钢纤维

工业材料专用词汇

钢纤维是指以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比（纤维长度与其直径的比值，当纤维截面为非圆形时，采用换算等效截面圆面积的直径）为40～80的纤维。

钢纤维简介

钢，其中切断型钢纤维应用广泛，抗拉强度高。以低碳合金为基材，在金属晶体温度一下使用冷拔技术生产出的切断型钢纤维，抗拉强度可达1150-3000MP。广泛应用于工业地坪（物流、冷库、室外、仓储）加固以及开裂情况的改善。

以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比（纤维长度与其直径的比值，当纤维截面为非圆形时，采用换算等效截面圆面积的直径）为30～100的纤维。因制取方法的不同钢纤维的性能有很大不同，如冷拔钢丝拉伸强度为380-3000MPa、冷轧带钢剪切法拉伸强度为600-900MPa、钢锭铣削法为700MPa；钢水冷凝法虽为380MPa，但是适合生产耐热纤维。

为增强砂浆或混凝土而加入的、长度和直径在一定范围内的细钢丝。常用截面为圆形的长直钢纤维，其长度为10～60毫米，直径为0.2～0.6毫米，长径比为30～100。为增加纤维和砂浆或混凝土的界面粘结，可选用各种异形的钢纤维，其截面有矩形、锯齿形、弯月形的；截面尺寸沿长度而交替变化的；波形的；圆圈状的；端部放大的或带弯钩的等。当使用截面非圆

形的钢纤维时，可按下式计算其当量直径（de）：，

式中a为钢纤维的实际截面积。

为使钢纤维较均匀地分散于砂浆或混凝土中，并增大纤维的长径比，可使用由水溶性胶粘结在一起成集束状的钢纤维。钢纤维可用冷拔钢丝切断、薄钢板剪切、钢块或钢锭铣削以及熔钢抽纱等方法制造。配制常温下应用的钢纤维混凝土，可使用低碳钢纤维；而配制耐火的钢纤维混凝土，则必须使用不锈钢纤维。砂浆或混凝土中掺加适量的钢纤维，可提高其抗拉、抗弯强度，并大幅度地提高其韧性和抗冲击强度。

种类划分

钢纤维问世的时间不长，但应用领域越来越广泛，与此相应，钢纤维的品种也在不断增多。

2.按截面形状划分（图2）有：圆形（a）、矩形（b）、槽型（c）、不规则性（d）

3.按生产工艺划分有：切断钢纤维（用细钢丝切断）；剪切钢纤维（用薄钢板、带钢剪切）；

铣削型钢纤维（用厚钢板或钢锭切削）；熔抽钢纤维（用熔融钢水抽制）。最有前途的是溶抽钢纤维，价格最低。

4.按材质划分有：

普碳钢纤维（抗拉强度一般在300~2500MPa）；

不锈钢纤维（按材质有304,310,330,430,446等）；

其他金属纤维（铝纤维、铜纤维、钛纤维以及合金纤维）。5.按表面涂覆状态划分有：

无涂覆层，表面涂环氧树脂，镀锌等。工业上大量使用的是无涂覆层的普通钢纤维。

6.按施工工艺分类有：喷射用、浇注用。

7.按直径尺寸分类有：

普通钢纤维（直径d＞0.08mm）；

超细钢纤维（直径d≤0.08mm）；

超细钢纤维主要用于增强塑料及石棉摩擦材料。

制造方法

用与钢纤维混凝土的钢纤维主要有四种制造方法（请参考图3），以下是详细资料：

1.钢丝切断法

这种加工方法比较简单（图4），一般利用小直径0.4-0.8mm的冷拔钢丝为原料，’按照规定的长度把钢丝切成短纤维。用这种方法生产钢纤维的抗拉强度，远高于其它方法加工成的钢纤维，可达1000-2000MPa.

加工手段可以用切刀、冲床。为了提高效率，常用旋转刀具切断。由于冷拔钢丝价格昂贵，这种方法生产的钢纤维成本较高。此法生产钢纤维的另一缺点是表面较光滑，与混凝土等基体的粘结强度较小。为了增加钢纤维与混凝土等基体的粘结强度，常常采用改变钢纤维的外形，即通过生产异形钢纤维的办法加以解决，常见的方法有三种：⑴压棱法：在切断钢丝前，用进给钢丝的夹送辊在钢丝上

压出棱形凹坑（如图1中b）。

⑵波形法：在切断钢丝前，用进给钢丝的夹送辊将钢丝压

成波形后再切断（如图1中c）。

⑶弯钩法：在切断钢丝前，用进给钢丝的夹送辊等距离地压出弯钩状再切断（如图1中d）

图1中e所示的钢纤维，国外产品名称为“DRAMⅨ”。生产时常用水溶性粘结剂将其集束粘结在一起，从而起到缩小长径比的作用（图1中h）。这种集束钢纤维投入混凝土搅拌机后，粘结剂很快溶解于水，钢纤维则均匀分布在混凝土中。

2.薄板剪切法

薄板剪切法是吧冷轧薄钢板切成钢纤维的方法，剪切前用特制的小型纵剪机将薄冷轧卷板剪成带钢卷，带钢卷的宽度和钢纤维的长度相同，然后将带钢卷连续不断地送入旋转刀具或普通冲床切断（如图3中（b）），旋转刀具的轴与薄板进给方向互相垂直。原材料一般采用退火的冷轧钢板，为提高强度也可以使用未退火的冷轧钢板。

3.钢锭铣削法

所用原材料为厚钢板或钢锭，用旋转的平刃铁刀进行切削制成的钢纤维（如图3）。切削时，钢纤维将产生很的塑性变形，轴间发生扭曲，可以增大与混凝土等基体的粘结力。若以普通低碳钢为原材料时，切削成的钢纤维经加工硬化后，其弧度约为母材的两倍半，成为一种高强度、高硬度的钢纤维。

4.熔钢抽丝法

如图3中（d）所示，用电炉将废钢熔融成1500-1600℃的钢液，然后在钢液表面上，以一个高速旋转的熔抽轮接近钢液，熔抽轮上按照所需钢纤维的要求，刻出许多槽形。当溶抽轮下降到液面时，钢液被槽刮出，被高速旋转的熔抽轮的离心力抛出，以10000℃/秒的速度冷却成形.熔抽轮内必须通水，以保持冷却速度。熔抽法生产钢纤维是目前世界上最有前途的钢纤维生产方法。它的原材料来源广泛，各种废钢都可利用.由于原料成本很低，制造工艺简单；生产效率很高，因此，这种钢纤维价格最便宜。由于熔抽法利用电炉熔化钢水，因此可以较方便地调整钢液的化学成分，从而生产出各种材质的钢纤维和其它金属纤维。改变熔抽轮上刻槽尺寸，熔抽轮的转速和浸入深度，就可以改变钢纤维的几何尺寸。这种方法免除了上述三种方法从炼钢到轧钢、拨丝（或轧板）等繁杂的过程，使熔触钢水一次成形，加工成最终产品，其经济效果是很显著的。

目前，世界上只有美国、英国、日本和中国掌握了熔抽法生产钢纤维的生产技术。全套熔抽法钢纤维生产技术和设备巳于86年7月9日正式投入生产，生产出的多种不锈钢纤维、普碳钢纤维、超细钢纤维、铝纤维已大量供应市场。上述四种钢纤维及其制造方法的特征比较见表2-1。各种钢

纤维的抗拉强度见表2-2。它们的价格和加工成本的大致比较见

表2-3。

主要性能

钢纤维是一种新、高性能的钢纤维品种。钢纤维道路的配合比设计方法大体与普通混凝土相同，不同点为：强度双控标准（抗压强度和弯拉强度）；钢纤维掺量根据设计要求的弯拉强度确定；单位用水量和砂率与纤维掺量有关，每掺加0.5%（体积率）钢纤维，单位用水量增加6kg，砂率增大2%。

钢纤维混凝土具有与普通混凝土一样的搅拌、运转和施工性能，纤维在混凝土中不会结球，分布均匀，可在商品混凝土搅拌站进行生产并能用于泵送施工。铣削钢纤维混凝土的早期坍落度损失较大，30分钟损失32%，2小时损失42%。钢纤维混凝土的实际工作性优于相同的坍落度的普通混凝土。钢纤维混凝土具有良好的材料性能，与普通混凝土相比，其抗压强度提高2～20%；弯拉强度提高20～50%；劈裂抗拉强度提高20～40%；耐磨性能提高40%左右，其物理力理性能完全可以满足城市道路工程及检查井盖等配套构件需求技术指标。钢纤维粗糙而洁净的表面，能与混凝土中的水泥浆体牢固的结合，这是铣削钢纤维提高混凝土各种性能的根本原因。

此外，高强钢钎维混凝土在铁道轨枕预制、高速公路伸缩缝、水泥砼道面等预制、现浇、生产施工等方面均已得到大量应用，其优良性能完全可以取得良好的技术经济和社会环境效益。

一、粘结性

由于钢纤维与混凝土基体的界面粘结主要是物理性的，即以摩擦剪力的传递为主，因此对钢纤维本身来说，应该从纤维表面和纤维形状两个方面来改善其粘结性能。具体的方法有下列四种。

1.使钢纤维表面粗糙化、截面呈不规则形。采用熔抽法生产就能达到这个目的。因为钢纤维在遇空气急剧冷却时，表面收缩不均匀而变得粗糙，同时截面也收缩成月牙形，增加与基体的接触面积。铣削型钢纤维一个表面光滑，另一个表面粗糙，也增加了与混凝土的接触面积。

2.沿钢纤维轴线方向按一定间距对纤维进行塑性加工。例如日本神户制钢公司表面压成棱形，或压成波形，增加了机械粘结力。

3.使钢纤维的两端异形化。如钢锭铣削型钢纤维两端带有锚固台；都是在两端制成弯钩；还有熔抽法抽取的大头形钢纤维。由于两端的锚固作用，提高了抗拨力。

4.对钢纤维表面涂覆环氧树脂和表面微锈化处理。这种方法对界面粘结强度的提高不如前几种方法，但也有一定的增强效果。

小林一辅、比利时列日大学和章文纲等的试脸都证明有弯钩的钢纤维比平直钢纤维的增强效果提高约一倍，小林一辅的试验说明压棱钢纤维的效果接近有弯钩的钢纤维。这些异形钢纤维不但提高了钢纤维的强度，并且提高了韧度。波形钢纤维虽然对提高钢纤维混凝土强度的作用不大，但是能成倍地提高韧度。

二、硬度

无论哪一种加工方法制造的钢纤维，在加工过程中都遇到高热和急剧冷却，相当于淬火状态。因此钢纤维的表面硬度都较高。用于混凝土补强进行搅拌时很少发生弯曲现象。如果钢纤维过硬过脆，搅拌时也易折断，影响增强效果。在熔抽法生产钢纤维时，从熔抽轮下离心喷出的钢纤维仍处于高温状态，必须用滚筒或振动输送方法分散并进行冷却。否则钢纤维聚集，热量难以散发，反而起退火作用。

三：耐腐蚀性

关于钢纤维混凝土耐腐蚀试验的介绍可知，开裂的钢纤维混凝土构件在潮湿的环境中，裂缝处的混凝土碳化，碳化区的钢纤维锈蚀，碳化深度和锈蚀程度随时间增长而发展，对钢纤维混凝土来说，主要是利用裂后弧度和裂后韧性，虽然裂缝宽度比钢筋混凝土小，但是终究是有裂缝的，故此应对在潮湿环境中，特别是在海滨使用的钢纤维混凝土采取防防锈蚀措施. 试脸证明，在保证钢纤维混凝土构件具有同等承载能力的前提下，采用直径较大的钢纤维，能提高耐腐蚀性，采用涂复环氧树脂或镀锌的钢纤维，将能提高耐腐蚀性，如果施工工艺许可的话，可只在混凝土表层1-2cm采用这种钢纤维，必要时也可以采用不诱钢纤维。

影响因素

根据纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂理论，以及大量的试验数据的分析，可以确定纤维的增强效果主要取决于基体强度（fm），纤维的长径比（钢纤维长度l与直径d的比值，即I/d），纤维的体积率（钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数），纤维与基体间的粘结强度（τ），以及纤维在基体中的分布和取向（η）的影响。当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。

用途

钢纤维主要用于制造钢纤维混凝土，任何方法生产的钢纤维都能起到强化混凝土的作用。

纤维的增强效果主要取决于基体强度（fm），纤维的长径比（钢纤维长度l与直径d的比值，即I/d），纤维的体积率（钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数），纤维与基体间的粘结强度（τ），以及纤维在基体中的分布和取向（η）的影响。当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。

加入钢纤维的混凝土其抗压强度、拉伸强度、抗弯强度、冲击强度、韧性、冲击韧性等性能均得到较大提高。

结合钢纤维混凝土抗拉强度、弯拉强度（抗拉强度）设计公式

钢纤维混凝土抗拉强度：

钢纤维混凝土抗拉强度，可通过试验所得的劈裂抗拉强度乘以强度折减系数0.80确定，劈裂抗拉强度试验方法按GB J81规定进行。

钢纤维混凝土抗拉强度标准值fftk=ftk（1+αt?ρf?lf/df）；

其中，fftk，ftk－－钢纤维混凝土抗拉强度标准值，设计值；

αt－－钢纤维对钢纤维混凝土抗拉强度影响系数，宜通过试验确定；

ρf－－钢纤维体积率（即钢纤维掺量体积率）；

lf－－钢纤维长度；

df－－钢纤维直径或等效直径；

lf/df－－钢纤维长径比

钢纤维混凝土弯拉强度（抗折强度）。