一、鋼纖維的基本性質(zhì)
1.鋼纖維的類型及特征參數(shù)
鋼纖維按材質(zhì)分,有普通碳鋼鋼纖維和不銹鋼鋼纖維,其中以普通鋼鋼纖維用量居多;按外形分有長(zhǎng)直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分有圓形、矩形、月牙形及不規(guī)則形;按生產(chǎn)工藝分有切斷型、剪切型、銑削型及熔抽型;按施工用途分有澆筑用鋼纖維和噴射用鋼纖維。
為滿足鋼纖維的增強(qiáng)效果與施工性能,通常采用鋼纖維長(zhǎng)度為15～60mm,直徑或等效直徑為0.3～1.2mm,長(zhǎng)徑比為30～100,纖維的體積摻量為0.5%～2%。
2.鋼纖維的主要性能
鋼纖維的主要性能包括抗拉強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)表明,由于普通鋼纖維混凝土主要是因鋼纖維拔出而破壞,并不是因鋼纖維拉斷而破壞,因此鋼纖維的抗拉強(qiáng)度一般能滿足使用要求,而其與混凝土基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素。黏結(jié)強(qiáng)度除與基體的性能有關(guān)外,就鋼纖維本身而言,與鋼纖維的外形和截面形狀有關(guān)。

二、鋼纖維混凝土的基本性能
國內(nèi)外對(duì)鋼纖維的作用機(jī)理和鋼纖維混凝土的基本性能做了大量的研究,現(xiàn)歸納如下:
鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展。在受荷(拉、彎)初期,水泥基料與纖維共同承受外力,當(dāng)混凝土開裂后,橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優(yōu)越的物理和力學(xué)性能。
1.強(qiáng)度和重量比值增大
   這是鋼纖維混凝土具有優(yōu)越經(jīng)濟(jì)性的重要標(biāo)志。
2.具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強(qiáng)度
   在混凝土中摻入適量鋼纖維,其抗拉強(qiáng)度提高25%～50%,抗彎強(qiáng)度提高40%～80%,抗剪強(qiáng)度提高50%～100%。
3.具有卓越的抗沖擊性能
材料抵抗沖擊或震動(dòng)荷載作用的性能,稱為沖擊韌性,在通常的纖維摻量下,沖擊抗壓韌性可提高2～7倍,沖擊抗彎、抗拉等韌性可提高幾倍到幾十倍。
4.收縮性能明顯改善
在通常的纖維摻量下,鋼纖維混凝土較普通混凝土的收縮值降低7%～9%。
5.抗疲勞性能顯著提高
鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能比普通混凝土都有較大改善。當(dāng)摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時(shí),應(yīng)力比為0.68,而普通混凝土僅為0.51;當(dāng)摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達(dá)2×106次時(shí),應(yīng)力比為0.92,而普通混凝土僅為0.56。
6.耐久性能顯著提高
鋼纖維混凝土除抗?jié)B性能與普通混凝土相比沒有明顯變化外,由于鋼纖維混凝土抗裂性、整體性好,因而耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性均有顯著提高。摻有1.5%的鋼纖維混凝土經(jīng)150次凍融循環(huán),其抗壓和抗彎強(qiáng)度下降約20%,而其他條件相同的普通混凝土卻下降60%以上,經(jīng)過200次凍融循環(huán),鋼纖維混凝土試件仍保持完好。摻量為1%、強(qiáng)度等級(jí)為CF35的鋼纖維混凝土耐磨損失比普通混凝土降低30%。摻有2%鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗氣蝕能力較其他條件相同的高強(qiáng)混凝土提高1.4倍。鋼纖維混凝土在空氣、污水和海水中都呈現(xiàn)良好的耐腐蝕性,暴露在污水和海水中5年后的試件碳化深度小于5mm,只有表層的鋼纖維產(chǎn)生銹斑,內(nèi)部鋼纖維未銹蝕,不像普通鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕后,銹蝕層體積膨脹而將混凝土脹裂。

三、鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)與施工規(guī)程說明
      我國于1996年出版了《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》CECS13:89和《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》CECS38:92,但本規(guī)程只對(duì)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)不同于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的專門要求作出規(guī)定。在進(jìn)行鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工時(shí),尚應(yīng)與《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/T191-96和《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001配合使用。

四、鋼纖維混凝土在水利水電工程中的應(yīng)用
1.支護(hù)工程
鋼纖維混凝土由于抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度高,能承受較大的圍巖和土體的變形作用而保持良好的整體性,因此可用于隧洞支護(hù)、山體護(hù)坡等工程。如浙江省開化縣齊溪水電站有壓隧洞在兩個(gè)工程段內(nèi)采用噴射鋼纖維混凝土襯砌,使圍巖能在較大程度上發(fā)揮作用,減少了襯砌厚度,由原來的鋼筋混凝土襯砌厚度500mm減至鋼纖維混凝土噴襯厚度60mm,省去了鋼筋加工和綁扎工程量,同時(shí)不需立模和回填灌漿,造價(jià)由每延米1175元減至398元,施工工作量減少3/4。工程至今正常運(yùn)行。
2.儲(chǔ)水、防滲、輸水管道工程
鋼纖維混凝土由于抗裂性能好、收縮率低,因而防水、防滲性能較好,可用于低壓輸水管、蓄水池、地下室防滲等工程。而在儲(chǔ)水和防滲結(jié)構(gòu)中鋼纖維混凝土可作防水層,有時(shí)也可兼作結(jié)構(gòu)層代替鋼筋混凝土。如浙江省余姚嶺水庫混凝土壩面多次出現(xiàn)裂縫、下游面局部出現(xiàn)滲水,在混凝土面層采用噴射鋼纖維混凝土,厚度50mm,達(dá)到了防滲效果,與高頻振蕩鋼絲網(wǎng)水泥砂漿防滲面板相比,具有工藝簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
3.高速水流沖刷磨損部位
鋼纖維混凝土具有較高的抗沖磨、抗氣蝕能力,因此可用于溢洪道、消力池、閘底板等承受高速水流作用的部位。如:大渡河支流南椏河石棉二級(jí)電站,該電站是引水式徑流電站,1965年建成發(fā)電。當(dāng)年汛期后,沖砂閘底板和護(hù)坦被沖成深槽,最深處達(dá)0.7m,埋設(shè)的28mm鋼筋全部磨斷,1968年和1969年先后兩次用輝綠巖鑄石板、環(huán)氧混凝土、呋喃混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固對(duì)比試驗(yàn),除環(huán)氧混凝土在一個(gè)汛期內(nèi)磨損10～50mm外(后來也被沖毀了),其余材料不到一個(gè)汛期全部被砸碎沖掉。1977年在毀壞處采用硅錳渣鑄石板、改性環(huán)氧砂漿、膠乳水泥砂漿、MC尼龍板、高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土等材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn),結(jié)果表明鋼纖維混凝土是較好的抗沖耐磨材料。
4.處于腐蝕環(huán)境中的構(gòu)件
鋼纖維混凝土具有良好的耐腐蝕性能,可用于海水等腐蝕環(huán)境中的閘門、輸水管道等構(gòu)件的防蝕層或結(jié)構(gòu)層。
5.動(dòng)力荷載作用部位和抗震結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)
由于鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞等性能,因此,可用于承受動(dòng)力荷載的機(jī)墩、抗震結(jié)構(gòu)的框架節(jié)點(diǎn)等部位。
6.復(fù)雜應(yīng)力部位
鋼纖維混凝土中的鋼纖維一般呈三維亂向分布,沿每個(gè)方向都有增強(qiáng)和增韌作用。鋼纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力區(qū)增強(qiáng)是非常有利的,而且容易澆筑成型,比鋼筋更能適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。此外,鋼纖維限制混凝土裂縫的作用也是鋼筋不能相比的。因此,可用于大壩內(nèi)廊道、泄水孔等孔口復(fù)雜應(yīng)力區(qū)和牛腿等受彎構(gòu)件的抗剪以及板的抗沖切部位等。
7.部分應(yīng)用鋼纖維混凝土的水利水電工程
浙江省淳安縣河村水庫泄洪洞支護(hù),浙江省文成縣百丈際水電站引水隧洞、葛洲壩二江泄水閘、三門峽泄水排砂底孔、貴州烏江渡水電站、江西大港水電站的工程修補(bǔ),湖南省永川市向阻壩渡槽局部槽身加強(qiáng),浙江省玉環(huán)縣四海閘閘槽二期,三峽臨時(shí)船閘閘槽二期,杭州市德勝壩閘門門體等。鋼纖維混凝土在以上工程應(yīng)用均取得良好效果。