钢纤维及钢纤维混凝土

钢纤维及钢纤维混凝土知识
混凝土用纤维的分类:
所用纤维按其材料性质可分为：①金属纤维。

如钢纤维(钢纤维混凝土)、不锈钢纤维(适用于耐热混凝土)。

②无机纤维。

主要有天然矿物纤维（温石棉、青石棉、铁石棉等）和人造矿物纤维（抗碱玻璃纤维及抗碱矿棉等碳纤维）。

③有机纤维。

主要有合成纤维（聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龙、芳族聚酰亚胺等）和植物纤维（西沙尔麻、龙舌兰等），合成纤维混凝土不宜使用于高于60℃的热环境中。

钢纤维的性能和规格:
钢纤维是以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比(纤维长度与其直径的比值,当纤维截面为非圆形时,采用换算等效截面圆面积的直径)为40～80的纤维。

因制取方法的不同钢纤维的性能有很大不同，如冷拔钢丝拉伸强度为800-2000MPa、冷轧带钢剪切法拉伸强度为600-900MPa、钢锭铣削法为700MPa；钢水冷凝法虽为380MPa，但是适合生产耐热纤维。

为增强砂浆或混凝土而加入的、长度和直径在一定范围内的细钢丝。

常用截面为圆形的长直钢纤维，其长度为10～60毫米，直径为0.2～0.6毫米，长径比为50～100。

为增加纤维和砂浆或混凝土的界面粘结,可选用各种异形的钢纤维,其截面有矩形、锯齿形、弯月形的;截面尺寸沿长度而交替变化的；波形的;圆圈状的;端部放大的或带弯钩的等。

钢纤维的规格:
钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料。

钢纤维混凝土是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。

这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。

纤维混凝土的作用:
制造纤维混凝土主要使用具有一定长径比（即纤维的长度与直径的比值）的短纤维。

但有时也使用长纤维（如玻璃纤维无捻粗纱、聚丙烯纤化薄膜）或纤维制品（如玻璃纤维网格布、玻璃纤维毡）。

其抗拉极限强度可提高30～50％。

纤维在纤维混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂缝的扩展。

在受荷（拉、弯）初期，当配料合适并掺有适宜的高效减水剂时，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。

若纤维的体积掺量大于某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从基料中被拨出，以致复合材料破坏。

与普通混凝土相比，纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯极限强度，尤以韧性提高的幅度为大。

钢纤维主要用于制造钢纤维混凝土，任何方法生产的钢纤维都能起到强化混凝土的作用。

纤维的增强效果主要取决于基体强度(fm)，纤维的长径比(钢纤维长度l与直径d的比值，即I/d)，纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数)，纤维与基体间的粘结强度(τ)，以及纤维在基体中的分布和取向(η)的影响。

当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。

钢纤维混凝土的力学性能：
加入钢纤维的混凝土其抗压强度、拉伸强度、抗弯强度、冲击强度、韧性、冲击韧性等性能均得到较大提高。

1、具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度
在混凝土中掺入适量钢纤维，其抗压强度提高10%~80%（C50以上混凝土提高幅度显著），抗拉强度提高50%~100%，抗弯强度提高50%~80%，抗剪强度提高50%~100%。

试验表明，长度为5~15mm，长径比为10~30的超短钢纤维抗压强度提高幅度较短纤维大得多，但抗拉强度、抗折强度较短纤维低得多。

2、具有卓越的抗冲击性能
材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称为冲击韧性，在通常的纤维掺量下，冲击抗压韧性可提高2~7倍，冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。

3、收缩性能明显改善
在通常的纤维掺量下，钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低
7%~9%。

4、抗疲劳性能显著提高
钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。

当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106次时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51；当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。

5、耐久性显著提高
由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好，因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。

掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降20%，而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上;经过200次冻融循环，钢纤维混凝土试件仍保持完好。

掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。

掺有2%的钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高 1.4倍。

钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性，暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm，只有表层的钢纤维产生锈斑，内部钢纤维未锈蚀，不像普通钢筋混凝土中钢盘锈蚀后，锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。

普通钢纤维混凝土的纤维体积率在1%—2%之间，较之普通混凝土，抗拉强度提高40%—80%，抗弯强度提高60%—120%，抗剪强度提高50%一100%，抗压强度提高幅度较小，一般在0—25%之间，但抗压韧性却大幅度提高。

钢铁纤维的选用：
钢纤维混凝土采用的粗骨料粒径不宜大于20㎜或钢纤维长度的2/3。

将钢纤维混凝土用作刚性防水屋面时，刚性防水层的厚度宜≥30㎜，且宜采用钢纤维补偿收缩混凝土，钢纤维体积率≤3﹪。

在地下防水工程中，当钢纤维防水混凝土（配筋）用于有外包防水时，拌合物中氯化物总含量不得超过水泥用量1﹪；当钢纤维防水混凝土用于无外包防水，且无氯离子环境时，拌合物中氯化物总含量不得超过水泥用量0.3﹪；当钢纤维防水混凝土用于无外包防水，且有氯离子环境时，拌合物中氯化物总含量不得超过水泥用量0.1﹪。

拌制钢纤维混凝土所选用的外加剂应满足GB 8076－1997《混凝土外加剂》的要求。

钢纤维混凝土的影响因素:
根据纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂理论，以及大量的试验数据的分析，可以确定纤维的增强效果主要取决于基体强度(fm)，纤维的长径比(钢纤维长度l与直径d的比值，即I/d)，纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数)，纤维与基体间的粘结强度(τ)，以及纤维在基体中的分布和取向(η)的影响。

当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。

改善的钢纤维混凝土主要办法:
1.增加纤维的粘结长度(即增加长径比);
2.改善基体对钢纤维的粘结性能;
3.改善纤维的形状、增加纤维与基体间的摩阻和咬合力。

相关规范和标准：
1、产品执行标准：
YB/T 151－1999《混凝土用钢纤维》
2、设计及施工规范：
JG/T 3064－1999《钢纤维混凝土》
GB 50204－1992《混凝土结构工程施工及验收规范》
GB50300—2001《建筑工程施工质量验收统一标准》
GB50108—2001《地下工程防水技术规范》
GB50208—2002《地下防水工程质量验收规范》
CECS 38：2004《纤维混凝土结构技术规程》
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1~2mm;
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。

与公路相关的钢纤维的规定：
交通部行业标准《公路水泥混凝土纤维材料钢纤维》JT/T 524-2004是根据交通部交科教发[2002]531号文“关于下达2002年交通标准化补充计划的通知”中的计划编号JT2002-132的要求制定的。

由交通部公路科学研究所、重庆交通学院、重庆凌豪钢纤维有限公司和上海哈瑞克斯公司共同负责起草。

《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）规定：
3.8 钢纤维
3.8.1 用于公路混凝土路面和桥面的钢纤维除应满足《混凝土用钢纤维》(YB/T151)的规定外，还应
符合下列技术要求：
单丝钢纤维抗拉强度不宜小于600 MPa。

钢纤维长度应与混凝土粗集料最大公称粒径相匹配，最短长度宜大于粗集料最大公称粒径的1/3；最大长度宜大于粗集料最大公称粒径的2 倍；钢纤维长度与标称值的偏差不应超过±10％。

3.8.2 路面和桥面混凝土中，宜使用防锈蚀处理的钢纤维；宜使用有锚固端的钢纤维。

不得使用表面磨损前后裸露尖端导致行车不安全的钢纤维；不宜使用搅拌易成团的钢纤维。

《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）规定：
钢纤维水泥混凝土桥面铺装，除应按本规范第11 章有关规定执行外，宜符合现行中国工程建设标准化协会标准《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》(CECS38)的规定。