钢纤维对混凝土性能的增强机理分析

钢纤维对混凝土性能的增强机理分析

【摘要】钢纤维混凝土是一种新型的多相复合材料，它在工程领域特别是建筑领域里得到广泛的应用。本文对钢纤维混凝土概况进行了介绍，并对混凝土中的钢纤维的增强机理和对混凝土产生的作用进行了简要分析，并对其力学性能及防冻、收缩功能进行了探讨。

【关键词】钢纤维；混凝土；性能；增强机理

在复合材料中，钢纤维增强混凝土是近年来迅速发展的一种新兴的建筑材料。在建筑业发展历史上它是一个必然的科学研究成果。钢纤维增强混凝土即在普通的混凝土中加入多向分布的短钢纤维而形成的一种复合材料。由于钢纤维在混凝土内部多向分布的原因，能够有效地阻止混凝土内部微小裂缝的扩大延伸及大裂缝的形成。

所以向混凝土中加入钢纤维，除了能增强抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂等力学性能，混凝土的抗断裂韧性和抗冲击性能也都大大增强。钢纤维增强混凝土造价成本低，制作相对简单，因此广泛用于公路路面、桥面、混凝土路轨及抗震抗爆结构工程中。

1 钢纤维的增强机理分析

钢纤维混凝土增强机理的研究在理论上有两种定义：一是复合力学理论，二是纤维间距理论。从不同角度出发，两种理论分别解释了钢纤维的增强作用，其最终结果是相同的。

1.1 钢纤维的复合力学理论

在复合力学理论中，钢纤维混凝土被看成是一种纤维强化作用体系。钢纤维混凝土的应力、弹性模量和强度是根据混合原理推算而出的。根据纤维在钢纤维基体中的分布与取向引入纤维方向系数，正确选择纤维方向系数是取决纤维增强效果的主要因素之一。

1.2 钢纤维的纤维间距理论

在钢纤维间距理论中，是根据线弹性断裂力学原理来解释钢纤维对混凝土裂缝的产生或抑制的作用。混凝土是一种脆性材料，要想增强其抗拉强度，而多方向加入钢纤维后，使钢纤维与混凝土裂缝两边之间的粘应力对裂缝混凝土的扩展有抑制作用。

2 混凝土受钢纤维力学性能的影响

2.1 钢纤维对混凝土抗压强度的影响。

根据力学试验数据的分析，混凝土的抗压强度的大小和混凝土的基本性能有关。钢纤维的加入对混凝土的抗压强度没有太大的影响，相反因为纤维的加入，使混凝土的和易性变差，内部界面会增加许多微裂缝，使抗压强度反而降低。但是钢纤维的加入改变了混凝土被破坏后的形式，混凝土被破坏后碎但不散，这就是抗压韧性的作用。钢纤维混凝土抗压强度的尺寸效应比普通混凝土高。

受力学因素的影响，混凝土产生裂缝是内部尖端的应力集中引起。而这些裂缝发展程度有所不同，其过程可分为几个阶段：弹性阶段、裂缝扩展稳定阶段、裂缝扩展失稳阶段、纤维被拔出阶段。根据钢纤维混凝土材料裂缝的发展程度，其破坏性又可分为4个等级，第一个等级为混凝土的破坏。混凝土对应于应力应变关系中弹性阶段的末端，这时混凝土（砂浆和骨料）结合面上开始有缓慢发展的裂纹。但由于骨料对钢纤维有一种边壁效应，使钢纤维平行于骨料的边壁状态来分布，与混凝土界面的裂缝平行，这样就起不到阻止裂缝的增强作用。第二个等级为砂浆的破坏。混凝土为裂缝稳定扩展阶段的末端，此时裂缝发生了解体破坏，而导致裂缝扩展进入到硬化的水泥浆，这时钢纤维开始起到纤维的增强作用，进而使使裂缝发展的速度变慢。混凝土变形的不断发展会达到混凝土的极限强度（抗压强度）。第三个等级为硬化水泥浆体的破坏，此时的状态是裂缝迅速扩展、宏观裂缝不断增长，这时多方向加入的钢纤维能有效地阻止裂缝的发展。

2.2 钢纤维对混凝土抗剪强度的影响。

2.3 钢纤维特性对混凝土抗剪强度的影响。

由于钢纤维自身的特性，对钢纤维混凝土有着一定的抗剪强度。钢纤维的自身特性主要包括钢纤维的类型、形状、长径比以及自身强度等等。

在钢纤维抗剪破坏的过程中，钢纤维会对混凝土的抗剪强度有明显的影响，因此截面刚度和等效直径对钢纤维高强混凝土抗剪强度的影响变得更加显著。钢纤维的截面刚度和自身强度都比较高，另外铣削型纤维与基体的粘结非常牢固。再加上该纤维的两端有弯钩，都使铣削型钢纤维能大大提高混凝土的抗剪强度。

对于剪切端钩形纤维和剪切长直形纤维，其纤维均为剪切型，纤维的表面粗糙程度也很相似，这两种纤维对于提高混凝土抗剪强度有着重要作用。其中剪切端钩形纤维的抗剪强度要优于剪切长直形纤维。

冷拉钢丝切断型纤维的等效直径是这几种纤维中最小的一种，其断面是圆形而且表面非常光滑。尽管冷拉钢丝切断型纤维强度非常高，而且两端设有坚固的弯钩，但这种纤维对混凝土的抗剪强度在4种纤维中是最小的。由此可见，钢纤维具有横断面对高强混凝土有着非常大的抗剪强度。钢纤维的其他自身特性也决定了钢纤维对混凝土的抗剪强度。

2.4 钢纤维掺量对混凝土抗剪强度的影响。

钢纤维的成分和掺入量的多少也决定了钢纤维混凝土的抗剪强度的大小。钢纤维体积掺和率的越高，钢纤维混凝土的抗剪强度就高。但是在混凝土基体的强度升高以后，提高钢纤维的掺入量就减弱了钢纤维混凝土的抗剪强度，但不很明显。随着钢纤维掺量的不断增多，钢纤维混凝土受到的剪切破坏现象完全是由脆性破坏向半脆性破坏发展.由于钢纤维的作用，混凝土在产生裂缝之后，仍能继续保持一定的承载能力。

对钢纤维混凝土抗剪强度的影响主要取决于钢纤维的横断面性质。还包括钢纤维的其他自身性质，如钢纤维的自身长度或两端的变形、纤维自身强度、纤维表面的粗糙程度的变化也会引起钢纤维混凝土的抗剪强度的变化。随着钢纤维体积掺率的增加，钢纤维混凝土的抗剪强度逐步增高。但在混凝土基体强度较高时，提高钢纤维掺量对钢纤维高强混凝土抗剪强度的改善作用反而减弱。

3 钢纤维对混凝土弯曲性能的影响

当钢纤维混凝土强度一致时，它的极限强度和抗弯强度大小与纤维体积的变化有关，一般来说，弯曲荷载和挠度曲线随着钢纤维的体积分数的的大小而发生变化，而达到峰值荷载的变形能力也在陆续增加，在荷载-挠度曲线的下降段由陡直渐趋平缓而能够继续承受较大的荷载时，即呈现出大的持荷变形的能力，那么，钢纤维混凝土产生的破坏形态由脆性破坏转为韧性破坏。

4 结论

钢纤维混凝土是一种新型的多相复合材料，在工程领域特别是建筑领域里得到广泛的应用。在复合材料中，钢纤维增强混凝土是近年来迅速发展的一种新兴的建筑材料，在建筑业发展历史上它是一个必然的科学研究成果。