矿山工程建筑结构钢纤维混凝土的应用探析

张熙

长沙矿冶研究院有限责任公司 湖南长沙 410000

近几年我国的经济发展非常迅猛，经济总量在不断的增长，建筑业也呈现出了非常光明的发展前景。我国国内大量的矿山工程，普遍都有建设大量的生产车间之类的建构筑物。这些建构筑物在进行建设时，由于地理位置上较为偏远，并且大部分都是露天作业，施工环境较为恶劣；矿山投产使用后，比如，在生产车间中的一些重要设备平台，由于其长时间的承受设备的振动荷载，导致其钢筋混凝土结构出现开裂、钢筋保护层剥离等现象；又例如车间内大量的粉尘、腐蚀性气体、液体介质的环境，对混凝土的耐久性都提出了更高的要求。这些不利因素都影响着建构筑物使用寿命。可以从改善建筑材料的特性这方面入手，在有限的环境当中选择更为合适的建筑材料，以提高建构筑物的使用寿命。

1 钢纤维混凝土的基本含义和基本构成

1.1 钢纤维混凝土的基本含义

钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简写为SFRC）是在普通混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。它是近些年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。

本研究首先将概括材料的基本含义和特征，钢纤维混凝土，在学术理论上，称为纤维增强混凝土，是一种复合材料，以水泥净浆、砂浆等作为基材，将短纤维和长纤维增强材料所组成的水泥基复合材料，短纤维是非连续的，长纤维则是连续的。在每一个单位面积的纤维混凝土中，会混合着数以万计的纤维，这些纤维可以遍布到材料中的各个部分，则会使得整体材料呈现出延性大的匀质材料特征。

1.2 钢纤维混凝土的基本构成

钢纤维混凝土是在混凝土当中，适量的加入钢纤维。钢纤维加入到拌合物当中则会改善材料的力学性能，分别为以下几个方面：抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能等。之所以能够在上述的几个方面当中提升性能，原因是由于加入了钢纤维之后，混凝土当中的钢纤维均匀分布，极大的扩宽了混凝土和钢纤维之间的接触面，接触面积的增大使得其具有各项同性的增强，并且让混凝土在各个方向上都可以得到强度的增大，所以其作为一种复合材料可以很好的提升韧性和抗冲击性。不同于普通的钢筋混凝土，参入的钢纤维的体积率和长径比一定程度上影响了其与混凝土的粘结强度，因此其抗拉和抗弯强度表现也不同。

2 钢纤维混凝土应用的作用机制探讨

2.1 钢纤维与混凝土的粘结性能

钢纤维与基体界面的粘结程度直接影响着纤维能否发挥其作用，如果粘结程度不强，则会导致钢纤维混凝土不能有效提高性能，如果粘结程度较高，通过两者的相邻界面传递给纤维，使得钢纤维混凝土能够起到增强抗弯性和抗冲击性作用。

目前采用试验方法来研究钢纤维与混凝土结构之间的粘结强度，试验方法为直接拉拔法。采用“8”字形试件制作模具，在试件的中部放置厚度为0.5-1mm 的塑料隔板，隔板上开4 个孔放置钢纤维，钢纤维间距为15mm，每组5 个试件。养护28 天后，在液压伺服试验机上做拔出试验。对试件连续均匀的加载，同时记录位移-荷载曲线，直到钢纤维完全拔出时结束。

混凝土基体与钢纤维的界面粘结强度的定义是：基体界面与钢纤维之间，沿纤维径向的单位面积的粘结力，其公式为：

各符号定义分别为：

ffu-钢纤维与混凝土界面粘接强度（Mpa）；

Ffu-钢纤维拔出时的最大荷载（N）；

n-钢纤维的埋入数量；

uf-钢纤维横截面周长（mm）；

lfe-钢纤维的埋入长度（mm）。

2.2 各类型钢纤维混凝土抗拉强度

为了防止钢纤维不被拉断，防止钢纤维混凝土不被遭到破坏，就需要不断的提高强度和韧性，将不会轻易断裂的钢材作为备选材料，其具备的纤维则可以在一定程度上满足结构要求，在各类的钢纤维当中，抗拉强度由强到弱进行相应排序，依次分别为切断钢纤维，剪切钢纤维，切削钢纤维，熔融抽丝钢纤维，其中切断钢纤维的抗拉强度为2350MPa。

3 钢纤维在混凝土发挥作用的影响因素

根据国标《钢纤维混凝土JG/T472-2015》，给出了钢纤维混凝土轴心抗拉强度标准值的计算公式：

及钢纤维混凝土弯拉强度标准值的计算公式：

3.1 钢纤维混凝土中纤维的纤维配向对其力学性能的影响

纤维混凝土其具有的抗拉强度，与所用纤维和混凝土的分布相关。既要选用抗拉强度高的纤维，也要选择在分布和配向上于混凝土相一致的纤维。在对于纤维配筋的方面，首先我们需要考虑钢纤维的在混凝土中的分布情况，这种方式主要是注重配向，另一方面则是按照受力的方向进行定向分布。在纤维的配向系数上，一维配向的系数在应力与纤维方向相互平行的情况下是100%，在相互垂直的情况下是0；二维配向平面分散的情况下系数是63.7%；三维配向钢纤维体积分散，则系数约40.5%。可以看出，三维要比二维效果要缩减，也就是平面分散的要比体积分散效果好。

3.2 钢纤维的长度和粗细程度对其力学性能的影响

进一步分析钢纤维的长度和直径，对钢纤维混凝土性能的影响。参照之前的公式（3），钢纤维的 ff dl / （长径比）是与钢纤维混凝土的强度成正比的，钢纤维长径比增大则SFRC 的抗拉及抗弯强度均增大。但是这种增长是有极限的[3]，随纤维长度或者直径的提高，钢纤维砼的抗拉强度逐渐降低，但还是显著高于素混凝土。建议在混凝土中掺入直径0.4mm、长径比100 左右的钢纤维，此时混凝土的抗弯强度较大，韧性好。

3.3 钢纤维的在混凝土中的体积率对其力学性能的影响

国标《钢纤维混凝土JG/T472-2015》规定钢纤维体积率不应小于0.35%，参照之前的公式（3），钢纤维的体积率 fρ 是与钢纤维混凝土的强度成正比的，钢纤维体积率增大则SFRC 的抗拉及抗弯强度均增大[4]。添加钢纤维到混凝土中，砼的劈裂抗压强度会有显著的增加，当 fρ =1.5%时，能够比同等级普通混凝土提升约33%。但是之后再提高其体积率，提升的效果不再如此明显。

4 矿山工程钢纤维混凝土的实际应用情况

我国在钢纤维增强混凝土实践和研究当中，经过了技术的改进，积累了一定的实践经验，现有的产品抗弯曲承载力已经达到了16MPa，抗压为105MPa 左右。

在实际的材料运用当中，钢纤维混凝土常用做道路铺设，飞机跑道建设，火车隧道铺设等大型工程方面；在矿山工程的相关生产建构筑物中，主要应用在如牛腿，仓筒结构，水池、重要设备平台的梁柱节点，带振动筛的钢筋砼平台、承受冲击荷载的矿仓或者需要验算疲劳的吊车梁等，都可以运用到钢纤维混凝土，可以在最大程度上阻碍混凝土的内部和外部的裂缝扩展，提高其耐久性。这说明钢纤维混凝土应用非常广泛，并具有重要的地位。

位于湖北省大冶市的某铁选矿厂的粗碎-筛分车间，建于20世纪80 年代，原设计车间内有一矿仓的有效容积约为101m³，高度约为5.65m。其粗碎车间的矿仓的内壁由于常年承受铁矿石的冲击作用，内壁混凝土表面出现了明显裂缝及露筋，若不及时修补势必影响今后的安全及使用。鉴于矿仓内壁铺装损毁严重，为了延长其使用寿命，必须对其进行加固维修。

传统的加固修补方法为，凿毛矿仓内壁表面的混凝土并重新铺装一层130mm 厚的普通钢筋混凝土，并在新铺装混凝土内壁所有表面每隔300mm 左右预埋通长的-100x10mm 厚钢板，再在其上面焊接22kg/m 的轨道，以达到抵抗矿石的冲击和耐摩的作用。传统的方法缺点主要是成本较高，施工比较麻烦，工序较多，有大量焊接作业，需要做预埋件，这样导致施工周期较长，更重要的是影响选厂的正常生产工作。

于是采取了铺装一层CF40 强度钢纤维混凝土加固维修的方法。对原矿仓内壁表面的混凝土进行凿毛处理，不损害原来仓内的钢筋，清洗干净后，在内壁重新铺装一层CF40 强度钢纤维砼，厚度为120mm，施工工艺为喷射钢纤维混凝土。该方法施工工序简单，避免了预埋及焊接作业，节约了成本及工期，仅用3 天就完成了全部施工过程。经过计算校核该部分新增荷载，表明其对原结构梁柱基础不产生影响。该钢纤维混凝土采用C40强度混凝土并参入1.5%含量钢纤维，钢纤维品种为高强钢丝切断型，外形为端勾形。在施工过程中进行现场取样，经过28 天的养护，测出其抗折强度比同等级的普通混凝土提高了38.91%，抗压强度提高了7.93%。经过接近一年的对该矿仓内壁的记录和调查，并无发现新增钢纤维砼面层的明显的开裂、摩损现象。目前已经使用了约4 年，产生了良好经济效果和使用效果。

5 结语

综上所述，我们可以看出，钢纤维混凝土其与普通的混凝土相比，性能有了明显的的提高。钢纤维混凝土的抗拉，抗弯和抗剪等强度有显著提高，同时还具有较好的抗冲击韧性，抗疲劳性及耐久性.钢纤维在混凝土中发挥的作用主要有以下三个方面：阻裂，增强，增韧。所以，在矿山工程钢纤维混凝土的应用问题非常重要，优质的钢纤维混凝土有利于提高矿山工程中建筑结构的的耐久性和使用寿命。但是在现阶段的实际运用当中，钢纤维混凝土配合比成为应用的主要难题之一，要实现钢纤维在混凝土中的增强效果，一是提高钢纤维的长径比，二是提高钢纤维与基体之间的粘结强度。但是长径比过大，钢纤维混凝土的施工性能就变得非常差，商品混凝土和易性降低，还会产生纤维结球现象，破坏拌合物的均匀性，进而影响钢纤维混凝土的性能。所以，钢纤维混凝土的生产和使用，既需要相关的专业理论，又需要相关成熟的生产施工工艺。如何完善矿山工程建筑结构钢纤维混凝土的应用体系和相关行业标准，也是值得研究的课题。