（岩土工程专业论文）钢纤维混凝土的力学性能及路面工程应用研究.pdf

摘要 钢纤维混凝土是近年来发展起来的一种新型建筑材料，是在普通混凝士中掺 入适量酌钢纤维掰形戏静可浇筑、可喷射成垄的种新壅复合材料，除抗压强度 井，它的各项杨瑾力学往能都跣瞽通满凝土有显著的改善和提商，使原属于脆性 材料的混凝土变为具有一定塑性链痿静复合材料，其主要王 车机理是利用均匀分 散随短钢纤维采改善警通混凝土静虢蕊。在受力过程中，斑钢纤维发挥其抗拉强 发裹，丽溉凝发撂其抗攫强度亵豹爨谯势，从薅镬其舆有钱楚豹挠襞、抗弯、 薅疲劳、懿瘗糕、耘瞧高等力孥爨麓，窿公路鼹甏、掇场淹委投建筑绻梅豹瘦爝 上鸯着广阀的前景。 本文通过对瀚内外当前关于镪纤维灌凝土的痤用及理论分析，基于钢纤维溉 凝主基本理论，糖玉选择原材料，精心没诗，筛选适用子鼹嚣缩构的钢纾维渥凝 聚合比，结合工程实藏瓣镊绛维漉凝主鼯面力学往藐及路面藏爝进彳亍了鞍为系 统媳研襄。主黉残究成果絮下： t ，在选择了合理鹣粥合磁蓥獭土，遽遘对3 2 0 块试襻豹试验和理谚分轿， 研究了钢纤维体积率的变化对抗压、劈撞、抗折以及弯曲翘性等力学性髓翡影蛹 及变化规律，巍不弱分层试件的试验结爨，探讨了钢纤维淡凝的分层离嶷对舞 拉、抗折等强度影响，为钢纤缨混凝土的路面结构设计提供了可靠的依援。 2 。对镪绎缝麴类型戳及亵漫凝土孛熬形态避嚣撼述譬分凝，探讨了钢驽缝 混凝土的增强、破坏及抗裂机趣。 3 根据试验缭论，并依据水滋混凝路面设计方法，褥出了适合子攀层式 钢纤维混凝土和复台式钢纤维混凝土路面的设计理论、设计方法和步骤。 4 。把娃结梅设计慰瘸子王程实际，劳缝合试骏路豹镶筑，探讨7 镶终维援 凝土路蕊的施工工艺及路用效果，以促进钢纤维混凝的摊广皮用。 5 本文联握爨的路瑟结构港热了溺誊籍西和薷逶漉凝路嚣易出现麓缺点 和不足。论文剥用静态和动态的分柝方法，对沥青路匿、龉通水泥混凝土鼹蘑、 钢纾维混凝土路疆以及钢纤维与蒈逶混凝复合路面遴蠢疑滂分析b t 较，褥出了 复念式路面比其它几种路面更为经济、念理的结论。如采用本路面结构可节省原 材料，节约资金，提前正勰和延长路面寿命。 关键词：钢拜维滚凝试验锅纤维溉凝土层高体积率路面结构 设计施工工艺经济分析 a b s t r a c t t h es t e e lf i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ei sak i n do fn e ws t r u c t u r a lm a t e r i a la n di sa k i n do fn e w c o m p o u n d m a t e r i a lt h a ti sf o r m e db ya d d i n gt h ep r o p e ra m o u n to fs t e e l f i b e r si n t oo r d i n a r yc o n c l 、e t er e c e n t l y i tc _ mb ep o u r e da n dc a l lb ee j e c t e dt of o r m s 0 t i i c s h a p e s 。i th a sb e t t e rp h y s i c a lm e c h a n i c sp r o p e r t i e s o r d i n a r yc o n c r e t e e x c e p tc r a s h i n gr e s i s t a n c e i tt a i lm a k eo r d i n a r yc o n c r e t et h a ti s ak i n do fb r i t t l e m a t e r i a lb ec h a n g e dt oak i n do fc o m p o u n dm a t e r i a lt h a th a sb e t t e rp l a s t i c i t y i t sm a i n w o r k i n gm e c h a n i s m i st oi m p r o v et h eb r i t t l e n e s so fo r d i n a r yc o n c r e t eb yu s i n gs h o r t f i b e r st h a ta r es c a t t e r e de q u a b l y b e c a u s es h o r tf i b e r sh a v eh i g h e rd r a g g i n gr e s i s t a n c e a n do r d i n a r yc o n c r e t eh a sh i g h e rc r u s h i n gs t r e n g t hi nt h ep r o c e s so fs 垃e s s i n g , e v e r y t e c h n i c a l p r o p e r t y o ff i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ei s i m p r o v e dg r e a t l y a c c o r d i n g l y f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r g t eh a sb e t t e rs t r e s s i n gp r o p e r t i e ss u c ha sc r a c kr e s i s t a n c e 、 b e n d i n gr e s i s t a n c e 、a n t i - f a t i g u e 、a n t i f r i c t i o na n dh i g ht o u g h n e s s s oi th a sb r i l l i a n t f u r o r ei nh i g h w a ys u r f a c e 、r o a ds u r f a c eo f a e r o d r o m ea n da r c h i t e c t u r a lc o n s t r u c t i o n a tf i r s tt h ea p p l i c a t i o na n dt h e o r yo ff i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ea th o m ea n da t a b r o a di sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e nb a s e do nt h eb a s i ct h e o r i e so ff i b e r - r e i n f o r c e c o n c r e t e 。o r i g i n a l m a t e r i a l sa r es e l e c t e d c a r e f u l l y a n dm i x p r o p o r t i o n o f f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ew h i c hi ss u i t a b l ef o rr o a dc o n s t r u c t i o ni sd e s i g n e da n d f i l t e r e d c a r e f u l l y m e c b a n i c a lp r o p e r t i e s a n dp a v e m e n ta p p l i c a t i o no f 曩瑶s t e e l f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ei ss t u d i e di nd e t a i l sb yc o m b i n i n ge n g i n e e r i n gp r a c t i c e n 摊 m a i nr e s e a r c ho u t p u t so f t h i sp a p e ra ea sf o l l o w s ： 1 b a e do nt h e c h o o s i n g r a t i o n a lm i xp r o p o r t i o n , t h ei n f l u e n c eo fc h a n g i n g v o l u m e p r o p o r t i o n o fs t e e lf i b e ro nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e ss u c h a sc r u s h i n gr e s i s t a n c e 、 s p l i t t i n gr e s i s t a n c e 、b r e a k i n g r e s i s t a n c ea n db e n d i n gr e s i s t a n c ea n dt h ev a r i a t i o nn i l e o fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r es t u d i e db ye x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f3 2 0 s a m p l e s a c c o r d i n g t o e x p e r i m e n t a l r e s u l t so fd i f f e r e n t l a y e r e d s t r u c t u r eo f f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，t h ei n f l u e n c eo fl a y e r e dh e i g h to ns p l i t t i n gs t r e n g t ha n d b r e a k i n gs t r e n g t hi sd i s c u s s e d 。s oi to f f e r sr e l i a b l er e f e r e n c e t od e s i g nr o a ds t r u c t u r e b yu s i n gf i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t e 。 2 ，t h et y p eo f s t e e lf i b e ra n d t h ef o r mo f i ti nc o h e r e * r ea 工ed e s c r i b e da n da n a l y z e d a n dt h em e c h a n i s mo ff i b e r - r e h f f o r e e dc o n c r e t es u c ha sr e i n f o r c e m e n t 、d a m a g ea n d c r a c k i n gr e s i s t a n c ei sd i s c u s s e d 3 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h em e t h o d t od e s i g nr o a ds u r f a c e b yu s i n g c e m e n t c o n c r e t e , d e s i g nt h e o r y 、d e s i g n m e t h o da n d d e s i g np r o c e d u r ef i t t i n g h f o r s i n g l e s k i na n dc o m p o u n d f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t er o a da r eb r o u g h tf o r w a r d 4 t h i ss t r u c t u r a l d e s i g n i s a p p l i e d t or e a l e n g i n e e r i n g t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya n dw o r k i n gr e s u l t so ff i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t er o a da r ed i s c u s s e db y l a y i n g t e s tr o a di no r d e r t o p r o m o t e t h ea p p l i c a t i o no f f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t e 5 p a v e m e n ts t r u c t u r et h a ti s p u t f o r w a r di nt h i s p a p e r t r a m a w a yt h e s e d i s a d v a n t a g e st h a tt h ea s p h a l t u mr o a da n do r d i n a r yc o n c r e t er o a de a s i l yc o m ef o r t h o f t e n b ya d o p t i n gs t a t i c a n dd y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d s ，e c o n o m i ca n dm c h n i c a l e v a l u a t i o n so fc o m m o nc o n c r e t er o a d 、f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dc o m p o u n dr o a d b yc o m b i n i n gs t e e lf i b e r s r i t i lc o m r n o n c o n c r e t ea r ep u tf o r w a r d t h i sc o n c l u s i o ni s d r a w e dt h a tc o m p o u n dr o a db yc o m b i n i n gs t e e lt 曩b e r s 谢mc o m m o nc o n c r e t ea l e p u tf o r w a r di s b e r e rt h a no t h e rr o a d s m a t e r i a la n df u n dc a nb es a v e da n dr o a d l o n g e v i t y c a l lb e p r o l o n g e d i f t h i sr o a ds t r u c t u r ei sa d o p t e d k e y w o r d s ：s t e e lf i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t e t e s t l a y e r e dh e i g h to f f i b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t ev o l u m ep r o p o r t i o no fs t e e l f i b e rr o a ds t r u c t u r e d e s i g n c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y e c o n o m i c a n a l y s i s i l l 蛳州太学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 课题的工程背景及意义 公路是影酾国民经济发展和社会进步的重要基础设施，它是连结和沟通省 市、城乡、厂矿、机构、车站、港口之间的纽带。公路建设对地区国民经济的发 展起着决定性作用。路蕊工程作为公路建设中豹一个重要组成都分，路面的爵环 苴接影响行车速度、运输成本、以及行率的安全和舒适性。保 媛公路具有良好的 使异l 品漾，首兔虚考虑逸磊毪畿往良懿籍瑟娄蘩。 水泥混凝土路面是一种剐度大，扩散荷载能力强，穗定性好的路面结构。光 论是西方发达国家，还蔻发展中国家对承淀漫凝土路面静掺蓑援笨都直在迸孬 研究和总结，使得水泥漏凝土路面的修筑技术日臻完善，水泥混凝土路面得到越 瓷越广泛的应弱，特剽怒穆建高等缓重交逶懿遴路，甚囊残戈一些国家帮缝区翡 首选类型。 我瓣在二十邀纪5 0 、年代，由予霆家建 窭资金蠢限，水混紧缺，修建承 泥混凝土路面的公路数费很少。1 9 7 0 年底全国仅有水泥混凝土路面2 0 0 k m ，占高 级、次高级路面里程鲍0 鳊。n - - 十世纪8 0 年彳弋，随着掺筑里程的增长，实黢 经验的积累，科学研究的深入，水泥混凝土路面的修筑技术逐步改进、质量不断 提高，水泥混凝土路面褥到较抉的发展。到2 0 0 0 年底，总里程达到7 6 万多公 难，占高级、次高级路丽的拢萤由1 9 7 0 年的0 9 上升到2 0 0 0 肇底的约1 2 。 根据统计，1 9 9 4 年以来，平顶山市每年水泥混凝土路面的修建里程超过了 】5 公里，至g2 0 0 2 年达瓢了2 0 0 多公里。虽然求涎混凝路面的修建技术正在不 断完善，但水泥混凝土路面在使用过程中依然存在严重的不足，如容易产生开裂、 新板、流貉、锈螽等瘾雾，给路面的养护和修复带来了搬大静困难。茏箕是近主# 朱，随着公路交通量大懈度增长，货车超载日益严重，加速了路厩的破坏，严重 影确了公路的毽用震量。特鬟是近年来离速公路豹建设，对路西豹平整度要求越 来越高，普通水泥混凝土路面易断裂、易磨损的缺点越发突出。导致使用寿命不 是，热之水泥混凝路嚣出现损坏后，一方瑟养护修补羼难较大，另一方面也逡 成了较坏的社会影响。畿交通量日益增加，重型车辆有增无减的情况下，解决上 述润题醚签追切。霞蹙，骚究分掇鼹鸯袋蹋瑟摇掌荨衣耨鼓本来缳持拳泥瀛凝黪 面的使用性能具有十分黧要的意义。 我国针对水泥混凝土路面中普遍存焱兹开裂、断扳、沉陷、镬台等病害，匿 前，主要从采用先进的修补技术和加强路面结构两个方面来寻求解决问题的途 径。平顶山市公鼹管理郝门在实麓水泥滋凝土鼹蕊修 邀程中，瓣试图采用拥镶 3 5 厘米沥青濑凝土路面面层予以改善，但效粜不尽理想，在短时间内出现裂 纹、起层、甚至跑飞现象。针对这神情况，平顶山市公路管理局公路设计院、试 郑州太学硕士学位论文第一章嫱论 验室等部门于1 9 9 9 年5 月专门成立了水泥淑凝土路面加强系统应用研究小组， 在广泛囊耀瓣内卦资料的基础上，并联仑郑弼大学河南雀道路捻浏工程技术研究 中心，探讨采用钢纤维混凝土代替普通钢筋混凝土进行水泥溉凝路面的修建与 黪补，奁此纂磷上硬褒分析其瘦羽的可行性、路谣绥掏馥设计指标及糖应的施工 技术和方法，从而为钢纤维混凝土谯公路工程蘧设中的进一步稚广应粥创造条 件。 1 2 国内外研究概况 锶终维漫凝主爨在赣通浸；疑申掺天适壤酶- n 纾壤褥形蕊鲢可海筑、可囔囊事 成型的种新型复合材料，除抗征强度外，它的其它物理力学性能都比誉通混凝 蠢显罄的改善和爨离，使琢瘸予臆性材料的混凝变是具纛一定爨牲赣质的复 合材料，其主要工作机理是利用均匀分散的短纤维米改善普通溅凝土的脆性。在 受力过程中，短钢纤维发挥蔟撬救强凄赢，丽瀛凝土发挥其抗压强度高豹各嶷谯 努，从而使典具有优良的抗拉、抗弯、抗疲劳、抗冲击髓能以及耐膊耗、韧性高 等特点。 有美钢纤维混凝土的最早文献激现嵌上世纪韵，美瀚波特予1 9 11 年提出建 议，开展在漏凝中均匀掺入镪纤维以作为域强材料始研究，其设想与现在的钢 纾缳混溅夫俸福丽。t 9 1 1 年g r a h a m 谶过研究，秘步摘清了在藉遗漏凝中掺 入钢纤维后，强度和稳定性得以提高的道理，此后黢至到了二十世纪四十年代， 荚爨、葵餮、法灏、德嚣等黧家建嚣公帮了焉锈绎缎麓撼嵩混凝主黪耐瓣链、撬 剪能力的研究报告以及钢纤维制造工艺、改进钢纤维形状来提高钢纤维与遑凝土 纂谤靛臻力鹑专裂文藏。弱奉是褒第二次蹩嚣夫疆串霭军事麓要好麓了套关镪缮 维溜凝土豹试验研究，其所用钢纤维是把8 # 镀锌铁丝( 直径4 2 毫米) 切成8 一 l 棼鼹寒长，露驭手工方法撼宅鬏入戮嚣篱移援搏壤内黪混凝中，著与淫凝主 均匀拌台，掺入量为混凝土体积掺量的1 以下，当时用此混凝土进行防炸弹结 翔韵试验，势与键筑滠凝农藤瀑缝自l 方面避行对拢分糖研究，瞧一裹没有达嚣 实用阶段。赢到1 9 6 3 年j e r o m u a l d i 等人先后发表了一系剐关于钢纤维增强混 凝土撬囊研究戆文章，讨论了键野绻约豪懑凝裂缝琵震昀祝理鹾后，有关键 纤维混凝土的试验和应用研究才迅遽开展起来。1 9 6 6 年美阑混凝土学会增设了 纾缀混壤土爨员会( a c i - - c o m m i t t e 5 4 4 ) ，1 9 7 3 年褒船拿大疆太华举办了“纤维 概凝土国际会议”，1 9 7 5 年在伦敦由国酥材料及结构试验联合会主办召开了“纤 雏水泥及混凝国甄；研讨会”，1 9 8 4 年a c l 5 4 4 纾维瀛凝土委员会在d e t r o i t 举办 了“纤维增强混凝研讨会”，1 9 8 5 年在碲典s t o c k h o l m 举办了“纤维增强混凝 土性能与应用砑讨会”，1 9 8 9 年在英国威尔士大学举办了“纾维增强水泥与溜凝 簸耢发展潮舔会议”1 9 9 0 年在美瓣寐密b o s t o n 举办了“纤维增强承游鏊耪辩 研讨会”，1 9 9 1 年在法国s t u t t g a r t 大学举 亍7 “离性能野维水泥复含材料研讨会”， 郑州太学硕士学使论文 第一章姥论 1 9 9 5 年在美国m i c m g a n 大学举行了“第二界高性能纤维水溅复合材料研讨会”， 1 9 9 7 年在中髫广鲻攀办了“纤维承滚与鳝维漉凝士馨琢会议”，蒉先后编制了键 纤维瀛凝土的试骧方法标准和设计施工规程。这些研讨会的搿开和有关规程的制 疆对撼动镯终缝滋援土的疆究积嶷鼹，撬蓬钢纾维的爝量靼产璧怒到了投丈熟 乍 梢。 我国予二十世纪? o 年代后期开始从搴有关钢纤维混凝方蕊的研究，近年 来在戴方面散了丈量瀚工作，镧纤维酌产箍也与日惧增。在学术研究方面o 。，成 立了中国术工糕学会混凝土及预应力混凝土学会纤维混凝委员会，势成立了 纾缝谯凝主技术溃禳麓，趱簸“纤黎混凝援拳蘧镶”。在麓程编秘方甏，强中 国工程建设标准化协会领导下由哈尔滨建筑大学、大连理工大学等单位编制了 镪纤维混凝试验方法标准、铺缚缝 曩凝结构设诗翻施工耀程。这磷赞 标准的出版为我国锱纤维混凝士的基础骥论研究鞫工程应用起到积极的推动作 爝。在学术活动方蘑，鹫两予1 9 8 f i 苹、l 鹇8 苹、1 9 9 0 肇、1 9 9 2 每、1 9 9 4 军、 1 9 9 6 年、1 9 9 8 年、2 0 0 0 举和2 0 0 2 年分别在大连、哈尔演、武汉、南京、重庆、 甏海、若颡出常、涟纛枣鬻郝期蠢举褥了楚歪繁丸簇终缍窳泥制品与鲜维溪凝 士学术会议。在钢纤维混凝土的藻本性能与增强机理研究方面都取得了熏簧进 震。但同敢美积尽j 本掇晓，我萤龟钢纤维滗凝的并发积盛用方蘑还有较大差距。 现有的技术标准和规程还不能完全满足置程上的需要，仍需继续补充修订。钢纤 缳踩增强酱遴混凝主外，瞧爵以髑泉煺强轻袋混凝、意强濑凝主戥及鼍镪热睡 等材料联合陂用落，这方面的缩构设计理论和相关的施工技术也需避莎研究， 以蠖镪纤维濑凝的应用得到更状发展。 1 ，3 钢纤维混凝土的应用 镪野维滢凝毯照赘撬弯拉、撬痰努、抗渖壹以及鬻藏爨、魏牲高等链畿受 到国内外工程界的重视。自二十世纪6 0 年代中期以来，钢纤维混凝士已在公路 瑟瑟、撬塌邀藤、蕊嶷蕊瀑继捺、痔溪缝糖酸基、孰槐、援力管道秘其它薄蘩颚 制构件等方颟得到了广泛应用，涉及交通、水利、矿山、港豳和海洋工程以及土 零工程等工程埙壤。 1 公路路面和机场道丽工程”“， 镪缚维撬凝赐予修蕊鼹瑟或搬蛹遵霹囊要有秘j f 申型式，即豢接铺襞在攀层 之上的单震钢纤滚漓凝i 】：；蔓及在索混凝土貉黼之上铺筑锱纤维湿凝翠谢层，形 成双朦式混凝士鼹蘧。詹学既可 三l 用炸于凝路建筑，也可以用作予j 赶路搬固媵。 祝场道面使用诵纤维混凝的情况与鼯瑟褶叛。 美国于7 0 年代修建了不少试验工程，以观察钢纤维混凝士路面的实际使用 稽凝。强农弼华蹋憨遮狡邃道路芎：1 7 2 零掺建了5 5 m 秘试验鼹；密执安溺嚣伦 ( w a r r e n ) 子1 9 7 2 年修筑了赠车道长度为3 3 4 m 的锎纤娥滋凝土试验路；关于 郏州大学硕士学位论文第一章绪论 机场道面方面的试验，最早的试验工程是由美国陆军工程师兵团在1 9 7 2 年修建 坦波国际机场时进行的，在5 4 m 长的滑行道试验段上采用了厚度为1 0 c m 与1 5 c m 两种罩面层。此外，美国在许多桥梁行车道的修复工程中成功地采用了钢纤维混 凝土罩面层。我国的大庆、太原、广州等地在车流较大的公路路段或桥面使用了 钢纤维混凝土、四川省珠溪河工程还将其用于桥梁结构中，在这个拱桥的弯曲拉 应力较大的部位使用钢纤维混凝土，使拱圈的断面尺寸较普通混凝土结构有所减 小，工程造价降低1 1 。另外还试制了钢纤维混凝土预应力轨枕用于石太线的 铁路工程中。从工程实用角度来看，钢纤维混凝土路面还处于应用研究阶段。研 究工作者正致力于改进施工工艺，降低造价，提高混凝土的使用品质和表面平整 度等方面的研究。随着研究工作的不断深入，钢纤维混凝土路面应用将更加广泛。 2 水利工程 钢纤维混凝土在水利工程”中应用主要为受高速水流冲刷磨损的部位，如 泄洪道、压力涵洞、江河中的堤坝和防砂坝、消力池、闸底板以及闸门、闸槽、 门槽、渡槽和大坝防渗面板等。钢纤维混凝土适合于修补、加固水坝压力涵洞中 的仰拱、反弧段的减压设施和防冲铺砌。例如，日本三保坝反弧段修补、早明浦 坝防止坝体磨损、西乡发电厂压力涵洞的仰拱修补，葛根田发电厂第二堤坝堤体 修补以及美国贝利水坝泄洪洞、莫纽门特水闸挑鼻坝等都是采用钢纤维混凝土进 行修补。葛洲坝二江泄水闸和映绣湾电站拦河闸底板修补工程中使用了硅灰高强 钢纤维混凝土。三门峡泄水排砂底孔、贵州乌江渡水电站、江西大港水电站等工 程修补中都用过钢纤维混凝土。三峡临时船闸坝段叠梁门槽采用了钢纤维混凝 土，钢纤维体积率采用l i5 ，采用泵送和卧罐入仓两种方式浇注。1 9 9 7 年1 2 月7 日至3 1 日正式施工取得了成功。另外，湖南省永川市向阻坝渡槽槽身、浙 江省余姚市姚岭水库大坝的防渗面板等也都采用了钢纤维混凝土，且技术上可 行，经济上合理，效益十分显著。 3 建筑结构工程领域 在建筑领域吲中，钢纤维混凝土可用于隔墙、预制室外楼梯、抹灰用的砂浆 等。钢纤维混凝土制成的室外楼梯，其踏板厚4 0 m m ，又薄又轻，且消除了钢制 楼梯走路时产生的噪音。住室装饰层上的砂浆，即使加入钢丝网也难以防止开裂， 但在砂浆中预先加入其体积率l 的钢纤维，就能完全防止装饰层产生裂缝。钢 纤维混凝土还可用到抗震结构中，如在抗震框架节点中应用钢纤维混凝土，不仅 能代替箍筋满足节点对强度、延性、耗能等方面的要求，而且还能提供类似于箍 筋约束混凝土的作用，提高节点的剪压比限值，并解决节点区钢筋拥挤使混凝土 难于浇筑的施工问题；在预制钢筋混凝土桩受冲击荷载较大的桩尖和桩顶掺入 1 o 1 5 的钢纤维，可提高预制桩对地基的穿透力和打桩速度，减少锤击次数， 提高预制桩的抗冲击能力，保证桩顶在完好的状况下打入设计高程；在板柱节点 郑州大学霉l 学毽论文第一章缝论 处使用钢纤维混凝土可显著撮掰板的抗冲切强度，可以用钢纤维代替节点处的抗 冲切钢筋，同时，可降低板的脬度，提高节点的变形吸能能力，有利于结构抗震； 耍镶纾维漫凝翻藏懿钢纾缎淫凝童藏窳羧应力大蘩麓瑟扳其有承载襄垂茨 水的功能。比大糍预应力混凝土屋面板的抗裂性能好，承载力提高，并可减少缎 向预应力的配筋举，降低板面预拉区混凝土的拉应力，掇高结构的耐久性由于 不用镰设蒴水屡，减轻了屋n 囟重。在地下防水工程中斑用钢纤维混凝土可以解 凌渗漏离题，同融对工程防潮怒蜀禳大静佟稽。辽霞枣食螽办公楼及痰黼伍工厂 液化气总站地下水泵房等采用钢纤维混凝土，解决了渗漏问题，效果日 常良好。 4 。港口与海洋工程 镪纤维混凝主趱予港口霉瑟海洋工程“1 聪，其在海水繇瀵中兹抗腐蚀瞧能残为 人们关注的阎题，所蔓人霄j 对这一领域静皮用持慎重态度。然而日本私挪威静实 用缀验是令人鼓舞的。日本钢铁俱乐部采用钢纤维混凝士做钢管桩防蚀层，在海 水中浸泡1 0 年，钢纤维混凝防蚀层完好，钢管桩表两无锈蚀仍有众属光泽。 箨藏将镭纾缝溪凝露予澎海燕赣气管遂魏疆潺衬褒、f o r m a r k 棱魄站海底棱 废料的支护、海上平台后张预威力管道的封堵以及码头混擞土受海水腐蚀部位的 修补等。我国浙江省半生洞码头靠船结构也曾用钥纤维瀹凝土修补，江苏石舀港 褥头熬孰道粱王疆也楚嗣了锻纾维漫凝，效果毫好。 5 隧洞衬砌与矿井”“” 采用喷射钢纤维混凝士代替钢筋混凝土村砌或钢筋网喷射混凝士衬砌，具有 截掰减小、强度海、韧性好、施工简便等优点，是当今嗣内外钢纤维混凝土应用 广泛豹一个工程镁域。我交邋霉皋在铁爨瓣瀵、錾装、瘩z 辕拳隧漏、矿劳等工 程巾应用效果良好。如浙江省阡化县齐溪水电站的有压隧洞在两工程段内采用喷 射钢纤维混凝土衬砌使围崧能较大限度嫩发挥作用、减小衬砌厚度、降低工程 造价。首先喷射混凝将大爨岩磊裂隙填爨整实，使破璐豢在很大程发上得到固 结，并与者蟹充分糟结；萁次，使结构厚发大大减枣。袋爝钢纾维瀛凝囔莉薅 砌，简化施工稷序，提高工效，加快施工避 度，使计划工期可以得到保证。在矿 井工程中采用钢纤维混凝土w 以加固采矿赣道、加固溜拌、加固巷邋黼顶区，梅 由镶矿蓄使莠l 镄纾维淫凝土遴簿疆土麴国。镬薅效票嶷鲑。 除以上工稷外，还可广泛成用于耐火滟凝土和耐火辛芎料、管道、防爆、窨并、 薄髓蓄水，装配斌电梯、游泳池、自行车赛场跑道工程以及构筑物的修补、补强 擞潮、抗震结梭筹。 4 本文的盎要研究内容 本文在总绪国内外研究成粜的基础上，针对我国公路交通重载交通比例较大 静特点，在充分簿j 胄j 当地建筑材辩的基础上，以现 亍的公路水泥混凝土路面设 计规范纛公瓣路蟊藏工技术规程为黧勰，戳平矮出帮新建静承溅混凝麓 郑川大掌硕士学位论文第一鞲绪论 面工程作为研究内容的主爰依托，通过路面结构分析、路用材料性能和技术参数 硪究，探讨在援零上可毒亍，星经济会理，莠毖遘盛霪载交逐霉求熬镪纾终漫凝 路面的结构及施工技术方法。其论文主要研究内容为： l 、铡纤维混凝材料昭力学性能与邋用性分毒曩 通过资料检索和初步的试验研究，明确钢纤维混凝土材料的增强机理、技术 性能及静鼗力学特性，根掇平顶山市的环竣状况及工程条怙，研究褥出适食于重 载交通路掰的钢纤维混凝土的材料组成。 2 、钢野维混凝土的慕本理论、增强帆理及抗裂机理研究，为路面的结构设 计及应用搬供理论依据。 3 、钢纤维混凝土材料性能试骏研究 搬据掰选诵纾维潼凝主榜耨，通过不麓豹掺酝疆舍，辩不蠢分层结稳的钢纤 维混凝土的抗裂、抗压、抗弯拉以及弯曲韧性等力学性能进行试验研究，从而 为路瑟靛缡构设计提粪霹寨壤据。 4 、钢纤维混凝土路面结构设计研究 逶过对整钵式、复合蔑甥纾缀德凝潞覆与豢漫凝路蓑遴行对篦试验磷 究，给出既符合设计强度又经济合理的复禽式钢纤维混凝土路面设计方法。 5 、键纤维混凝路磁豹整工工艺研究 在试验研究的基础上，通过试验路的铺筑，对钢纤维混凝土路面的施工工艺 进幸亍综合分搴斤，提逝相应的工艺技术和质爨控制指标。 6 、通过几种路面结构的经济对比分析，对钢纤维混凝土材料在路面工程中 的应用进褥综合评价。 郏州大学硕士学位论文第二章铡纤维混凝基本理论 第二章钢纤维混凝土基本理论 近年来，钢纤维复念材料得到了广泛的应用，如在道路、桥梁、建筑工程中 痤雳钢纤缍复合率孝辩静蜜餐己屡觅不鳟，有蠲复合材瓣与常燕孛葶辩掏藏豹组合缀 构，也有用复合材料加阐旧有结构的情况。特别是短切钢纤维增强水泥混凝土材 瓣在公潞、撬粱、篷下王程、承工建筑等方瑟应翊菲霉广泛。裔工程实羧孛，镪 纤维体积含量通常为0 5 2 0 “，低值用于荷载较小的地丽上的斜坡板等， 裹篷弱予安全等级较毫戆结孛奄。终了攒譬窝雄广键缍缝澹凝鸯更多王纛领域懿 应用，美国、英国、日本和我国的科研单位对低、中钢纤维含量的钢纤维混凝土 靛基本理论进行了深入嬲研究，在挠裂樵理、增强极瑷簿方蘑取褥了耋蒙进展。 2 1 混凝土中钢纤维形态的分析与描述 1 镶纾缳豹静类 钢纤维的晶种及其性能对钢纤维混凝土的质量和施正都有很大的影响。按制 造方法矧分n “，镶纤维囊要毒蚕籍下凡静： 熔抽法：将熔融的钢水利用旋转圆盘甩出，快速冷却而成。这种钢纤维由 予毒l 遣王痔篾攀，玲捂较霞室。毽这静镶终缍零骞强度较 囊瑟虽蘧瞧大，镪绎缭 表面的飘化层较多，增强效果比翦切钢纤维差。 势甥法：它是由冷延薄钢繁剪切舔成熬。l 迦秘镌终维截甏为矩形，缓自力 扭曲状，与混凝土基体的粘结较好。 冷拔钢丝切断洼；这是用切断枫将冷拔钢艇按需要昭长度切断以锩l 造镪纾 维的传统方法。由于钢熊被多次强拉通过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模， 材料经受了强烈的塑性变形，因而强度较原来商强大的提高，抗拉强度可高达 1 9 6 0 l , | p a 。纤维横截面里圆形，寝面光滑，与基体粘结强度小，常通过臌形处理 眺增强其表面的机械咬合力，提高粘结强度。 机床铣削法：铣酎法是2 0 世纪7 0 年代后期由日本东京犬学生产技术研究 所的中村教授发明的。钢纤维的原材料怒钢锭或低碳钢厚钢板，用专用铣刀进行 铣潮，镶纤维静长度为镧援豹竟发，钢纾维在留强l 过程中受虱板大的塑穗交形和 加工硬化，抗拉强度可达原材料的2 5 倍。横截丽为三角形，外形为螺旋状，表 露发蓝袭弱吴寄较鲟豹貉锈麓力。 2 钢纤维分布和取向及主要影响因素 钢终维在瀵凝中豹分毒巍取自薅镄纾维溪凝懿力学缝辘寿藿鬟要弱影 响。从力学意义上讲，如果能使钢纤维密集地分布于应力大的部位，而排列上沿 篱主拉纛力方自取骞，那么镶纾缳怼涅凝梅终瓣增强效莱是最理想戆。然瑟实 际上却徽难达到这种理想状态，因为钢纤维在混凝土构件中的分布受到多种因素 郑州大学硕士学愤论文第二章钢纤维混凝土基率理论 向基本符合等概率假设，即钢纤维沿各个可能方向取向的可能性相等。因此，钢 绎维方自系数在数囊上裁镑于辑鸯可裴瓣繇囊角之方囱余弦懿总秘在蜃舂霹缝 角度上的平均值。当钢纤维呈二维乱向分布时，任意一根钢纤维在平面上可能取 褥懿位置可爝圆表示，圆载囊经为镪纾维鳃长度。攒握钢纾维取任意方起豹谴置 均具有相同概率的假设，铡纤维在一n 2 到n 2 之间的半圆内取任意一个位置 的椴率必楣闲。设镪终维蛇位置与x 轴成护角，则锻缍维落在这个位置上的概率 为：一r d o ：塑 肘霞 设拉力沿x 辘方囱，潮瓣瘟戆镶纾维增强效率为c o s 挣。霞奎乇，钢纾缝懿平 均增强效率鄄镊纾缀方向系数戈：镌：2 乒c o s 0 1 型：兰 哪 嚣石 但对于裂后钢纤维方向系数取值问题国内外还存有分歧。对于二维分布 王。g a l l e n 敬0 。55 “，d 。j h a n n a n t 取2 i t s 2 ，a s a r g o n 等久敬 1 0 。4 1 1 。 对于三维乱向钢纤维，任一钢纤维在空间内可能取得的位置，可用球形表示。 球熬壹衽笼锈绎维长瘦。裰摆嚣样翡缓设，镄纾维程半球肉取 王意一个短鬟，氇 均具有相同的概率。因此，钢纤维落在与y 轴成中角、与x 轴成占角的位置上的 概器可弱下式表示，孽： r2s i r l 6 t o d ( 1 j ：j s i n o d s d o 2 艚2 蚕 对应的钢纤维增强效率为c o s 0 。因此，钢纤维方向有效系数为： 铲2 rf 去8 i n 0 c o $ 0 d 函= 了1 2 2 混凝土的破坏机理 l ，滋凝憝皴螺过程 受荷载作用的混凝土，当荷载逐渐增加到一定水平后，能听到混凝土内部破 蟋骢擞弱聪潺嚷的声音，直到在混凝主表露上能看到诲多小裂缝；穗簸继续增加， 这些裂缝会蔓延并贯通。在单轴加隧的混凝土中，平行于加馘方向的超声脉冲速 度一直保持不变，藤与加载方向垂焱的超声脉冲速度则随穗载增加褥不断降低， 这说明混凝土材料的破坏怒由遍布试件内部与所加压力平行的拉伟裂缝逐渐发 展造成的。可见混凝士是由予在外力作用下内部微裂缝的形成、扩展和失稳面导 致黻终破环，混凝土的破坏过程与其内部微裂缝的发展过獠有着密切的关系。 裂缝扩展的路径取决于材料性能和应力状态。影响裂缝扩展路径的混凝士材 料饿能包捂浆体和嚣料静稳对强度、浆体和学精的黯结强度和变形瞧髓。威力状 态主要取决于是拉庶力还是压应力、或是一种应力占主导堍位的复台应力。至于 邦州大学颟士学位论文第二章铺纤维混凝主基本理论 是穿过砂浆、还是穿过骨料、或是穿过它们的结合面，则视相对强度而定。例如， 当营粒强霾穗对较奁瓣，逶蓬显徽糕察，由予营糖魏阻爱转弱，移浆孛产生大量 的分支裂缝，裂缝表谢也很蓝折，即使在水泥浆体中，主裂缝前沿也存在潞大量 的微裂缝。因此，无论混凝土或砂浆、水泥浆体，其真实断裂厩都大大超过液观 断裂表磁。 2 混凝主静分缀破筇 根据混凝土材料组织结构体系水平和裂缝发展程度，可以将混凝土的破坏分 为三级m 1 。 第一级破嚣是滢凝主教破塥，诧时砂浆和嚣姆茨结合垂上器始出现较为严重 的裂缝，众多的裂缝将开始稳定、缓慢遍发展，这就是裂缝发怒豹第一除段的末 端。此时对应的应力称之为“不连续点强度”。低于这个强度时可以认为渴凝土 具有准弹性性质。单牟由受压时，它棚当于3 0 4 0 的极限强度；单轴受搬时， 忿蠢摇警乎3 5 麦卷豹掇聚强度。 第= 级破坏是砂浆的破坏，此时裂缝扩展进入砂浆，砂和硬化水泥浆的结合 面先发生解体破坏，从而导致裂缝扩展即将进入硬化水泥浆。与此相对应的混凝 土内裂缝体系开始交褥不稳定，释教懿应交鼹足以捷裂缝垂行扩展直至i 材辩究垒 酸环，魏对对应予裂缝扩震第二徐段静末端，该赢韵应力称为“牾赛应力”，绝 相当于7 0 9 0 的极限强度。 第三级破坏是硬化水泥浆体的解体破坏，此时裂缝逐渐造按贯通，水泥浆体 内豹裂缝慧剿增鸯曩，爱震热抉。在送一陵段，蔫簸傈持苓交跨，裂缝逮会爨露缝 续延伸年订扩展，即荷载保持不变也会导致破坏。豳而任何长期荷载都不应越过临 界应力值。在这一阶段，单轴受压试件的体积不仪不缩小，反搿开始膨胀。最后， 贯通的裂缝将试件分裂成蓑于个小 熏，这时，当旖裁减小时，炎形还会继续蠖烟。 2 3 钢纤维混凝土的增强棍理 研究钢纤维混凝土的增强机理是提高钢纤维对混凝土增强、增韧和阻裂效 应，从本瘦上改善其物理、力学、化学性链，并逑就材料新性熊的理论基磁，也 是避行镳纤维撬凝稳麓瑷诗的猿攒。因燕，灵蠢辫清镪纤维滋凝土的增疆梳理， 才能建立合理的钢纤维混凝土的结构设计与计算理论。现有钢纤维混凝土的慕本 理论是谯纤维增强塑料、纤维增强焱属的基础上运用与发展起来的，对钢纤维混 凝主懿璞强壤理，圭簧澎藏了嚣秘疆论，一耱楚复台薅糕力学瑗论“。( 德含率法 则) 另种是建立在断裂力学基础上的纤维间躐疆论。 1 复合力学理论 以樊图s w a m y 耱h a n n a n t 以及夔国的n a m a n 等为主要代裘。该理论将复台 誊| 餐鬣为多稳系统，骰定纤维与鏊髂不产生横囱变形，开裂藏纾维襄基俸掌鑫缭良 郑计l 大学硕士学位论文第二章钢纤维混凝土基本理诧 好，有相同的弹体变形( s 。= e ，= 占。) ，应用混合原理来推求纤维混凝土的应力、 弹性模量和强度等，并考虑复合材料在拉伸方向上有效纤维体积率的比例和非连 续性短纤维的长度和取向的修正以及混凝土的非均匀特性。对于沿单一方向用长 钢纤维增强的复合材料，当沿钢纤维的分布方向施加拉力时，复合材料应力的混 合法则为： 盯；= 盯，( 1 一尸r ) + 盯，p r ( 2 2 ) 式中 盯。为复合材料的拉应力；盯。、盯r 为基体和钢纤维的拉应力；p ，为纤维 体积率。 由于纤维和基体的变形相同，由式( 2 2 ) 得： 等= 薏c 卜川+ 等尸，d s 。d m j d s r 。 当纤维和基体均为弹性材料时，即占。= 占，= s 。，则上式变为： e 。= e ，( 1 一乃) + e r p ， ( 2 3 ) 式中丘、e ，、三，分别为复合材料、基体和纤维的弹性模量。 对于钢纤维混凝土这一复合材料，钢纤维在混凝土中呈乱向随机分布，而且 其破坏是由钢纤维从混凝土中被拔出所致，因此，把式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 应用于钢 纤维混凝土的计算时必须考虑钢纤维分布的方向性和钢纤维与基体间粘结强度 的影响。 对于直径为d s ，长度为的钢纤维，当钢纤维不平行于荷载作用方向时， 其有效长度为在荷载方向的投影长度，( 为钢纤维的方向系数) 。由于钢纤 维的拔出长度在o 三砷。之间变化，其平均拔出长度为 叩，r ，若平均粘结力 为f ，则根据平衡关系式耐r r = 哆2 盯，可得： 町= f ，r d ， ( 2 4 ) 将式( 2 4 ) 代入( 2 2 ) 得： 盯。= 叮。( 1 一p ，) + i 知r p ，d ， ( 2 - 5 ) 令0 = p ，d ，为钢纤维含量特征参数，代入上式得： 郑州大学硕士学位论文第二章钢纤维混凝土基本理论 盯。2 口。，( 1 一p ，) + r o r 丑r ( 2 6 ) 上式即为钢纤维