砂浆渗浇钢纤维混凝土(SIFCON)的实验研究

砂浆渗浇钢纤维混凝土(SIFCON)的实验研究[摘要]综合国内外文献，对SIFCON的概念、基本力学性能以及主要应用前景进行论述。

[关键词]钢纤维混凝土；砂浆渗浇钢纤维混凝土；基本力学性能；延性；抗冲击性
Slurry Infiltrated Steel Fiber Concrete （SIFCON）
gaojihong
(China Ocean Engineering Construction General Bureau ,Dalian,116024)
Abstractaccording to literatures both at home and abroad, the conception、the basic mechanical properties and the mainly application prospects are discussed.
Key wardssteel fiber reinforcement concrete; slurry infiltrated fiber concrete; basic mechanical properties; ductility; impact resistance
1前言
由于建筑技术的迅猛发展，人们对水泥基复合材料提出越来越高的要求。

钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforcement Concrete，简称SFRC）与普通素混凝土及钢筋混凝土相比，虽然具有优良的韧性，但是对混凝土的抗裂、抗拉强度提高有限。

原因就是SFRC的纤维含量太低，不足以提高混凝土的抗裂、抗拉强度。

但是在实际工程应用中进一步提高纤维含量已经不可能，高于2%的纤维含量使得SFRC的搅拌和密实难以进行，并可能产生纤维离析、纤维成球及空气含量增大等不良后果。

英国学者D.J.Hannant曾经阐述，以2%的纤维含量增强的梁，钢纤维对混凝土抗裂强度的提高幅度不超过20%。

这样所产生的强度改进效益可以用其他更便宜的方法如降低混凝土水灰比来获得。

砂浆渗浇钢纤维混凝土（Slurry Infiltrated Steel Fiber Concrete，简称SIFCON）是上世纪七十年代末由美国Lankard材料试验室开发的一种建筑材料，可以认为是特殊类型的钢纤维混凝土。

SIFCON的钢纤维体积含量可达到27%，一般在5%~20%之间。

使用的钢纤维长度可达30mm或40mm，纤维用量取决于纤维型式（长度、直径、外形），纤维置放于模板中的准确程度，纤维的方向，振动方式及振动时间等因素。

SIFCON不使用粗骨料，只使用细骨料及粉煤灰或硅灰等，基体的配合比需能使砂浆渗浇到模板内事先放置的纤维骨架中去。

2SIFCON与SFRC的主要区别
尽管在技术上SIFCON是钢纤维混凝土，但是它在许多方面不同于普通钢纤维混凝土。

主要区别表现在以下方面：
1）纤维体积含量：SFRC的纤维体积含量为1%~2%；SIFCON的纤维体积含量为5%~20%以上，并依赖于纤维形状、试件准备过程和模具尺寸。

2）SFRC可以使用粗骨料；SIFCON的砂浆以水泥为主要材料，添加细砂、粉煤灰及硅灰，必须保证砂浆能通过纤维之间的缝隙。

3）浇筑方式和过程不同：SFRC采用一般的浇筑方式，钢纤维在拌料过程中可以随时加入；SIFCON则是在模具中预先铺满钢纤维，然后将搅拌好的砂浆注入到纤维网中。

4）SFRC中钢纤维的加入并不能显著提高其抗压强度；SIFCON由于钢纤维的加入，其单轴抗压强度可达235Mpa，三轴抗压强度可达275Mpa。

5）SFRC中钢纤维之间几乎没有相互作用，纤维之间的交错很少而且不能承力，纤维与基体之间的粘结很重要。

SIFCON有一种新的性能：纤维联锁。

SIFCON中不仅纤维与基体的粘结较为重要，而且更重要的是钢纤维之间有很大的摩阻力和纤维联锁产生的机械咬合力。

很多研究人员认为对SIFCON优秀的应力一应变性能做出很大贡献的是纤维联锁作用而不是高的纤维体积含量。

在其它方面，SFRC的许多研究成果可应用于SIFCON中。

例如，应变速率对复合材料性能的影响，复合材料在循环荷载下的反应，纤维与基体粘结的模型和应力一应变性能等。

3SIFCON的研究状况
在Lankard材料试验室开发出SIFCON这种高性能纤维混凝土后，NMERI（New Mexico Engineering Research Institute）对SIFCON的性能进行了研究，并开始将SIFCON在实际工程中试用。

另外，Michigan大学，New Mexico 大学，Rutgers大学，Stuttgart大学，Southwest研究院以及美国陆军航道实验站（WES）等也做了大量的相关研究。

研究人员研究了SIFCON中各组成成分为以及其抗拉、抗压、抗弯、抗剪和抗扭性能。

众多研究结果表明SIFCON的高性能非常适用于抗爆、抗震及抗冲击结构中。

国外在研究的基础上，已在某些工程上进行了试用。

在美国，SIFCON主要用于制造保险箱，现浇路面面层、防爆结构等。

我国对高含量钢纤维混凝土尤其是SIFCON的研究还很少。

大连理工大学的曲福进博士在博士论文中对SIFCON静动态特性进行了研究。

其主要分析了影响SIFCON抗压抗抗弯性能的各种影响因素以及纤维率对轴拉和抗剪性能的影响；根据纤维应力传递理论分析了SIFCON单调轴拉破坏原理；建立了SIFCON 单调轴拉、轴压应力一应变全曲线方程和SIFCON抗弯疲劳强度、疲劳寿命方程。

其中所建立的SIFCON轴拉、轴压应力——应变方程与试验曲线符合的较好，可以供工程应用时参考。

盐城工学院的荀勇等人研究了含混杂纤维SIFCON（在SIFCON成型的材料中掺入PP改民生聚丙烯纤维）的抗压、抗折和弯曲抗拉性
能，并且用其制造井盖来代替铸铁井盖，具有良好的经济效益和社会效益。

2002年同济大学的严安、吴科如对SIFCON在不同纤维掺量下的力学性能及破坏形式进行了数字图像分析，并用分数维对SIFCON的表面裂缝进行了定量描述，发现SIFCON的力学性能与分数维之间存在较好的关系。

由于SIFCON中钢纤维的体积含量比较高，并且不含粗骨料、水泥的用量也比较大，所以SIFCON的造价较高。

SIFCON在我国的应用实例还比较少。

4SIFCON的主要力学性能
SIFCON从发明到现在只不过二十多年，研究人员已经研究其大部分力学性能。

然而SIFCON的性能受到多种因素的影响，所以至今未能建立一套完整的力学模型。

Michigan大学的Naamann教授进行了SIFCON的强度试验，从试验结果分析可以看出：SIFCON吸收能量的能力比素混凝土大得多，二者相差达3个数量级。

SIFCON的抗拉强度可以与普通混凝土的抗压强度在同一数量级上。

印度的Parameswaran等人也进行了SIFCON的研究，报告了SIFCON的受弯性能试验。

实验结果表明：SIFCON（纤维体积含量为8%）的抗弯强度比素混凝土伴随试件高500%，比普通钢纤维增强砂浆试件约高100%；SIFCON试件具有更高的延性及抗裂和抗剥落的能力；即使在重复荷载下，SIFCON试件也能经受很大的挠度及承受很高的荷载。

SIFCON的主要力学性能如下：
1）抗压强度：根据钢纤维体积含量的不同，SIFCON的抗压强度为103~207Mpa，压应力达最大时的应变值约为0.017，混凝土的极限压应变值可达0.1。

2）轴心抗拉强度约为13.8Mpa，受拉韧度指标大于1000，即其表现能大大高于素混凝土，二者之间相差3个数量级。

3）抗弯强度约为27~69Mpa。

纤维体积率为8%SIFCON试件的抗弯强度比素混凝土伴随试件约高500%，比普通钢纤维增强砂浆试件约高100%。

弯曲韧度指标达600。

4）抗剪强度约为27.6Mpa左右。

抗剪强度达到35Mpa左右。

5）弹性模量达7000Mpa左右。

Naaman教授用试验研究了SIFCON在受拉、受压作用下的弹性模量，分析了不同预测弹性模量模型的准确性。

6）耐火性能良好，当温度不超高800℃时，在5个小时内混凝土的强度无明显降低。

在1095℃下进行热震循环，10次以内混凝土的强度无明显降低。

7）良好的抗冲击、抗爆破、抗磨损等性能。

8）抗冻融性能良好。

经300次冻融循环，试件没有剥落破坏，但是在试件表面有小裂缝。

在受弯试验以后，试件的抗弯强度降低很多，与未冻融试件相比，大约降低26%~43%。

9）SIFCON的破坏形态已由普通钢纤维混凝土的单一裂缝破坏转向了多点裂缝破坏。

下面的表格比较了SIFCON、普通钢纤维混凝土和普通混凝土的力学性能指标。

◇韧性指数为纤维增强水泥复合材料的拉应力一应变曲线覆盖的面积除以普通混凝土的拉应力一应变曲线覆盖的面积。

5SIFCON在土木工程中的应用及发展前景
1）SIFCON在军事工程中的应用
SIFCON的钢纤维含量比较高，不使用粗骨料，水泥用量也比较大，这些都使其造价高于普通钢纤维混凝土。

它主要应用于一些不计造价的军事工程上，比如防空袭板、军用爆炸物品仓库、防战指挥所以及地下导弹发射井等。

虽然普通钢纤维混凝土的疲劳寿命和耐冲击韧性比普通混凝土有很大幅度的提高，但对于承受动荷载较为严酷的条件如高速公路路面，某些抗爆抗震、抗冲击结构，如导弹地下发射井、军用机场、防战指挥所、军用爆炸物仓库、掩体等等，普通钢纤维混凝土上不能满足要求而过早破坏。

而SIFCON以其优良的韧性和抗冲击能力可以很好的适应上述严酷条件。

2）SIFCON在道路工程中的应用
SIFCON主要用来制作桥梁面层、现浇路面面层、堆场的耐磨面层和机场停机板（主要用来承受飞机的动荷载）以及以上几种面层的修复。

由于SIFCON 的施工工艺比普通钢纤维混凝土复杂，所以SIFCON板一般是预制的。

现场浇筑SIFCON时，面层的厚度不宜过大。

如果面层较厚，可以采用分层浇筑，并且一定要充分振动使砂浆渗浇到纤维的底部。

3）SIFCON在工业建筑中的应用
SIFCON主要用来制作贮藏易爆品的容器、浸泡池的密封板、压力容器以及加热炉炉墩等。

钢板不适宜做浸泡池的密封板是因为钢板易氧化弯曲，普通的耐火材料也因为热收缩容易引起破坏。

SIFCON有良好的耐火性能和力学性能，适应这种用途。

4）SIFCON在民用建筑中的应用
SIFCON可制作成保险柜、篮球板。

SIFCON的延性性能比较高，可以用在框架梁的塑性铰区和剪力墙等部位，还可以用来修补预应力梁。

SIFCON还可以作为外嵌层来增强梁的抗剪能力，减少梁的脆性剪切破坏。

以前在抗震设防区域建造的混凝土框架结构，延性通常很小。

以现在的抗震设防规范来看，它们是危险建筑。

应用高性能纤维水泥基复合材料（HPFRC，例如SIFCON）修补或者加固能使这些建筑的结构性能有很大的增长。

SIFCON 在消耗能量方面尤其适合抗震要求。

6结束语
普通钢纤维混凝土从上世纪初发展以来，经过一百多年的试验和理论研究，现已走向广泛应用的阶段。

而高含量钢纤维混凝土的发展仅是近二十多年的事情。

随着科技的发展，SIFCON的应用必然越来越广泛。

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