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因制取方法的不同鋼纖維的性能有很大不同,如冷拔鋼絲拉伸強(qiáng)度為380-3000MPa、冷軋帶鋼剪切法拉伸強(qiáng)度為600-900MPa、鋼錠銑削法為700MPa;鋼水冷凝法雖為380MPa,但是適合生產(chǎn)耐熱纖維。

為增強(qiáng)砂漿或混凝土而加入的、長(zhǎng)度和直徑在一定范圍內(nèi)的細(xì)鋼絲。常用截面為圓形的長(zhǎng)直鋼纖維,其長(zhǎng)度為10~60毫米,直徑為0.2~0.6毫米,長(zhǎng)徑比為30~100。為增加纖維和砂漿或混凝土的界面粘結(jié),可選用各種異形的鋼纖維,其截面有矩形、鋸齒形、彎月形的;截面尺寸沿長(zhǎng)度而交替變化的;波形的;圓圈狀的;端部放大的或帶彎鉤的等。當(dāng)使用截面非圓

形的鋼纖維時(shí),可按下式計(jì)算其當(dāng)量直徑(de):

式中a為鋼纖維的實(shí)際截面積。

為使鋼纖維較均勻地分散于砂漿或混凝土中,并增大纖維的長(zhǎng)徑比,可使用由水溶性膠粘結(jié)在一起成集束狀的鋼纖維。鋼纖維可用冷拔鋼絲切斷、薄鋼板剪切、鋼塊或鋼錠銑削以及熔鋼抽紗等方法制造。配制常溫下應(yīng)用的鋼纖維混凝土,可使用低碳鋼纖維;而配制耐火的鋼纖維混凝土,則必須使用不銹鋼纖維。砂漿或混凝土中摻加適量的鋼纖維,可提高其抗拉、抗彎強(qiáng)度,并大幅度地提高其韌性和抗沖擊強(qiáng)度。

1、按外形劃分(圖1)有:

平直形鋼纖維(a)、壓棱形鋼纖維(b)、波形鋼纖維(c)、彎鉤形鋼纖維(d\e)、大頭形鋼纖維(f)、雙尖形鋼纖維(g)、集束鋼纖維(h)等等。

2、按截面形狀劃分(圖2)有:

圓形(a)、矩形(b)、槽型(c)、不規(guī)則性(d)

3、按生產(chǎn)工藝劃分有:

切斷鋼纖維(用細(xì)鋼絲切斷);

剪切鋼纖維(用薄鋼板、帶鋼剪切);

銑削型鋼纖維(用厚鋼板或鋼錠切削);

熔抽鋼纖維(用熔融鋼水抽制)。最有前途的是溶抽鋼纖維,價(jià)格最低。

4、按材質(zhì)劃分有:

普碳鋼纖維(抗拉強(qiáng)度一般在300~2500MPa);

不銹鋼纖維(按材質(zhì)有304,310,330,430,446等);

其他金屬纖維(鋁纖維、銅纖維、鈦纖維以及合金纖維)。

5、按表面涂覆狀態(tài)劃分有:

無(wú)涂覆層,表面涂環(huán)氧樹脂,鍍鋅等。工業(yè)上大量使用的是無(wú)涂覆層的普通鋼纖維。

6、按施工工藝分類有:

噴射用、澆注用。

7、按直徑尺寸分類有:

普通鋼纖維(直徑d>0.08mm);

超細(xì)鋼纖維(直徑d≤0.08mm);

超細(xì)鋼纖維主要用于增強(qiáng)塑料及石棉摩擦材料。

一、鋼絲切斷法

這種加工方法比較簡(jiǎn)單(圖2-4),一般利用小直徑0.4-0.8mm的冷拔鋼絲為原料,'按照規(guī)定的長(zhǎng)度把鋼絲切成短纖維。用這種方法生產(chǎn)鋼纖維的抗拉強(qiáng)度,遠(yuǎn)高于其它方法加工成的鋼纖維,可達(dá)1000-2000MPa.

加工手段可以用切刀、沖床。為了提高效率,常用旋轉(zhuǎn)刀具切斷。由于冷拔鋼絲價(jià)格昂貴,這種方法生產(chǎn)的鋼纖維成本較高。此法生產(chǎn)鋼纖維的另一缺點(diǎn)是表面較光滑,與混凝土等基體的粘結(jié)強(qiáng)度較小。為了增加鋼纖維與混凝土等基體的粘結(jié)強(qiáng)度,常常采用改變鋼纖維的外形,即通過(guò)生產(chǎn)異形鋼纖維的辦法加以解決,常見的方法有三種:

1、壓棱法:在切斷鋼絲前,用進(jìn)給鋼絲的夾送輥在鋼絲上

壓出棱形凹坑(如圖2-1,b)。

2、波形法:在切斷鋼絲前,用進(jìn)給鋼絲的夾送輥將鋼絲壓

成波形后再切斷(如圖2一1,c)。

3、彎鉤法:在切斷鋼絲前,用進(jìn)給鋼絲的夾送輥等距離地壓出彎鉤狀再切斷(如圖2,d)

圖2.e所示的鋼纖維,國(guó)外產(chǎn)品名稱為"DRAMⅨ"。生產(chǎn)時(shí)常用水溶性粘結(jié)劑將其集束粘結(jié)在一起,從而起到縮小長(zhǎng)徑比的作用(圖2,h)。這種集束鋼纖維投入混凝土攪拌機(jī)后,粘結(jié)劑很快溶解于水,鋼纖維則均勻分布在混凝土中。

二、薄板剪切法

薄板剪切法是吧冷軋薄鋼板切成鋼纖維的方法,剪切前用特制的小型縱剪機(jī)將薄冷軋卷板剪成帶鋼卷,帶鋼卷的寬度和鋼纖維的長(zhǎng)度相同,然后將帶鋼卷連續(xù)不斷地送入旋轉(zhuǎn)刀具或普通沖床切斷(如圖2-3,b),旋轉(zhuǎn)刀具的軸與薄板進(jìn)給方向互相垂直。原材料一般采用退火的冷軋鋼板,為提高強(qiáng)度也可以使用未退火的冷軋鋼板。

三、鋼錠銑削法

所用原材料為厚鋼板或鋼錠,用旋轉(zhuǎn)的平刃鐵刀進(jìn)行切削制成的鋼纖維(如圖2一3).切削時(shí),鋼纖維將產(chǎn)生很的塑性變形,軸間發(fā)生扭曲,可以增大與混凝土等基體的粘結(jié)力。若以普通低碳鋼為原材料時(shí),切削成的鋼纖維經(jīng)加工硬化后,其弧度約為母材的兩倍半,成為一種高強(qiáng)度、高硬度的鋼纖維。

四、熔鋼抽絲法

如圖2-3,d所示,用電爐將廢鋼熔融成1500-1600℃的鋼液,然后在鋼液表面上,以一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的熔抽輪接近鋼液,熔抽輪上按照所需鋼纖維的要求,刻出許多槽形。當(dāng)溶抽輪下降到液面時(shí),鋼液被槽刮出,被高速旋轉(zhuǎn)的熔抽輪的離心力拋出,以10000℃/秒的速度冷卻成形.熔抽輪內(nèi)必須通水,以保持冷卻速度。

熔抽法生產(chǎn)鋼纖維是目前世界上最有前途的鋼纖維生產(chǎn)方法。它的原材料來(lái)源廣泛,各種廢鋼都可利用.由于原料成本很低,制造工藝簡(jiǎn)單;生產(chǎn)效率很高,因此,這種鋼纖維價(jià)格最便宜。

由于熔抽法利用電爐熔化鋼水,因此可以較方便地調(diào)整鋼液的化學(xué)成分,從而生產(chǎn)出各種材質(zhì)的鋼纖維和其它金屬纖維。改變?nèi)鄢檩喩峡滩鄢叽?熔抽輪的轉(zhuǎn)速和浸入深度,就可以改變鋼纖維的幾何尺寸。這種方法免除了上述三種方法從煉鋼到軋鋼、

撥絲(或軋板)等繁雜的過(guò)程,使熔觸鋼水一次成形,加工成.終產(chǎn)品,其經(jīng)濟(jì)效果是很顯著的。

目前,世界上只有美國(guó)、英國(guó)、日本和中國(guó)掌握了熔抽法生產(chǎn)鋼纖維的生產(chǎn)技術(shù)。慶安鋼鐵廠從美國(guó)引進(jìn)的全套熔抽法鋼纖

維生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備巳于86年7月9日正式投入生產(chǎn),生產(chǎn)出的多種不銹鋼纖維、普碳鋼纖維、超細(xì)鋼纖維、鋁纖維已大量供應(yīng)市場(chǎng).

上述四種鋼纖維及其制造方法的特征比較見表2-1。各種鋼纖維的抗拉強(qiáng)度見表2-2。它們的價(jià)格和加工成本的大致比較見

表2-3.

鋼纖維混凝土具有與普通混凝土一樣的攪拌、運(yùn)轉(zhuǎn)和施工性能,纖維在混凝土中不會(huì)結(jié)球,分布均勻,可在商品混凝土攪拌站進(jìn)行生產(chǎn)并能用于泵送施工。銑削鋼纖維混凝土的早期坍落度損失較大,30分鐘損失32%,2小時(shí)損失42%。鋼纖維混凝土的實(shí)際工作性優(yōu)于相同的坍落度的普通混凝土。鋼纖維混凝土具有良好的材料性能,與普通混凝土相比,其抗壓強(qiáng)度提高2~20%;彎拉強(qiáng)度提高20~50%;劈裂抗拉強(qiáng)度提高20~40%;耐磨性能提高40%左右,其物理力理性能完全可以滿足城市道路工程及檢查井蓋等配套構(gòu)件需求技術(shù)指標(biāo)。鋼纖維粗糙而潔凈的表面,能與混凝土中的水泥漿體牢固的結(jié)合,這是銑削鋼纖維提高混凝土各種性能的根本原因。

此外,高強(qiáng)鋼釬維混凝土在鐵道軌枕預(yù)制、高速公路伸縮縫、水泥砼道面等預(yù)制、現(xiàn)澆、生產(chǎn)施工等方面均已得到大量應(yīng)用,其優(yōu)良性能完全可以取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益。

一、粘結(jié)性

由于鋼纖維與混凝土基體的界面粘結(jié)主要是物理性的,即以摩擦剪力的傳遞為主,因此對(duì)鋼纖維本身來(lái)說(shuō),應(yīng)該從纖維表面和纖維形狀兩個(gè)方面來(lái)改善其粘結(jié)性能。具體的方法有下列四種。

1、使鋼纖維表面粗糙化、截面呈不規(guī)則形。采用熔抽法生產(chǎn)就能達(dá)到這個(gè)目的。因?yàn)殇摾w維在遇空氣急劇冷卻時(shí),表面收縮不均勻而變得粗糙,同時(shí)截面也收縮成月牙形,增加與基體的接觸面積。銑削型鋼纖維一個(gè)表面光滑,另一個(gè)表面粗糙,也增加了與混凝土的接觸面積

2、沿鋼纖維軸線方向按一定間距對(duì)纖維進(jìn)行塑性加工。例如日本神戶制鋼公司的"信柯"鋼纖維美國(guó)雷邦公司的"XOREX"鋼纖維(圖2-1,c)以及慶安鋼鐵廠的"S-2"和"S——3"號(hào)鋼纖維。由于表面壓成棱形,或壓成波形,增加了機(jī)械粘結(jié)力。

3、使鋼纖維的兩端異形化。如鋼錠銑削型鋼纖維兩端帶有錨固臺(tái);美國(guó)貝克爾公甸的"DRAMⅨ"鋼纖維(圖2-1,e)和慶安鋼鐵廠的"S-4'和as-so型鋼纖維,.都是在兩端制成彎鉤;還有熔抽法抽取的大頭形鋼纖維。由于兩端的錨固作用,提高了抗撥力。

4、對(duì)鋼纖維表面涂覆環(huán)氧樹脂和表面微銹化處理。這種方法對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的提高不如前幾種方法,但也有一定的增強(qiáng)效果.

小林一輔、比利時(shí)列日大學(xué)和章文綱等的試臉都證明有彎鉤的鋼纖維比平直鋼纖維的增強(qiáng)效果提高約一倍,小林一輔的試驗(yàn)說(shuō)明壓棱鋼纖維的效果接近有彎鉤的鋼纖維。這些異形鋼纖維不但提高了鋼纖維的強(qiáng)度,并且提高了韌度。波形鋼纖維雖然對(duì)提高鋼纖維混凝土強(qiáng)度的作用不大,但是能成倍地提高韌度。

二、硬度

無(wú)論哪一種加工方法制造的鋼纖維,在加工過(guò)程中都遇到高熱和急劇冷卻,相當(dāng)于淬火狀態(tài)。因此鋼纖維的表面硬度都較高。用于混凝土補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行攪拌時(shí)很少發(fā)生彎曲現(xiàn)象。如果鋼纖維過(guò)硬過(guò)脆,攪拌時(shí)也易折斷,影響增強(qiáng)效果。

在熔抽法生產(chǎn)鋼纖維時(shí),從熔抽輪下離心噴出的鋼纖維仍處于高溫狀態(tài),必須用滾筒或振動(dòng)輸送方法分散并進(jìn)行冷卻。否則鋼纖維聚集,熱量難以散發(fā),反而起退火作用。

三、耐腐蝕性

關(guān)于鋼纖維混凝土耐腐蝕試驗(yàn)的介紹可知,開裂的鋼纖維混凝土構(gòu)件在潮濕的環(huán)境中,裂縫處的混凝土碳化,碳化區(qū)的鋼纖維銹蝕,碳化深度和銹蝕程度隨時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)展,對(duì)鋼纖維混凝土來(lái)說(shuō),主要是利用裂后弧度和裂后韌性,雖然裂縫寬度比鋼筋混凝土小,但是終究是有裂縫的,故此應(yīng)對(duì)在潮濕環(huán)境中,特別是在海濱使用的鋼纖維混凝土采取防防銹蝕措施. 試臉證明,在保證鋼纖維混凝土構(gòu)件具有同等承載能力的前提下,采用直徑較大的鋼纖維,能提高耐腐蝕性, 采用涂復(fù)環(huán)氧樹脂或鍍鋅的鋼纖維,將能提高耐腐蝕性,如果施工工藝許可的話,可只在混凝土表層1-2cm采用這種鋼纖維,必要時(shí)也可以采用不誘鋼纖維。

纖維的增強(qiáng)效果主要取決于基體強(qiáng)度(fm),纖維的長(zhǎng)徑比(鋼纖維長(zhǎng)度l與直徑d的比值,即I/d),纖維的體積率(鋼纖維混凝土中鋼纖維所占體積百分?jǐn)?shù)),纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度(τ),以及纖維在基體中的分布和取向(η)的影響。當(dāng)鋼纖維混凝土破壞時(shí),大都是纖維被拔出而不是被拉斷,因此改善纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度是改善纖維增強(qiáng)效果的主要控制因素之一。

加入鋼纖維的混凝土其抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、韌性、沖擊韌性等性能均得到較大提高。

結(jié)合鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)設(shè)計(jì)公式

鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度

鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度,可通過(guò)試驗(yàn)所得的劈裂抗拉強(qiáng)度乘以強(qiáng)度折減系數(shù)0.80確定,劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法按GB J81規(guī)定進(jìn)行

鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fftk=ftk(1+αt?ρf?lf/df)

fftk,ftk——鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,設(shè)計(jì)值;

αt——鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度影響系數(shù),宜通過(guò)試驗(yàn)確定;

ρf——鋼纖維體積率(即鋼纖維摻量體積率)

lf——鋼纖維長(zhǎng)度

df——鋼纖維直徑或等效直徑

lf/df——鋼纖維長(zhǎng)徑比

鋼纖維混凝土彎拉強(qiáng)度

(抗折強(qiáng)度)

鋼纖維混凝土用于公路路面、機(jī)場(chǎng)道面、或其它采用彎拉強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)時(shí),與鋼纖維混凝土相應(yīng)的集體混凝土的彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的分級(jí)和使用范圍,可按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)水泥混凝土路面、機(jī)場(chǎng)道面等行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用。

鋼纖維混凝土彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fftm=ftm(1+αtm?ρf?lf/df)

fftm,ftm——鋼纖維混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,設(shè)計(jì)值;

αtm——鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度影響系數(shù),宜通過(guò)試驗(yàn)確定;

ρf——鋼纖維體積率(即鋼纖維摻量體積率)

lf——鋼纖維長(zhǎng)度

df——鋼纖維直徑或等效直徑

lf/df——鋼纖維長(zhǎng)徑比

2、增加纖維的粘結(jié)長(zhǎng)度;即增加長(zhǎng)徑比,公式中l(wèi)f/df。

3、改善纖維的形狀、增加纖維與基體間的摩阻和咬合力;即提高鋼纖維影響系數(shù)α。

2、鋼纖維的抗彎拆性能,鋼纖維應(yīng)能經(jīng)受直徑3㎜鋼棒彎拆90°不斷,每批次檢驗(yàn)不少于10根;

3、雜質(zhì)含量,鋼纖維表面不得有油污,不得鍍有有害物質(zhì)或影響鋼纖維與混凝土粘接的雜質(zhì)。

4、鋼纖維的長(zhǎng)度偏差不應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的10%,每批次至少隨機(jī)抽查10根以上;

5、鋼纖維的直徑或等效直徑合格率不得低于90%,可采取重量法檢驗(yàn),每批次抽檢100根,用天平稱量,卡尺測(cè)其長(zhǎng)度,要求得到的等效平均值滿足規(guī)定;

原材料的檢驗(yàn):

必須滿足上述原材料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)按照公路工程施工技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

鋼纖維混凝土的檢驗(yàn):

應(yīng)重點(diǎn)檢驗(yàn)鋼纖維混凝土的和易性、塌落度和水灰比等,同時(shí)必須現(xiàn)場(chǎng)目檢鋼纖維在混凝土的分布情況,發(fā)現(xiàn)有鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象應(yīng)延長(zhǎng)拌和時(shí)間。