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。
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
用与钢纤维混凝土的钢纤维主要有四种制造方法(请参考上图2—3),以下是详细资料:
⒈钢丝切断法
这种加工方法比较简单(图2-4),一般利用小直径0.4-0.8mm的冷拔钢丝为原料,’按照规定的长度把钢丝切成短纤维。用这种方法生产钢纤维的抗拉强度,远高于其它方法加工成的钢纤维,可达1000-2000MPa.
加工手段可以用切刀、冲床。为了提高效率,常用旋转刀具切断。由于冷拔钢丝价格昂贵,这种方法生产的钢纤维成本较高。此法生产钢纤维的另一缺点是表面较光滑,与混凝土等基体的粘结强度较小。为了增加钢纤维与混凝土等基体的粘结强度,常常采用改变钢纤维的外形,即通过生产异形钢纤维的办法加以解决,常见的方法有三种:
⑴压棱法:在切断钢丝前,用进给钢丝的夹送辊在钢丝上
压出棱形凹坑(如图2-1,b)。
⑵波形法:在切断钢丝前,用进给钢丝的夹送辊将钢丝压
成波形后再切断(如图2一1,c)。
⑶弯钩法:在切断钢丝前,用进给钢丝的夹送辊等距离地压出弯钩状再切断(如图2,d)
图2.e所示的钢纤维,国外产品名称为“DRAMⅨ"。生产时常用水溶性粘结剂将其集束粘结在一起,从而起到缩小长径比的作用(图2,h)。这种集束钢纤维投入混凝土搅拌机后,粘结剂很快溶解于水,钢纤维则均匀分布在混凝土中。
薄板剪切法是吧冷轧薄钢板切成钢纤维的方法,剪切前用特制的小型纵剪机将薄冷轧卷板剪成带钢卷,带钢卷的宽度和钢纤维的长度相同,然后将带钢卷连续不断地送入旋转刀具或普通冲床切断(如图2-3,b),旋转刀具的轴与薄板进给方向互相垂直。原材料一般采用退火的冷轧钢板,为提高强度也可以使用未退火的冷轧钢板。
⒊厚板切削法
所用原材料为厚钢板或钢锭,用旋转的平刃铁刀进行切削制成的钢纤维(如图2一3).切削时,钢纤维将产生很的塑性变形,轴间发生扭曲,可以增大与混凝土等基体的粘结力。若以普通低碳钢为原材料时,切削成的钢纤维经加工硬化后,其弧度约为母材的两倍半,成为一种高强度、高硬度的钢纤维。
⒋溶钢抽丝法
如图2-3,d所示,用电炉将废钢熔融成1500-1600℃的钢液,然后在钢液表面上,以一个高速旋转的熔抽轮接近钢液,熔抽轮上按照所需钢纤维的要求,刻出许多槽形。当溶抽轮下降到液面时,钢液被槽刮出,被高速旋转的熔抽轮的离心力抛出,以10000℃/秒的速度冷却成形.熔抽轮内必须通水,以保持冷却速度。
主要性能
钢纤维是一种新、高性能的钢纤维品种。钢纤维道路的配合比设计方法大体与普通混凝土相同,不同点为:强度双控标准(抗压强度和弯拉强度);钢纤维掺量根据设计要求的弯拉强度确定;单位用水量和砂率与纤维掺量有关,每掺加0.5%(体积率)钢纤维,单位用水量增加6kg,砂率增大2%。
钢纤维混凝土具有与普通混凝土一样的搅拌、运转和施工性能,纤维在混凝土中不会结球,分布均匀,可在商品混凝土搅拌站进行生产并能用于泵送施工。铣削钢纤维混凝土的早期坍落度损失较大,30分钟损失32%,2小时损失42%。钢纤维混凝土的实际工作性优于相同的坍落度的普通混凝土。钢纤维混凝土具有良好的材料性能,与普通混凝土相比,其抗压强度提高2~20%;弯拉强度提高20~50%;劈裂抗拉强度提高20~40%;耐磨性能提高40%左右,其物理力理性能完全可以满足城市道路工程及检查井盖等配套构件需求技术指标。钢纤维粗糙而洁净的表面,能与混凝土中的水泥浆体牢固的结合,这是铣削钢纤维提高混凝土各种性能的根本原因。[1]
此外,高强钢钎维混凝土在铁道轨枕预制、高速公路伸缩缝、水泥砼道面等预制、现浇、生产施工等方面均已得到大量应用,其优良性能完全可以取得良好的技术经济和社会环境效益。
一、粘结性
由于钢纤维与混凝土基体的界面粘结主要是物理性的,即以摩擦剪力的传递为主,因此对钢纤维本身来说,应该从纤维表面和纤维形状两个方面来改善其粘结性能。具体的方法有下列四种。
1。使钢纤维表面粗糙化、截面呈不规则形。采用熔抽法生产就能达到这个目的。因为钢纤维在遇空气急剧冷却时,表面收缩不均匀而变得粗糙,同时截面也收缩成月牙形,增加与基体的
接触面积。
⒉沿钢纤维轴线方向按一定间距对纤维进行塑性加工。例如日本神户制钢公司的“信柯”钢纤维美国雷邦公司的“XOREX"钢纤维(图2-1,c)以及庆安钢铁厂的“S-2”和“S--3"号钢纤维。由于表面压成棱形,或压成波形,增加了机械粘结力。
⒊使钢纤维的两端异形化。美国贝克尔公甸的"DRAMⅨ"钢纤维(图2-1,e)和庆安钢铁厂的“S-4'和as-so型钢纤维,.都是在两端制成弯钩。还有熔抽法抽取的大头形钢纤维。由于两端的锚固作用,提高了抗拨力。
⒋对钢纤维表面涂覆环氧树脂和表面微锈化处理。这种方法对界面粘结强度的提高不如前几种方法,但也有一定的增强效果.
小林一辅、比利时列日大学和章文纲等的试脸都证明有弯钩的钢纤维比平直钢纤维的增强效果提高约一倍,小林一辅的试验说明压棱钢纤维的效果接近有弯钩的钢纤维。这些异形钢纤维不但提高了钢纤维的强度,并且提高了韧度。波形钢纤维虽然对提高钢纤维混凝土强度的作用不大,但是能成倍地
提高韧度。
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