復合力學理論和纖維間距理論范文

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一、鋼筋混泥土在出現(xiàn)

自從出現(xiàn)波特蘭水泥之后,人們便開始使用混泥土的歷史。隨后于1850年和1928年分別出現(xiàn)了鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土，混凝土才得到了廣泛的應用。20世紀20年代，隨著結構計算理論及施工技術水平的相對成熟，鋼筋混凝土結構開始被大規(guī)模采用，應用的領域也越來越廣闊。目前它已是世界上用量最大、使用最廣泛的建筑材料。

混凝土是一種優(yōu)良的建筑材料，但是由于其抗彎、抗拉、抗沖擊韌性差，嚴重的影響其被廣泛使用。于是便考慮是否可以在混凝土中加入抗拉強度高、韌性好、短而細的纖維來改善混凝土的性能。

在1901年，美國Porter就發(fā)表了有關鋼纖維混凝土的第一篇論文。1911年，美國的Graham則提出將鋼纖維加入普通鋼筋混凝土中。到四十年代，由于軍事工程的需要，英、美、法、德、日都相繼開展了研究，發(fā)表了一些專利，但進展并不大，因為這些研究和專利幾乎都沒能說明鋼纖維對于混凝土的增強機理。纖維混凝土真正進入實用化研究是在六十年代初。1963年，美國的Romualai發(fā)表了鋼纖維約束混凝土裂縫發(fā)展機理的研究報告，才使這項研究真正進入一個新的發(fā)展時期。

二、鋼纖維混凝土的增強機理

鋼纖維混凝土增強機理的研究主要有兩種理論：復合力學理論和纖維間距理論。這兩種理論從不同角度，解釋鋼纖維對混凝土的增強作用，其結果是一致的。

（一）復合力學理論

復合力學理論將鋼纖維增強混凝土看作是一種纖維強化體系，應用混合原理推導鋼纖維混凝土的應力、彈性模量和強度等，并引入纖維方向系數(shù)，考慮在拉伸應力方向上有效纖維體積率的比例和非連續(xù)性短纖維應力沿纖維長度的非均勻分布。

（二）纖維間距理論

纖維間距理論根據(jù)線彈性斷裂力學原理解釋鋼纖維對裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。該理論認為，要想增強混凝土這種本身帶有內(nèi)部缺陷的脆性材料的抗拉強度，必須盡可能地減小內(nèi)部缺陷的尺寸，降低裂縫尖端的應力場強度因子。對于混凝土這樣的脆性材料，由于其內(nèi)部的水泥漿-細骨料界面區(qū)，砂漿-粗骨料界面區(qū)薄弱環(huán)節(jié)的存在，盡管各組分材料都有較高的抗拉強度，但混凝土一般均發(fā)生斷裂破壞，宏觀抗拉強度很低。鋼纖維的加入能跨越裂縫的兩邊，使鋼纖維與裂縫兩邊混凝土之間的粘結應力起著約束裂縫開展的作用。

三、鋼纖維混凝土的應用

（一）水利水電工程

目前，20ZLB-70型軸流泵是農(nóng)用泵站中應用較多的一種泵型。22時（管內(nèi)徑55cm，壁厚3cm）鋼纖維混凝土泵管就是為這種泵型配套用的，以解決目前其它泵管在工程造價、建沒周期及管理維修等方面存在的問題。江蘇省泗陽混凝土制品廠對鋼纖維混凝土泵管采用的主要技術標準為:當應用揚程達7.5m，管內(nèi)工作壓力達0.075MPa時、室內(nèi)檢驗壓力達到0.15MPa時不破裂，0.1MPa時無滲漏。安全系數(shù)值取3。采用的混凝土配比為水泥，黃砂，石子，水=l：2.06：1.12：0.5。鋼纖維體積含量1.5%，纖維長徑比60-100。關于鋼纖維混凝土泵管的使用價值，該廠曾將這種泵管與同類型的鑄鐵泵管、鋼板泵管、自應力水泥泵管和鋼筋混凝土泵管等作了比較，結果發(fā)現(xiàn)鋼板管、鑄鐵管耗鋼量最大，鋼筋混凝土管、預應力鋼筋混凝土管次之；鋼絲網(wǎng)水泥管和自應力管較小；而新研制的鋼纖維管耗鋼量只有8kg，為最小。以生產(chǎn)管理方面來說，鋼板管、鑄鐵管易生銹瘤，接頭螺栓及止水填料易腐蝕，維修費用高。鋼筋混凝土管及預應力鋼筋混凝土管維修費用雖小，但體積大，運輸及安裝不方使。鋼絲網(wǎng)水泥管、自應力水泥管在用鋼量和自重上較前者雖有減少，但要具備特殊的生產(chǎn)工藝與設備。而鋼纖維混凝土管則可彌補上述6類管的不足。泵管性能方面各類泵管都能滿足強度要求。

（二）橋梁工程

重慶交通學院等單位對鋼纖維混凝土肋拱橋進行了動態(tài)性能分析，并局部地利用鋼纖維混凝土成功地設計了一座60m凈跨、拱圈高1.55m的肋拱橋。竣工后對該橋進行了自頻振率、模態(tài)及沖擊性能等試驗，結果認為：鋼纖維混凝土肋拱橋不僅造價低，而且地震作用明顯小于普通混凝上肋拱橋。

（三）房屋工程

節(jié)點是框架梁柱的傳力樞紐，也是框架的薄弱環(huán)節(jié)。國內(nèi)外幾次大地震表明，不少鋼筋混凝土框架節(jié)點在地震作用下發(fā)生了不同程度的破壞，節(jié)點的抗震問題引起了工程界的重視。按照傳統(tǒng)的方法，為提高鋼筋混凝土節(jié)點的抗震強度和延性，需要在節(jié)點配置多而密的箍筋，而節(jié)點箍筋施工比較困難。節(jié)點中鋼筋過于擁擠也影響了混凝土的澆筑質(zhì)量。在框架節(jié)點部分用鋼纖維配筋取代部分箍筋，能有效地解決這個問題。

最早由哈爾濱建工學院樊承謀教授提出，經(jīng)試驗室試驗后應用于工程。應用最早的是吉林省1661電臺辦公樓（1988年5月）及黑河市建委試驗樓（1989年5月）。以上兩項工程施工地點的年溫差和晝夜溫差都較大。為使防水層脫離找平層以便減少收縮和溫度應力的影響，在鋼纖維混凝土中摻有一定數(shù)量的膨脹劑，取得了良好的效果。每m3鋼纖維混凝土的材料用量是水泥：砂：碎石：鋼纖維：水：減水劑：膨脹劑=450：720：720：72：198：4.5：63。減水劑采用上海產(chǎn)高效減水劑，減水率15%。膨脹劑采用合肥產(chǎn)品，自由膨脹值小于0.1%。剛性防水屋頂采用分倉設計，每個分倉均為3×6m。各分倉之間以及與四周墻壁之間均設置分倉縫。分倉縫用PVC防水油膏充填。分倉木條尺寸為20×30mm，施工24小時后取出。防水層厚度為40mm。

鋼纖維混凝土應用的領域非常廣泛，在此不再枚舉。

綜上所述，鋼纖維混凝土由于一系列突出的優(yōu)點和巨大的技術發(fā)展?jié)摿Γ梢灶A見在未來21世紀必將取得更大的技術進步和廣闊的應用前景。