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1、铺面工程新材料,第一节 纤维混凝土,纤维混凝土水泥混凝土中加入纤维，以改善混凝土自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点，是混凝土改性的重要手段。应用领域：建筑、交通、水利、矿山常见的纤维石棉纤维、植物纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、高密度聚乙烯纤维聚丙烯纤维、维尼纶纤维、丙纶纤维、腈纶纤维、碳纤维开夫勒纤维、钢纤维公路工程常用的是钢纤维混凝土，用于路面、桥梁、隧道 等工程中。,第一节 纤维混凝土,钢纤维混凝土在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。钢纤维性能优良，是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料。钢纤维具有抗裂、抗冲击性能强、耐磨强度高、与水泥亲合性好，可增加构件强度，延
2、长使用寿命等优点。,第一节 纤维混凝土,第一节 纤维混凝土,钢纤维混凝土较普通混凝土具有经济优势：（1）在同等强度下可减少混凝土量30%50%；（2）可取代或部分取代钢筋或者降低钢筋直径12mm;（3）可缩短施工周期25%以上，特别适用于要求连续、快速浇灌混凝土的较大工程；（4）与普通的混凝土同样搅拌施工，不需增添设备。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,钢纤维混凝土是由钢纤维、水泥、水、粗集料、细集料以及根据工程需要而掺入的化学外掺剂或掺和料组成。,1.钢纤维,1）钢纤维的生产方法,A.钢丝切断法：用直径为0.40.8mm的冷拔钢丝按规定的长度切成短纤维。,加工手段：切刀、
3、冲床、旋转刀具,产品特点：表面光滑，与混凝土的粘结强度较差。,改善措施：改变钢纤维的外形，用进给钢丝的夹送辊将钢丝压成棱形凹坑、波形或等距离压出弯钩后再切断。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,1.钢纤维,1）钢纤维的生产方法,B.薄板剪切法：冷轧薄钢板剪切而成。,加工过程：剪切前，先将冷轧薄钢板剪切成宽度与钢纤维长度相等的带卷钢，然后将带钢卷连续送入旋转刀具或普通冲床切断。,产品特点：截面为矩形，沿长度方向也可以制成弯钩、波形等异形钢纤维。,加工及产品特点：铣削时，钢纤维产生很大的塑性变形，轴向扭曲，截面为月牙形，与混凝土的粘结性能较好。,C.厚板铣削法：将厚钢板或钢锭，用
4、旋转的平刃铣刀进行铣削。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,1.钢纤维,1）钢纤维的生产方法,D.熔钢抽丝法：将回收的废钢用电炉熔融成15001600的钢液，在钢液表面用一个高速旋转的熔抽轮接近钢液，熔抽轮上按所需钢纤维的尺寸刻出许多槽子，当熔抽轮下降到钢液面时，钢液被槽刮出，并被熔抽轮高速旋转的离心力抛出，以极快的速度冷却成型。,加工特性：工艺简单，生产效率较高，价格较低。改变熔抽轮上的刻槽尺寸、转速和浸入深度，可生产不同尺度的钢纤维。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,1.钢纤维,2）钢纤维的形状,外形：由于材质和生产工艺不同有所差异，包括长直形、压痕形
5、、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形。（图9-1）,截面：圆形、矩形、月牙形及不规则形等。（图9-2）,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,3）钢纤维的几何参数和体积率,钢纤维的长度与直径或等效直径的比值为长径比，通常为30100。,钢纤维的直径（当钢纤维截面积为非圆形截面时，按相当于圆形截面面积计算所得到的直径为等效直径）为0.31.2mm。,长度指钢纤维两端点间的直线距离，尺寸可为1560mm。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,1.钢纤维,4）钢纤维的技术性能,（1）抗拉强度钢纤维混凝土的强度取决于钢纤维的强度、混凝土基体的强度、钢纤维和混凝土的粘结强度等几个方面。钢纤维
6、的抗拉强度受材质和加工工艺的影响。冷拔钢丝切断的钢纤维抗拉强度较高，为6001000MPa，薄板剪切法、熔钢抽丝法和铣削法生产的钢纤维抗拉强度为380800MPa。,（2）粘结强度 钢纤维混凝土的破坏大多是钢纤维被拔出，故粘结强度很重要。表面粗糙和截面不规则的钢纤维可以增大钢纤维与混凝土基体的粘结强度，钢纤维异形化也可以增大钢纤维与混凝土基体之间的锚固力可抗拔力。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,1.钢纤维,4）钢纤维的技术性能,（3）硬度钢纤维应具有较高的硬度，与混凝土搅拌时，应不易于发生弯折线形，若钢纤维的脆性过大，搅拌时易发生折断，影响增强效果。,（4）耐腐蚀性浇筑在
7、钢纤维混凝土内部的钢纤维，只要捣固密实，与空气隔绝，一般不会发生锈蚀。露出混凝土表面或在裂缝宽度超过0.25mm时，暴露在空气中的钢纤维易发生锈蚀。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,1.钢纤维,5）用于钢纤维混凝土路面的钢纤维的规定,公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402002）规定，路面用钢纤维的强度、尺寸、用量应满足以下4条。,（1）单丝抗拉强度不宜小于600MPa,（2）钢纤维的长度宜控制在粗集料最大公称粒径（19mm）的1.332倍，两者必须匹配。铣削型钢纤维不宜大于26.5mm，剪切型或熔钢抽丝型钢纤维不宜大于19mm。,（3）以体积率计的钢纤维掺量一般为0
8、.61.0%,（4）宜使用锚固端的钢纤维，不得使用钢丝切断型，两端带直角或弯钩形钢纤维，不宜使用波浪形以及其他可能导致成团的钢纤维。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,2.水泥,钢纤维混凝土中常用的水泥是32.5级和42.5级普通硅酸盐水泥。钢纤维混凝土中水泥用量比普通混凝土的水泥用量要大，一般为360450kg/m3，对于路用钢纤维混凝土，水泥用量不得低于360kg/m3（非冰冻地区）或380kg/m3（冰冻地区）。,3.水,凡能饮用的水和洁净的天然水，均可用于钢纤维混凝土。因为海水对钢纤维有锈蚀作用，不允许用海水拌制钢纤维混凝土。,4.石料,粒径不宜大于钢纤维长度的2/3
9、，一般为520mm，最大粒径不大于20mm。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,一、材料组成,5.砂,宜采用中粗砂。当钢纤维混凝土拌和料的和易性相同时，用过粗的砂易产生离析和泌水现象；过细，则水泥用量过大。,6.外掺剂,使用目的：改善拌和料的和易性、减少水泥用量或者提高强度。使用最多的是减水剂，以提高其和易性。应注意外掺剂与水泥的适应性，根据使用目的选择外掺剂的品种，根据使用要求、施工条件、拌和的材料等因素，确定其用量。,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,钢纤维混凝土中乱向分布的钢纤维主要作用是：阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷（拉、弯）初期，水泥基体与纤维
10、共同承受外力；当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此，钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。使纤维混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度比普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善。,二、基本性能,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,二、基本性能,1.钢纤维对混凝土强度的增强效果和影响因素,2.钢纤维混凝土的变形性能,3.收缩和徐变,4.疲劳性能,5.物理耐久性,6.化学耐久性,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,1.钢纤维对混凝土强度的增强效果和影响因素,二、基本性能,第二节 钢纤维混凝土的材料组成及性能,1.钢纤维对混凝土强度的增强
11、效果和影响因素,工程实践证明，钢纤维混凝土的破坏大都是钢纤维被拔出而不是被拉断，因此改善钢纤维与基体间的粘结强度是改善其增强效果的主要控制因素之一。改善措施：增加钢纤维的粘结长度钢纤维长度一般2040mm，最长不超过60mm。提高基体对钢纤维的粘结强度掺入一定比例的硅粉或者超塑化剂。改善钢纤维的形状增加钢纤维与基体间的摩阻力和咬合力。改善钢纤维的分布和取向对受拉混凝土构件，分布于受拉区沿受拉方向定向排列。,钢纤维混凝土弹性阶段的变形性能与其他条件相同的普通水泥混凝土没有显著区别。韧性是衡量塑性变形性能的重要指标，通常用与荷载位移曲线（或应力应变曲线）下面积有关的参数表示。在通常的纤维掺量下，抗
12、压韧性可提高27倍，抗弯韧性可提高几倍到几十倍。钢纤维混凝土的收缩值随着纤维掺量的增加而有所降低。在路面和其他结构中，由于钢纤维的约束作用还可消除或减少收缩裂缝。钢纤维混凝土与普通混凝土在持续荷载作用下的受压徐变差别不显著。,2.钢纤维混凝土的变形性能,3.收缩和徐变,钢纤维混凝土的抗弯和抗疲劳性能较普通混凝土有较大改善。例如:当应力比为0.7时,掺量为1.5%的钢纤维混凝土抗疲劳寿命超过105次，而普通混凝土仅为850次。因此，在路面和桥梁等承受疲劳荷载的工程中，使用钢纤维混凝土将使抗疲劳寿命显著提高。钢纤维混凝土的耐冻融性、耐热性和抗气蚀性有显著提高。抗渗性与普通混凝土没明显差异，但由于抗
13、裂性能好，可以用于有抗渗要求的薄壁蓄液结构。在空气、污水和海水中有良好的耐腐蚀性。但已开裂的钢纤维混凝土，钢纤维腐蚀速度取决于环境与裂缝状况。,4.疲劳性能,5.物理耐久性,6.化学耐久性,4.疲劳性能,第三节 钢纤维混凝土的配合比设计,一、配合比设计的基本要求和特点,当前没有形成一套合理且成熟的钢纤维混凝土的配合比设计方法，生产中一般按照普通混凝土的配合比设计方法，以混凝土的抗压强度确定拌和料的配合比，只是适当的调整砂率、用水量和水泥用量。按此确定配合比时，为获得较高的抗折强度，势必会使抗压强度也相应提高，这是不必要的。钢纤维混凝土的配合比设计应根据混凝土的使用要求和钢纤维的特点进行合理设计
14、。,第三节 钢纤维混凝土的配合比设计,钢纤维混凝土配合比设计的基本目的：将各种材料（钢纤维、水泥、水、粗细集料以及必要的外掺剂）按照一定的比例合理配制，是配制出的钢纤维混凝土满足下列基本条件。1）满足结构设计强度要求。2）拌和出的混凝土的和易性满足施工要求。3）满足混凝土耐久性的要求。4）满足经济性的要求。基体混凝土中掺入钢纤维的主要目的：提高混凝土的抗弯拉能力、抗疲劳能力及增强混凝土的韧性、防裂和阻裂能力。,第三节 钢纤维混凝土的配合比设计,一、配合比设计的基本要求和特点,钢纤维混凝土的配合比设计，除了要按抗压强度控制外，还应根据结构设计要求及工程具体要求进行抗拉和抗折强度控制，以此来确定钢
15、纤维混凝土的配置强度，以充分发挥钢纤维的增强作用。,在配合比设计时，既要考虑钢纤维在混凝土中能均匀分散，又要考虑到如何使钢纤维周围包裹满水泥浆液，以保证钢纤维在混凝土中能充分发挥作用。同时，在混凝土中加入钢纤维后，和易性有所降低，应适当增加用水量和水泥用量。,第三节 钢纤维混凝土的配合比设计,二、配合比设计的基本原理,钢纤维混凝土配合比设计的基本方法是建立在钢纤维混凝土拌和料的特性及其硬化后的强度基础上的。主要目的是根据使用要求，合理确定拌和料的水灰比、钢纤维体积率、单位用水量和砂率等四个基本参数，以此进一步计算出各组成材料的用量。在确定设计参数时，既要满足抗压强度要求，又要符合抗拉或抗折强度
16、要求，以及和易性、耐久性、经济性的要求。,第三节 钢纤维混凝土的配合比设计,钢纤维混凝土的抗压强度、抗折强度、抗拉强度与水泥等级、水灰比、钢纤维体积率和长径比、砂率、用水量等因素有关。水灰比和水泥标号对抗压强度影响最大；钢纤维的体积率和长径比、水泥等级对抗折强度和抗拉强度影响较大；砂率和用水量对和易性影响较大。,抗压强度与水灰比及水泥等级的关系,水灰比,抗折强度或抗拉强度,体积率,砂率用水量,和易性,施工配合比,试验结果,施工现场条件,计算配合比,钢纤维混凝土与普通混凝土相比，有如下差异：,第四节 钢纤维混凝土的应用及施工,一、在公路路面和机场道面上的应用,二、钢纤维混凝土施工中的几个问题,1
17、.不得使用结团的钢纤维混凝土拌和物 应保证面板内钢纤维分布的均匀性及结构的连续性。2.布料松铺高度应通过试验确定 拌和物坍落度相同时，宜比相同机械施工方式的普通混凝土路面布料松铺高度高10mm左右。,钢纤维混凝土已应用于国内外的路面、机场跑道、停机坪、桥面铺装等工程，效果良好。,3.振捣应保证钢纤维分布的均匀性 振捣机械和振捣方式既要保证混凝土的密实，又要保证钢纤维分布的均匀。4.整平后面板表面无裸露上翘的钢纤维 5.钢纤维混凝土路面的特殊工艺要求（1）严格控制施工作业总时间 拌和物从出料到运输、铺装完毕的允许最长时间有规定（2）表面抗滑用硬刻槽 不得使用粗麻袋、刷子和扫帚制作抗滑构造。（3）
18、面板长度与钢纤维掺量有关 钢纤维混凝土路面的板长610m，掺量大用大值，掺量小用小值。,第五节 喷射钢纤维混凝土,喷射混凝土：既是一种新型的支护结构，又是一种新的施工工 艺。它是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将 掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支 护作用。喷射钢纤维混凝土：是在普通喷射混凝土中掺入适量短纤维、用机械喷射的新型复合材料。与素喷混凝土相比，其物理力学性能大大改善，尤其是增强、增韧方面。广泛应用于水利水电、铁道、公路、冶金、隧道等工程。,第五节 喷射钢纤维混凝土,一、喷射钢纤维混凝土的主要特点 抗拉、抗弯、抗剪强度高；抵抗冲击和
19、震动能力强；韧性好；抗冻、耐热与耐疲劳性能好；抗裂性能强；集料回弹率低。因此，在隧道设计施工的新奥法体系中得到了成功运用。,优越性,第五节 喷射钢纤维混凝土,二、对原材料的要求包括：水泥、细集料、粗集料、钢纤维、水、外加剂（速凝 剂、减水剂）、掺和料（硅粉、粉煤灰）等。1、水泥 喷射钢纤维混凝土不是任何品种水泥都可以使用，一般以普通硅酸盐水泥为主。水泥强度等级应根据钢纤维混凝土的设计强度等级、水泥凝结硬化状况、是否需要加入速凝剂及与速凝剂的相容性定。2、细集料 一般为干净的天然砂或人工砂。3、粗集料 天然河卵石或质地坚硬的人工机轧碎石。粒径:小于喷射机输料管直径的1/32/3,一次喷射厚度的1
20、/3 不大于纤维长的1/2，多采用8-10mm。,第五节 喷射钢纤维混凝土,4、钢纤维 长度：从考虑充分发挥钢纤维的作用和便于施工出发，一 般为20-30mm（大于30mm，会有严重的堵管现象）。长径比:要求40-60。体积掺量：一般为1.0-1.5%。5、水 只要不含影响水泥正常凝结和硬化的有害杂质，及不对钢纤维及基体有腐蚀作用的水均可使用。6、速凝剂 是适应喷射工艺的专用外加剂。可减少喷射回弹量、增加一次喷层厚度、防止新喷层剥落。7、减水剂 使用时应与速凝剂混用，并同时进行两者的混合液与水泥的相容性试验8、硅粉 在钢喷中加入一定量的硅粉，可起到减少灰尘、降低回弹和减少水泥用量，并能提高钢喷混凝土的强度。,第五节 喷射钢纤维混凝土,四、施工工艺及工程应用1、干喷法2、湿喷法3、半湿喷法 湿喷法较干喷法的优势：,隧道衬砌构造,开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和衬砌。支护的主要方式有：锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土及其组合；衬砌的主要方式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌等。,钢纤维混凝土(抗折强度为8.6MPa)加固的停机坪,钢纤维混凝土,喷射混凝土,
