配制原理:
混凝土按其宏观力学行为是一种准脆性材料,随着强度的提高,其自身的脆性也相应增加.为了克服高强混凝土这一弱点,显著提高其韧性和延性,防止高强混凝土结构中无征兆脆性破坏的发生,最有效的方法是将纤维加入高强混凝土基材中,以阻碍混凝土内部微裂纹的发生和扩展,从而达到高强度与高韧性的双重目的.钢纤维增强高强混凝土即是根据这一原理进行配制的。
力学性能:
一般来说,钢纤维的掺入对高强混凝土的抗压强度提高幅度显著高于普通混凝土.抗拉强度和弯拉强度的提高,特别是弯拉强度与抗拉强度之比随钢纤维掺量的增加而明显增大.在抗压、抗弯试验中,普通高强混凝土的失效形式为脆性、突然的破坏。当掺入钢纤维后,高强混凝土的脆性下降,延性和韧性明显增长。达到极限载荷后,钢纤维逐渐脱黏与拔出,并依靠摩擦力作
功,因而钢纤维混凝土呈现较为稳定的破坏状态。
钢纤维混凝土突出的优异性能还表现在其动载力学特性上,主要包括在反复荷载作用下的疲劳和冲击性能两个方面。
钢纤维混凝土的疲劳过程实际上是在反复荷载作用下,裂纹的引发、扩展、恢复、再引发、再扩展、再恢复的循环往复过程。在每次循环过程中,会不同程度地引起裂宽与裂高的变化最终因损伤积累而导致结构破坏。因此,在疲劳过程中混凝土的损伤程度和疲劳寿命主要取决于材料组成结构、界面特征、原生裂纹的尺度和数量以及在疲劳荷载作用下阻止裂纹延伸和发展的能力,即阻裂能力。在高强混凝土基材中掺入钢纤维后,因高强混凝土自身内部集料与水泥浆体界面之间的黏结得到改善,原生裂缝源尺度和数量的变小和减少,抗疲劳能力与抗疲劳寿命与普通钢纤维混凝土相比会有进一步的提高。
抗冲击特性是钢纤维混凝土动态力学性能的另一项重要表征,钢纤维对混凝土的抗冲击性能的改善与对抗疲劳性能的强化与韧化改善原理相似。
物理性能:
收缩和抗渗性是混凝土材料物理性能的两个最重要的方面,并且与其耐久性、使用寿命密切相关。钢纤维的掺入不仅收缩率可降低50 %左右,而且大大提高了水泥基材抗渗能力。产生这一效果的关键在于纤维对混凝土的限缩和阻裂效应。但由于水泥基材自身具有多相、多组分与多尺度层次的非匀质结构特性,尤其是高强水泥基材因水泥用量大,收缩率高,钢纤维的作用会更加明显。单一纤维的增强作用是有限的,而不同尺度和不同性质的纤维混杂增强,使其在水泥基材中不同结构和不同性能层次上逐级阻裂与强化,充分发挥各纤维的尺度和性能效应,并在不同的尺度上相互激发、相互补充、取长补短,达到进一步提高阻裂和抗渗能力的目的。
应用和开发前景:
钢纤维高强混凝土作为一种新型工程材料,与传统的混凝土相比,其抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击、耐疲劳与抗冲磨性能均有显著提高和改善。适当增加纤维掺量有利于提高钢纤维高强混凝土的各种力学性能。其中韧性、耐疲劳和抗冲击性的提高最为明显,与普通混凝土比较,前者可提高20倍以上,后者的提高也大于5倍。此种材料的用途广泛,适宜配制早强、耐磨、抗渗、防水混凝土工程;大型隧道、大中跨度桥梁、高速公路、立交桥、机场跑道、港口、工业地面、耐磨地坪及抢修等特殊工程,特别适用于抗侵蚀、抗爆炸的军事工程的需要。