钢纤维混凝土优缺点探究

钢纤维混凝土优缺点探究

发表时间：2020-09-08T15:18:51.527Z 来源：《基层建设》2020年第14期作者：黄煜俊[导读] 摘要：钢纤维混凝土是一种具有非常明显增强效应的钢纤维增强材料。

广州大学土木工程学院广东广州 51006

摘要：钢纤维混凝土是一种具有非常明显增强效应的钢纤维增强材料。本文根据现有钢纤维混凝土研究现状，分析总结了其现有优缺点，为钢纤维混凝土的研究提供方向。

关键词：钢纤维；混凝土结构；增强效应

1 概论

混凝土是由粗的粒状材料（集料或填充料）镶嵌于坚硬的水泥或胶结料所组成的复合材料[1]。自1824年波兰特水泥问世以来，混凝土就因其具有易成型，能耗低，耐久性好，价格便宜以及与钢材结合可制成各种承重结构等突出优点，日益广泛应用于土木工程。然而，混凝土的自重大，脆性大，抗拉强度低等弱点限制了它的扩大再应用。因此人们致力于使混凝土向轻质、高强、改变脆性等方向发展，并致力于开发和改进预应力结构、组合结构和其他新型结构以扩大其使用范围。19世纪中叶以后，钢铁生产发展，随之出现了钢筋混凝土这种新型复合材料，充分利用钢筋抗拉强度高，混凝土抗压强度高的优势，初步克服了混凝土结构抗拉强度低、用途受限制的弱点。20世纪30年代出现了预应力混凝土，预应力混凝土虽然只有几十年的历史，但因其结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大超过了钢筋混凝土结构，进一步扩大了混凝土的应用范围，拓展了许多新的应用领域[2]。

随着社会的不断进步，社会对工程建筑的要求越来越高。但是混凝土作为建筑材料的固有弱点也愈发突出，例如抗拉强度低，韧性差等限制了混凝土优势的发挥。随着社会对大跨度结构和高层建筑的需求量日益增加，对混凝土的性能要求也就越来越高。因此，人们致力于使混凝土向轻质、高强、改变脆性等方向发展，以扩大其使用范围。在这一背景下，纤维增强混凝土应运而生。事实上，利用纤维增强混凝土并非当代的新设想，早在民间便有了将稻草或毛发混合拌入泥浆中制造土坯或土墙的经验，至于利用人造纤维来改善混凝土的性能，则还是最近几十年才逐渐出现的思路和做法[3]。

2 钢纤维混凝土特点

钢纤维混凝土最早出现于20世纪初，1907年俄国开始用金属纤维增强混凝土；1910年美国的H.F.Porter发表了短钢纤维的研究报告，1911年美国的Graham曾把钢纤维掺入普通混凝土中．1963年美国学者J.P.Romualdi和G B．Baston[4～8]发表了一系列钢纤维阻裂机理的论文，提出了著名的“纤维间距理论”，即认为钢纤维混凝土的开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的理论，这引起了广泛的重视，从而促进了钢纤维混凝土的发展。20世纪70～80年代是钢纤维混凝土，特别是钢纤维高强与超高强混凝土的研究和开发应用十分活跃的时期。

钢纤维混凝土是由细骨料、粗骨料、水泥以及乱向分布的钢纤维等材料组成的一种多相非均质的复合材料（如图1所示）。由于钢纤维的增强、阻裂作用，钢纤维混凝土具有较普通混凝土更为优越的力学性能，从而在工程建设和防护工程中得到日益广泛的应用。钢纤维的掺入，使混凝土性能发生明显改善，和普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有以下特点： 1）强度和重量的比值增大．这是纤维混凝土具有优越经济性的重要指标，也是它具有广阔应用前景的重要保证[9-10]；抗拉强度和主要有主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度明显提高。

2）变形性能明显改善。钢纤维对混凝土受拉弹性模量随纤维掺量的增加约提高0～20％[11]。钢纤维对混凝土的韧性比素混凝土大大提高。

3）抗收缩和徐变性能有所提高。钢纤维混凝土的收缩值随着掺量的增加而有所降低。例如，掺量为1.5％（长径比为50）的钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7％～9％[12]。持续荷载下钢纤维混凝土的受压徐变比相同条件的普通混凝土有所降低[13]； 4）抗裂和抗疲劳性能有较大改善。由于钢纤维对混凝土的阻裂作用，钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的软化后性能和抗疲劳性能。 5）具有较好的物理耐久性和化学耐久性。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都表现出良好的耐腐蚀性。钢纤维混凝土在土建工程中应用广泛，应用前景十分广阔。

近20年来，国内外对钢纤维混凝土的力学和结构性能做了大量的研究，并将其用于道路、桥梁、隧道、水利、海洋、建筑和耐火材料结构等各项工程中。在工程实践中具有重要意义。

3 待解决问题

1）钢纤维混凝土的增强效应在钢纤维含量增至某一值时，将趋于稳定值。需进一步推导出理论公式计算不同试验条件下或者不同变量下该趋势稳定时对应的掺量或计算表格给与实际工程指导，以达到效益最大化。

2）因为混凝土本身就是非线性材料，而钢纤维也只是尽可能的均匀搅拌，需进一步推导出与更多参数比如钢纤维分布的不均匀系数联系一起的本构关系，用于研究人员使用，得到更符合实际情况的本构关系。

参考文献：

[1] 蔡中民等编著.混凝土结构试验与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 赵国藩等编著.钢纤维混凝士结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[3] 林小松，杨国林．钢纤维高强与超高强混凝土[M].北京：科学出版社，2002.

[4] Ali R.Khaloo，Majid Afshari.Flexural behavior of small steel fiber reinforced concrete slabs．Cement & Concrete Composites，2005，27：141～149.

[5] X.G.Hua，A.W.Momberb，Y.Yina，H.Wanga，D.M.Cui.High-speed hydrodynamic wear of steel-fiber reinforced hydraulic concrete Wear，2004，257：441～451．

[6] F.Bayramov，C.Tas demir，M.A.Tas demir.Optimization of steel fiber reinforced concretes by means of statistical response surface method．Cement＆Concrete Composites，2004，26：665～675．

[7] Fu-shu Zeng，Ming-Lang Lin，Shi-Che Yuan.Performance of toughness indices for Steel fiber reinforced shot concrete.Tunneling and Underground Space Technolo-gy，2002，17：69～82．

[8] M.C.Nataraja，T.S.Nagaraja，S.B.Basavaraja.Reproportioning of steel fiber reinforced concrete mixes and their impact resistance．Cement and Concrete Research，2005，1：1～10.

[9] [英]汉南特（Hannant，D•J•）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] [日]小林一辅著，邹崇富译.纤维补强混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1985.

[11] 程铁生，章文纲，吴爱中．钢纤维混凝土抗拉性能的研究．全国第三届纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文集，武汉，V o1.3 1990．

[12] P.S.Mangata，M.M.Azari.Shrinkage of Steel Fiber Reinforced Cement Composites，Journal of Materials Science，1985，V o1.20，163~171．

[13] 王璋水，路慧棠．高强钢纤维混凝土的性能与应用[M]．北京：空军设计研究局，1986．