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摘要：本文由鋼纖維混凝土基礎(chǔ)理論，針對(duì)屋面建筑裂縫成因分析，結(jié)合試驗(yàn)室的混凝土配合比試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，分析鋼纖維混凝土在屋面抗裂防滲中的應(yīng)用。...

鋼纖維混凝土在屋面抗裂防滲的應(yīng)用分析

張萌

(福建二建建設(shè)集團(tuán)公司350003)

    伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展建設(shè)工程中新材料，新科技應(yīng)用的越來越多，應(yīng)用的范圍也在不斷拓寬，伴隨著生活水平的提高人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也在不斷的提升，房屋建筑的舒適度、美觀、耐用也被提到相當(dāng)?shù)母叨取Ｒ酝?/span>“居者有其屋”的簡(jiǎn)單的需求已不能同當(dāng)代人們的要求同日而語。

    鋼纖維混凝土的研究和應(yīng)用早在上個(gè)世紀(jì)30年代的美國(guó)就得到很好的發(fā)展，使用量也在逐年的提高，已很好應(yīng)用于建筑構(gòu)造物的許多方面，而在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展處于遲滯的階段，更不用說在實(shí)踐中的總結(jié)和探索鋼纖維混凝土的應(yīng)用及推廣；其中有科技發(fā)展水平的因素；有投資方經(jīng)濟(jì)上的考慮，亦有學(xué)術(shù)研討的分歧；但是，鋼纖維增強(qiáng)混凝土以其優(yōu)良的增強(qiáng)、增韌、阻裂性能，越來越得到人們的青睞。將其特性應(yīng)用于防治、解決建筑工程上的通病有其特有的優(yōu)越性。本文就鋼纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)屋面抗?jié)B防裂的作用進(jìn)行論述。

1.鋼纖維增強(qiáng)混凝土的特性

    鋼纖維增強(qiáng)混凝土(SFRC)與普通混凝土的區(qū)別在于：鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻人一定量的鋼纖維，經(jīng)攪拌混合后以亂分布于骨料與水泥之中，所形成的一種新的復(fù)合、多相材料。它兼有普通混凝土所具有的一般性能，又因鋼纖維的參與而顯著提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊能力，有著良好的延性和控制混凝土裂縫的能力。對(duì)混凝土構(gòu)件受力變形性能有顯著的改善，但同時(shí)鋼纖維混凝土的每立方價(jià)格因鋼纖維的加入，成本比普通混凝土高；現(xiàn)場(chǎng)施工的難度也困難一些，施工工藝相對(duì)比較復(fù)雜；與試驗(yàn)室條件下配制的混凝土相比較，鋼纖維增強(qiáng)混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有下降。但考慮保修期及以后的屋面維修費(fèi)，從其性能價(jià)格比分析，經(jīng)濟(jì)效益都優(yōu)于普通混凝土。

    1.1復(fù)合材料的定義、分類、特性

    復(fù)合材料又稱多項(xiàng)材料指：一種材料用人工的辦法均勻分散在另一種材料之中，從而改善、減輕單一材料應(yīng)用所帶來的某些缺陷，綜合發(fā)揮多相材料各自獨(dú)有的良好的性能。其中要點(diǎn)是讓各相成份，充分地}昆合并均勻分散于其它各相中，形成有特殊性能的新型材料系統(tǒng)。

    1.2鋼纖維增強(qiáng)(SFRC)混凝土的主要特性

    鋼纖維的增強(qiáng)混凝土的主要性能，主要體現(xiàn)在鋼纖維對(duì)混凝土基體產(chǎn)生增強(qiáng)、增韌和阻裂的作用。

    1.2.1增強(qiáng)作用：主要指不同程度提高和改善混凝土的抗彎、抗拉、抗剪、抗沖擊、耐疲勞等性能。

    1.2.2增韌作用：指提高材料在各種受力狀態(tài)下，在塑性變形分階段保持一定抵抗變形的能力。SFRC兼有普通混凝土的強(qiáng)度，又有鋼纖維較強(qiáng)的粘性變形，其增韌作用顯著改變了混凝土脆性易裂的破壞特性。

    1.2.3阻裂作用：指纖維對(duì)新拌混凝土早期收縮裂縫和硬化后收縮裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展的阻滯作用。因而提高了混凝土的抗收縮，抗裂，耐久性等性能；延長(zhǎng)了混凝土的使用壽命。

2.鋼纖維增強(qiáng)混凝土的配合比應(yīng)滿足的基本要求及施工工藝控制

    2.1鋼纖維增強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)特點(diǎn)

    2.1.1滿足強(qiáng)度和耐性的基本要求。基準(zhǔn)混凝土的設(shè)計(jì)按普通混凝土的做法計(jì)算。

    2.1.2鋼纖維增強(qiáng)混凝土的和易性能滿足施工要求。由于鋼纖維的加人，拌合物的和易性難度增大產(chǎn)生的。應(yīng)綜合考慮鋼纖維種類和設(shè)計(jì)的強(qiáng)度值來確定鋼纖維的體積率。

    2.1.3充分發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)和增韌作用，合理確定鋼纖維和水泥用量，降低鋼纖維混凝土的成本。

    2.1.4提高鋼纖維混凝土的抗拉、抗彎、抗疲勞的能力和韌性應(yīng)對(duì)拌合物的配合比進(jìn)行有效控制，使得鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用充分發(fā)揮。對(duì)計(jì)量工具的計(jì)量精度必須到位，稱量材料的用量必須精準(zhǔn)。

    2.1.5鋼纖維應(yīng)均勻分散于各相組分當(dāng)中，在其表面應(yīng)保證足夠水泥漿包裹以保證其混凝土質(zhì)量。這就要求水泥的用量必須滿足規(guī)范要求；水灰比W／C約0．45—0．55；砂率55～60％應(yīng)根據(jù)所用粗細(xì)骨料具體的數(shù)據(jù)來仔細(xì)考慮；必要時(shí)應(yīng)采用正交設(shè)計(jì)的方法，多做幾組配合比進(jìn)行橫向的比較，以確定選用最佳值。

    2.2鋼纖維混凝土的材料要求

    2.2.1一般混凝土結(jié)構(gòu)鋼纖維長(zhǎng)度L：20～50mm；等效直徑d=0．3—0．8mm；長(zhǎng)徑比l／d=40—100；摻量1．0—1．5％一般可使鋼纖維增強(qiáng)效果和拌合物性能均能處于最佳狀態(tài)。對(duì)一般澆筑的混凝土dl／d，在30～80期間，宜體積率V>0．5％，且1．5～2．o％之間。但增強(qiáng)效果不明顯。大摻量的在3～5％之間，可提高混凝土抗壓強(qiáng)度20—40％。

    2.2.2水泥：要求P．042．5或P．052．5，用量在360～450k9／m3之間比普通混凝土多，主因是鋼纖維的摻人，增加了水泥需包裹的面積。主要取決于鋼纖維所占的體積率。但一般不應(yīng)大于500k9／m3。

    2.2.3細(xì)集料：宜采用中砂偏粗№在2．5～3．09／cm3；主因是，同等水泥用量情況下，過粗砂易發(fā)生離析、泌水現(xiàn)象；過細(xì)砂則用水量大，水泥漿增多。

    2.2.4粗集料：宜選擇碎石；石粒徑≤LX 2／3約5—20mm，主要是利用碎石的機(jī)械嵌銷作用。粒徑>20mm產(chǎn)生纖維球團(tuán)。

    2.2.5外加劑：外加劑按水泥質(zhì)量百分率0．75～1．5％，高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋼纖維混凝土取1．5—2．o％高效減水劑。一般減水率可達(dá)20～30％。

    2.2.6摻合料：應(yīng)采用I、Ⅱ級(jí)粉煤灰，摻量約為水泥用量的10—20％，可增強(qiáng)膠凝效果，降低水化熱，有利于減少混凝土的干縮變形。

    2.3鋼纖維混凝土的施工制備工藝

    2.3.1投料和攪拌：先把粗、細(xì)集料，鋼纖維水泥分別投料，干拌均勻后加水。

    2.3.2運(yùn)輸：鋼纖維混凝土在運(yùn)輸途中坍落度、含氣量會(huì)有所損失，拌合料稠度下降，運(yùn)輸中又有振動(dòng)。使鋼纖維下沉，影響均勻性，故最好在現(xiàn)場(chǎng)拌制短途運(yùn)送。

    2.3.3澆筑和振搗：這是控制施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，直接影響鋼纖維增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性和整體性，澆筑時(shí)必須連續(xù)，并使用平板振動(dòng)器振搗，促使以三維亂向分布的鋼纖維的有效性，若用插入或振搗應(yīng)與平面呈≤300夾角，振動(dòng)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

    2.3.4養(yǎng)護(hù)與拆模：與普通混凝土相同。

3.多高層商住樓屋面裂縫成因分析

    裂縫的主要成因是由荷載(靜、動(dòng)荷載)和變形變化引起的。

    3.1從多方資料查證和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：產(chǎn)生屋面裂縫的地方都是太陽(yáng)直射時(shí)間較長(zhǎng)的部位，受到自然界輻射溫度影響最多，引起屋內(nèi)外產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致的溫差應(yīng)力；特別是南方多層住宅頂層屋面，在高溫時(shí)段人為采用灑水降溫導(dǎo)致溫差的急降，加上是室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的降溫拉大了溫差效應(yīng)，及夏日突至的暴雨是屋面產(chǎn)生裂縫的外因。

    3.2外部荷載引起的變形、受損：因物業(yè)管理的不到位，原來并沒有設(shè)計(jì)成上人屋面的屋頂成了住戶活動(dòng)和曬衣、堆物的場(chǎng)所。由于人為的踩踏損毀了隔熱層和防水層、又得不到及時(shí)修繕，在雨天屋面積水的情況下，積水通過屋面的各種損傷裂縫滲透。本人所在的住宅樓就是因?yàn)檫@種情況常年維修；數(shù)次用鋼絲網(wǎng)加細(xì)石混凝土補(bǔ)救都沒能達(dá)到很好的效果。

    3.3施工時(shí)混凝土的質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土的耐受性能達(dá)不到要求，是屋面產(chǎn)生裂縫的內(nèi)因。在施工上的粗放行為，使混凝土材料沒有充分的拌合均勻，混凝土減水劑沒使用或用量不夠，增大混凝土拌合用水量，在蒸發(fā)后形成過多殘留孔洞，產(chǎn)生貫穿性的毛細(xì)管通道。而過量地?fù)郊訙p水劑又會(huì)顯著增加收縮裂縫。

    3.4各種材料用量不準(zhǔn)確。沒有嚴(yán)格實(shí)施混凝土配合比各種材料的用量；其中砂石比例不當(dāng)，細(xì)骨料不能夠充分填充粗骨料的空隙，易使混凝土凝結(jié)后產(chǎn)生干縮形成貫穿通道。其中，砂率過大又降低了混凝土的強(qiáng)度；增大產(chǎn)生裂縫的概率。

    3.5水泥灰漿不符合水灰比設(shè)計(jì)值。為便于施工，用水量太過隨意，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性過大產(chǎn)生沉縮裂縫(塑性收縮裂縫)，這種裂縫多出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的變截面處、梁板交接處等，其深度通常達(dá)到鋼筋面。對(duì)屋面的抗裂防滲要求危害極大。

    3.6混凝土成型后沒及時(shí)覆蓋養(yǎng)護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)的溫度、溫度、風(fēng)速對(duì)混凝土的收縮都有影響，特別是城市建設(shè)用地已向遠(yuǎn)郊移動(dòng)，所在地的風(fēng)速遠(yuǎn)大于市區(qū)，尤其大干燥的夏季，混凝土表面游離水蒸發(fā)過快。體積急劇收縮，因混凝土早期強(qiáng)度低、抗變形能差，而形成干縮裂縫。

    3.7設(shè)計(jì)上采用剛性板設(shè)計(jì)，其抗拉強(qiáng)度低，極限拉應(yīng)變小。在各種不利因素影響下干縮和濕脹及溫度引起的熱脹冷縮、屋面梁板變形及房屋不均勻沉陷，易引起剛性屋面產(chǎn)生裂縫。宜采用塑性屋面板設(shè)計(jì)。

4.鋼纖維混凝土屋面長(zhǎng)期性能的經(jīng)濟(jì)分析

    4.1鋼纖維混凝土的收縮和徐變：隨著鋼纖維摻量的增加而降低，從而減少了因混凝土內(nèi)部收縮而產(chǎn)生裂縫的機(jī)率；進(jìn)而延長(zhǎng)了混凝土的使用壽命；無形中大大延長(zhǎng)了鋼纖維混凝土屋面的維護(hù)周期，降低了后期物業(yè)維護(hù)使用費(fèi)用，即減輕了業(yè)主的煩惱和費(fèi)用的支出，也給物業(yè)管理者帶來便利；減少了與業(yè)主之間的矛盾，是一種雙贏的好方案。

    4.2鋼纖維混凝土的抗疲勞性和耐久性都有顯著的提高；為應(yīng)用開辟上人屋面的活動(dòng)場(chǎng)地提供了有利的技術(shù)保障。特別是，時(shí)下城市土地價(jià)格飛漲，綠地面積不足的情況下適當(dāng)考慮在屋頂進(jìn)行綠化，改善城市居民的生活空間和生活質(zhì)量，提供了更多的可能性。同時(shí)也為政府部門提供城區(qū)規(guī)劃的新的思路。

    4.3鋼纖維混凝土的化學(xué)耐久性，使其具有良好的耐腐蝕性。與其同條件下的鋼筋混凝土相比，鋼纖維混凝土不會(huì)產(chǎn)生Fe(OH)產(chǎn)生脹裂。在時(shí)下基礎(chǔ)工業(yè)蓬勃發(fā)展、而環(huán)境污染仍相當(dāng)嚴(yán)峻的情況下，也要求盡量避免產(chǎn)生過多的表面裂縫，才能避免和防御工業(yè)污染物(酸雨)對(duì)建筑物屋面產(chǎn)生的破壞。

    4.4現(xiàn)階段鋼纖維的成本較高。熔抽法生產(chǎn)的鋼纖維價(jià)格在2000～3000 元／t。薄板剪切法生產(chǎn)的碳鋼纖維約4000～7000元／t。有引進(jìn)國(guó)外刮削法生產(chǎn)工藝，對(duì)廢料進(jìn)行利用，每噸可降至1000元左右，若按鋼纖維摻人體積率2％～4％計(jì)算，每噸最低要增加160—300元。

5.結(jié)語

    鋼纖維混凝土的優(yōu)良的性能使其具有光明而廣闊的應(yīng)用前景。它的應(yīng)用是從側(cè)面體現(xiàn)出了現(xiàn)代人文建筑的設(shè)計(jì)理念。盡管它在我中城市的應(yīng)用范圍還相當(dāng)有局限性；數(shù)量也還相當(dāng)少，究其主要的原因固有設(shè)計(jì)上的因素；沒有完整的鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)理論來指導(dǎo)鋼纖維混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有現(xiàn)場(chǎng)施工隊(duì)伍不夠?qū)�業(yè)，尤其是鋼纖維混凝土的基礎(chǔ)知識(shí)不能得到有效的普及和推廣，是鋼纖維混凝土在現(xiàn)實(shí)中無法大量推廣使用的主因。對(duì)它的應(yīng)用推廣起了遲滯的作用。在當(dāng)今自主創(chuàng)新的潮流中，應(yīng)多嘗試鋼纖維混凝土屋面板的設(shè)計(jì)，為試驗(yàn)、施工生產(chǎn)積累更多經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造機(jī)會(huì)，逐漸形成設(shè)計(jì)、施工間良好的雙向循環(huán)。任何事物都有其發(fā)展、應(yīng)用的過程，須得大家共同的努力。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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