chinahnt.com
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