浅论钢纤维混凝土增强机理和力学性能

1 国内外现状

钢纤维混凝土最早出现在1910年[1-7]， H.FPorter发表了有关短纤维的研究报告。二十世纪四十年代，美、英、德等国先后发布了用钢纤维提高混凝土性能、钢纤维的制造工艺及改进钢纤维形状来提高钢纤维与混凝土基体粘结强度的专利。直到1963年，J.P.Romuadli和J.B.Batson发表了关于纤维混凝土增强理论的研究报告，钢纤维混凝土才有了较快的发展。目前，钢纤维混凝土的研究与应用在世界各国，尤其在欧美国家得到了广泛开展。

我国是在二十世纪七十年始了对钢纤维混凝土的研究与应用1991年成立了“中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会纤维混凝土委员会”并组织编制了施工行业标准《钢纤维混凝土》。2000年以后，委员会组织进行了设计与施工规程的修订，编制了中国工程建设标准化协会标准《纤维混凝土结构技术规程》。近几年，钢纤维混凝土的研究和应用遍布了祖国各地，这标志着我国的钢纤维混凝土工程技术正在蓬勃发展。

2 钢纤维混凝土的增强机理 2.1钢纤维混凝土增强理论

由文献[2]可知，钢纤维混凝土的增强机理，目前有复合材料力学理论及材料间距理论两种说法。（1）复合材料力学理论：由英国Swamy、Mangat等人提出，认为钢纤维混凝土是一种复合材料，根据复合材料力学的混合法则，在纤维增强复合材料中，纤维同基体是通过两种材料的界面相互作用的，纤维与混凝土基体间的粘结力直接影响着纤维对混凝土基体的增强、增韧和阻裂效果。纤维对混凝土基体起着阻止裂缝引发、扩散并在混凝土发生破坏的过程中吸收大量能量的作用，使混凝土開裂前后性态不发生根本性的变化，从而改善混凝土的变形性能。（2）纤维间距理论：该理论是P.Romualdi和B.Batson在1963年提出的。理论是建立在线弹性断裂力学的基础上，当外力作用在混凝土结构上时，混凝土内部固有的孔隙、缺陷以及微裂缝等部位会产生较大的应力集中，从而引起裂缝扩展，最终导致结构的破坏。将纤维加入脆硬性的混凝土基体中，可以减少裂缝源的数量，缓和裂缝间的应力集中，从而达到增强效果。

2.2纤维增强复合材料力学模型

该理论应用到分析钢纤维混凝土时，把纤维增强混凝土当作纤维强化体系，应用混合原理推求出钢纤维混凝土的应力、强度和弹性模量等，并考虑复合材料在拉伸方向上非连续性短纤维的长度、有效纤维体积率的比例和取向修正以及钢纤维混凝土的非均匀特性。

首先，当沿纤维分布的方向施加拉力时，复合材料上的拉力应为基体同纤维承担的拉力之和[8]即：

3钢纤维混凝土的力学性能 3.1钢纤维混凝土抗压性能

经大量研究证明[1]，钢纤维对混凝土抗压强度的影响并不明显。一般认为，掺入钢纤维对高强混凝土的抗压性能略有提高，但并没有显著改善[11]。也有学者提出钢纤维高强混凝土的压缩强度会随钢纤维含量的增加而显著提高，但两者并无线性关系[12]。

将钢纤维掺入混凝土中，约束了混凝土在受压过程中的横向膨胀，延迟了破坏过程，对提高抗压性能是有益的。但是由于混凝土抗拉强度较低，钢纤维的掺入增多了界面薄弱层，混凝土受压后，最先在界面区产生破坏，导致钢纤维混凝土的抗压强度提高不明显。钢纤维的掺入对混凝土的弹性模量与泊松比影响不大，可以取与基体高强混凝土相同的值[11]。

3.2钢纤维混凝土抗拉性能

一般分析钢纤维混凝土的增强机理时，均要结合拉伸性能进行试验和论述[1]。为了更加深入的了解钢纤维增强增韧效果，单轴拉伸条件下钢纤维混凝土材料的本构行为，已经成为研究者们关注的领域。按照复合材料力学的观点，基体材料在完全开裂后，当采用界面力学模型计算的最大桥联作用超过复合材料开裂强度时，可实现应变强化，即多裂缝开裂现象[13]。Naaman通过计算和对比发现，过裂缝纤维体积含量相对钢纤维来说有2—3%左右，超过了工程实际应用中通常采用的0—2%。因此，一般工程的钢纤维混凝土，在破坏时并未达到所谓的多裂缝开裂状态。研究可知，钢纤维对混凝土抗拉性能的增强机理基本符合复合材料力学中的混合定律[11]。

3.3钢纤维混凝土弯曲性能

相比于普通混凝土，钢纤维混凝土不仅在初裂弯拉强度和极限弯拉强度上有较大提高，其弯曲韧性的增长也很显著。钢纤维混凝土的韧性是指基体在开裂后

能够继续维持一定抗力的变形的能力，一般用荷载—变形曲线下面积的相关参数衡量[2]。

目前，世界各国对钢纤维混凝土弯拉强度与弯曲韧性的试验方法和评价标准还不能统一，普遍应用的有日本土木学会标准和我国最新颁布的《纤维混凝土结构技术规程》。国内外的研究者对于钢纤维混凝土弯曲韧性、弯拉强度和弯曲过程全曲线做了大量的试验和分析，但采用的评价标准不尽相同，并且钢纤维混凝土弯曲韧性在实际工程中的应用还处在很初步的阶段，尤其是在钢纤维高强混凝土出现后，更需要对其做进一步的研究。

3.4钢纤维混凝土抗剪性能

钢纤维混凝土具有良好的抗剪性能，对提高混凝土的抗剪强度有重要意义。在实际工程中，混凝土结构由于纯剪应力而导致的破坏一般很少见，因而混凝土的抗剪强度指标在混凝土结构物设计中不常被使用，但目前我国的隧道设计把抗剪强度列为一个重要指标。随着新型施工工艺的应用和新型工程结构的涌现，钢纤维混凝土的抗剪性能已经开始被人们重视，其实验方法也在不断完善、更新。有些国家已经将钢纤维混凝土的抗剪强度指标作为基本力学性能指标列入到实验方法标准中[15]。

4 结语

钢纤维混凝土的抗弯强度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗磨性、冲击韧性等性能较普通混凝土有很大的提高，因此在高速公路路面、高层、大跨建筑工程、荷载较大的仓库地面、贮水池、机场等结构中都得到了广泛的应用。相比于普通混凝土相，钢纤维的造价较高，因此若能开发出更好的钢纤维制造工艺，用较少的钢纤维达到更好的性能，降低成本，必能进一步推广钢纤维混凝土的应用。随着进一步的研究，钢纤维轻质混凝土、钢纤维高强度混凝土等將会是未来的研究趋势。

参考文献：

[1]赵国藩，彭少民，黄承遗.钢纤维混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1999

[2]黄承连.纤维混凝土结构[M].北京：机械工业出版社，2004. [3]赵国藩.高等钢筋混凝土结构学[M].北京：中国电力出版社，1999.

[4]小林一辅著.蒋之峰译.钢纤维混凝土[R].北京：冶金部建筑研究总院技术情报室，1984.

[5]赵国藩，黄承遴.纤维混凝土的研究与应用[M].大连：大连理工大学出版社，1992.

[6]樊承谋，赵景海，程龙保.钢纤维混凝土应用技术[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1986.

[7]下璋水，陆惠棠.高强钢纤维混凝土的性能及应用[R].北京：空军设计研究局，1986.

[8]赵渠林.复合材料[M].北京：国防工业出版社，1979.

[9]汉南特著.陆建业译.纤维水泥与纤维混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，1986.

[10]Naaman A E，Moavenzadeh F，Mcgarry F.Probabilistic analysis of fibre reinforced conceret.Journal of the Engineering Mechanics Division，1974，100（4）：397-413.

[11]姚武.钢纤维高强混凝土的力学性能研究[J].建筑石膏与胶凝材料，1999（10）：18一19.

[12]焦楚杰，孙伟，秦鸿根等.钢纤维高强混凝土单轴受压本构方程[J].东南大学学报（自然科学版），2004，34（3）：366一369.

[13]董振英.纤维混凝土细观机理及应用研究[D].北京：清华大学，2003. [14]中国工程建设标准化协会.钢纤维混凝土试验方法CECS13：[M].北京：中国建筑工业出版社，19.

[15]高丹盈，刘建秀.钢纤维混凝土基本理论[J].北京：科学技术文献出版社，1994.