鋼纖維混凝土在屋面抗裂防滲的應用分析

張萌

(福建二建建設集團公司350003)

    伴隨著科學技術的發展建設工程中新材料，新科技應用的越來越多，應用的范圍也在不斷拓寬，伴隨著生活水平的提高人們對生活質量的要求也在不斷的提升，房屋建筑的舒適度、美觀、耐用也被提到相當的高度。以往“居者有其屋”的簡單的需求已不能同當代人們的要求同日而語。

    鋼纖維混凝土的研究和應用早在上個世紀30年代的美國就得到很好的發展，使用量也在逐年的提高，已很好應用于建筑構造物的許多方面，而在我國的應用和發展處于遲滯的階段，更不用說在實踐中的總結和探索鋼纖維混凝土的應用及推廣；其中有科技發展水平的因素；有投資方經濟上的考慮，亦有學術研討的分歧；但是，鋼纖維增強混凝土以其優良的增強、增韌、阻裂性能，越來越得到人們的青睞。將其特性應用于防治、解決建筑工程上的通病有其特有的優越性。本文就鋼纖維增強混凝土對屋面抗滲防裂的作用進行論述。

1.鋼纖維增強混凝土的特性

    鋼纖維增強混凝土(SFRC)與普通混凝土的區別在于：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度、抗彎強度、抗沖擊能力，有著良好的延性和控制混凝土裂縫的能力。對混凝土構件受力變形性能有顯著的改善，但同時鋼纖維混凝土的每立方價格因鋼纖維的加入，成本比普通混凝土高；現場施工的難度也困難一些，施工工藝相對比較復雜；與試驗室條件下配制的混凝土相比較，鋼纖維增強混凝土的各項力學性能在現場會有下降。但考慮保修期及以后的屋面維修費，從其性能價格比分析，經濟效益都優于普通混凝土。

    1.1復合材料的定義、分類、特性

    復合材料又稱多項材料指：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、減輕單一材料應用所帶來的某些缺陷，綜合發揮多相材料各自獨有的良好的性能。其中要點是讓各相成份，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。

    1.2鋼纖維增強(SFRC)混凝土的主要特性

    鋼纖維的增強混凝土的主要性能，主要體現在鋼纖維對混凝土基體產生增強、增韌和阻裂的作用。

    1.2.1增強作用：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度，又有鋼纖維較強的粘性變形，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：指纖維對新拌混凝土早期收縮裂縫和硬化后收縮裂縫的發生和擴展的阻滯作用。因而提高了混凝土的抗收縮，抗裂，耐久性等性能；延長了混凝土的使用壽命。

2.鋼纖維增強混凝土的配合比應滿足的基本要求及施工工藝控制

    2.1鋼纖維增強混凝土配合比設計特點

    2.1.1滿足強度和耐性的基本要求。基準混凝土的設計按普通混凝土的做法計算。

    2.1.2鋼纖維增強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生的。應綜合考慮鋼纖維種類和設計的強度值來確定鋼纖維的體積率。

    2.1.3充分發揮鋼纖維的增強和增韌作用，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對拌合物的配合比進行有效控制，使得鋼纖維混凝土的增強作用充分發揮。對計量工具的計量精度必須到位，稱量材料的用量必須精準。

    2.1.5鋼纖維應均勻分散于各相組分當中，在其表面應保證足夠水泥漿包裹以保證其混凝土質量。這就要求水泥的用量必須滿足規范要求；水灰比W／C約0．45—0．55；砂率55～60％應根據所用粗細骨料具體的數據來仔細考慮；必要時應采用正交設計的方法，多做幾組配合比進行橫向的比較，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構鋼纖維長度L：20～50mm；等效直徑d=0．3—0．8mm；長徑比l／d=40—100；摻量1．0—1．5％一般可使鋼纖維增強效果和拌合物性能均能處于最佳狀態。對一般澆筑的混凝土dl／d，在30～80期間，宜體積率V>0．5％，且1．5～2．o％之間。但增強效果不明顯。大摻量的在3～5％之間，可提高混凝土抗壓強度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。但一般不應大于500k9／m3。

    2.2.3細集料：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，過粗砂易發生離析、泌水現象；過細砂則用水量大，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械嵌銷作用。粒徑>20mm產生纖維球團。

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

    2.2.6摻合料：應采用I、Ⅱ級粉煤灰，摻量約為水泥用量的10—20％，可增強膠凝效果，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、細集料，鋼纖維水泥分別投料，干拌均勻后加水。

    2.3.2運輸：鋼纖維混凝土在運輸途中坍落度、含氣量會有所損失，拌合料稠度下降，運輸中又有振動。使鋼纖維下沉，影響均勻性，故最好在現場拌制短途運送。

    2.3.3澆筑和振搗：這是控制施工質量的重要環節，直接影響鋼纖維增強混凝土的密實性和整體性，澆筑時必須連續，并使用平板振動器振搗，促使以三維亂向分布的鋼纖維的有效性，若用插入或振搗應與平面呈≤300夾角，振動時間不宜過長。

    2.3.4養護與拆模：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、動荷載)和變形變化引起的。

    3.1從多方資料查證和統計數據表明：產生屋面裂縫的地方都是太陽直射時間較長的部位，受到自然界輻射溫度影響最多，引起屋內外產生溫差，導致的溫差應力；特別是南方多層住宅頂層屋面，在高溫時段人為采用灑水降溫導致溫差的急降，加上是室內空調設備的降溫拉大了溫差效應，及夏日突至的暴雨是屋面產生裂縫的外因。

    3.2外部荷載引起的變形、受損：因物業管理的不到位，原來并沒有設計成上人屋面的屋頂成了住戶活動和曬衣、堆物的場所。由于人為的踩踏損毀了隔熱層和防水層、又得不到及時修繕，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為這種情況常年維修；數次用鋼絲網加細石混凝土補救都沒能達到很好的效果。

    3.3施工時混凝土的質量達不到設計的強度，導致混凝土的耐受性能達不到要求，是屋面產生裂縫的內因。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，在蒸發后形成過多殘留孔洞，產生貫穿性的毛細管通道。而過量地摻加減水劑又會顯著增加收縮裂縫。

    3.4各種材料用量不準確。沒有嚴格實施混凝土配合比各種材料的用量；其中砂石比例不當，細骨料不能夠充分填充粗骨料的空隙，易使混凝土凝結后產生干縮形成貫穿通道。其中，砂率過大又降低了混凝土的強度；增大產生裂縫的概率。

    3.5水泥灰漿不符合水灰比設計值。為便于施工，用水量太過隨意，導致混凝土流動性過大產生沉縮裂縫(塑性收縮裂縫)，這種裂縫多出現在結構的變截面處、梁板交接處等，其深度通常達到鋼筋面。對屋面的抗裂防滲要求危害極大。

    3.6混凝土成型后沒及時覆蓋養護。現場的溫度、溫度、風速對混凝土的收縮都有影響，特別是城市建設用地已向遠郊移動，所在地的風速遠大于市區，尤其大干燥的夏季，混凝土表面游離水蒸發過快。體積急劇收縮，因混凝土早期強度低、抗變形能差，而形成干縮裂縫。

    3.7設計上采用剛性板設計，其抗拉強度低，極限拉應變小。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，易引起剛性屋面產生裂縫。宜采用塑性屋面板設計。

4.鋼纖維混凝土屋面長期性能的經濟分析

    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部收縮而產生裂縫的機率；進而延長了混凝土的使用壽命；無形中大大延長了鋼纖維混凝土屋面的維護周期，降低了后期物業維護使用費用，即減輕了業主的煩惱和費用的支出，也給物業管理者帶來便利；減少了與業主之間的矛盾，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；為應用開辟上人屋面的活動場地提供了有利的技術保障。特別是，時下城市土地價格飛漲，綠地面積不足的情況下適當考慮在屋頂進行綠化，改善城市居民的生活空間和生活質量，提供了更多的可能性。同時也為政府部門提供城區規劃的新的思路。

    4.3鋼纖維混凝土的化學耐久性，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，鋼纖維混凝土不會產生Fe(OH)產生脹裂。在時下基礎工業蓬勃發展、而環境污染仍相當嚴峻的情況下，也要求盡量避免產生過多的表面裂縫，才能避免和防御工業污染物(酸雨)對建筑物屋面產生的破壞。

    4.4現階段鋼纖維的成本較高。熔抽法生產的鋼纖維價格在2000～3000 元／t。薄板剪切法生產的碳鋼纖維約4000～7000元／t。有引進國外刮削法生產工藝，對廢料進行利用，每噸可降至1000元左右，若按鋼纖維摻人體積率2％～4％計算，每噸最低要增加160—300元。

5.結語

    鋼纖維混凝土的優良的性能使其具有光明而廣闊的應用前景。它的應用是從側面體現出了現代人文建筑的設計理念。盡管它在我中城市的應用范圍還相當有局限性；數量也還相當少，究其主要的原因固有設計上的因素；沒有完整的鋼纖維混凝土結構理論來指導鋼纖維混凝土的結構設計；有現場施工隊伍不夠專業，尤其是鋼纖維混凝土的基礎知識不能得到有效的普及和推廣，是鋼纖維混凝土在現實中無法大量推廣使用的主因。對它的應用推廣起了遲滯的作用。在當今自主創新的潮流中，應多嘗試鋼纖維混凝土屋面板的設計，為試驗、施工生產積累更多經驗、創造機會，逐漸形成設計、施工間良好的雙向循環。任何事物都有其發展、應用的過程，須得大家共同的努力。

參考文獻

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[4]CECS38—2004，鋼纖維混凝土結構設計與施工規范[S]．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)