1-钢纤维混凝土解析

(3)钢纤维混凝土受力开始时，水泥石和粗骨 料共同承担外力，微裂缝几乎无变化。当荷载 继续增加，超过水泥浆体所能承受的拉力时。 力通过水泥浆与纤维的粘结力传递给钢纤维。 传递的力受到钢纤维的约束作用，推迟了新裂 缝的出现和限制了裂缝的扩展。在相同荷载时， 钢纤维混凝土的部分荷载由横贯裂缝的钢纤维 来承担，提高了钢纤维混凝土的承载能力。与 素混凝土相比，钢纤维混凝土受力破坏裂缝数 量增多，裂缝宽度变小，受力中轴上位移幅度 较小，相应地提高了钢纤维混凝土的承载力。 同样在冲击荷载作用下，提高了混凝土的耐冲 击性能，使钢纤维混凝土呈现出裂而不碎的破 坏特征。



2．钢纤维在混凝土中的阻裂原理 (1)混凝土材料因受物理作用，化学作用而产生体积减 少称为收缩。在应力的作用下，体积的变化称为徐变。 当钢纤维混凝土的混合物成型后，钢纤维和固体颗粒 逐渐下沉，呈现针状的钢纤维互相交叉，增大了下沉 的阻力，相应地减少了混凝上的塑性收缩和沉降收缩。 (2)钢纤维混凝土终凝之后，水泥在水化和硬化的过程 中，使混凝土产生化学收缩和干燥失水的物理收缩， 因而混凝土内部产生肉眼见不到的微裂缝。微裂缝大 部分布在粗骨料表面和水泥浆结构中。外掺的钢纤维 以针状骨料形式存在于水泥浆中，因而水泥水化的产 物，附着在钢纤维周围。这就减少了水泥水化硬化过 程中形成的微裂缝，提高了水泥石的结构强度。
最早源于1879年石棉纤维水泥
(ACI)544 委员会定义为：纤维增强混凝土 (Fibre Reinforced Concrete，FRC ) 一种复合材料 目前国际上基本上一致认为纤维混凝土是提 高混凝土抗裂性和韧性的有效办法。

聚丙烯（PP）纤维
Polypropylene简称PP 分子式：

3．抗剪强度 从图2—2可以看出，钢纤 维混凝土的抗剪强度随着 纤维掺量的增加而提高。 同样随着钢纤维混凝土强 度的提高，抗剪强度提高 幅度加大

4.抗弯强度 钢纤维混凝土制成受弯 构件，更能充分发挥纤 维在混凝土中的作用。 钢纤维混凝土的抗弯强 度，同样受到混凝土基 材强度、纤维的长径比 以及纤维掺量的影响。
三、钢纤维混凝土的抗冲击性能

在动荷载作用下，钢纤维混凝土在裂缝扩展时， 首先是钢纤维克服基材的粘结力而被拔出，或 是钢纤维达到屈服而被拉断。这都需要消耗大 量的能量。因此，钢纤维混凝土能提高抗冲击 性能。
四、钢纤维混凝土的弯曲受力特征和阻裂原理


1．钢纤维混凝土受弯构件特征 钢纤维混凝土受弯构件能充分发挥钢纤维在混 凝土基体中的作用，具有以下特征： (1)当荷载从零增到初裂，荷载和变形基本为 直线关系。初裂后，基体通过界面粘结力，将 荷载传递给钢纤维，而钢纤维约束裂缝的开展， 二者变形协调处于弹性阶段。这时钢纤维与混 凝土基体作为整体共同承担荷载，使初裂荷载 显著提高。
纤维混凝土

定义：在普通混凝土的基础上外掺各种纤维材 料而制成的复合材料。
钢纤维（应用较广） 玻璃纤维（应用广） 炭纤维 芳香族聚酰胺纤维
纤维 材料
•玻璃纤维、芳纶纤维与碳纤维制品：
用于预拌混凝土的主要纤维品种
PP纤维（聚丙烯纤维） 钢纤维： PVA纤维（聚乙烯醇纤维）

纤维混凝土定义

二、钢纤维混凝土的配合比原则

1．钢纤维的选择 为了选择增强效果较好的钢纤维配制混凝土， 应结合钢纤维的长径比、表面粗糙程度以及工 程实际的经济效益加以选择，



2．合理的纤维掺量 钢纤维在混凝土中分布的多少，称为纤维掺量(或纤 维率)。纤维掺量的大小，直接影响钢纤维混凝土的 力学强度。随着纤维掺量的增加，拌合物的坍落度显 著减小。这是由于钢纤维的比表面积大，占用了部分 拌合水的缘故。同时钢纤维与钢纤维之间存在架力作 用，也造成钢纤维混凝土中拌合物内部的摩擦力增大， 使拌合物的和易性变差，引起混凝土强度下降。 3．最优砂率 钢纤维掺入混凝土中，由于钢纤维的存在，使混凝土 和易性下降，必须增大砂率。若砂率过大，使钢纤维 混凝土强度下降。因此配制钢纤维混凝土时，应选择 最优砂率。
五、钢纤维混凝土的疲劳性能



单轴受压疲劳试验 程国庆等研究的主要结果为 (1)钢纤维混凝土的疲劳变形及疲劳损伤特性 得到显著改善，疲劳寿命约提高20%； (2)基材混凝上强度等级对钢纤维混凝土的疲 劳变形及疲劳损伤影响不明显； (3)随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝上的 疲劳性能得到了改善。

无助于增进混凝土的抗压、抗拉强度 无助于减少混凝土干缩裂缝出现机率； （上述两者是源于纤维的低E值与低Vf ）
增韧机理
冲 击 循 环 荷 寻求 载 薄弱 内 点释放 能 能量 集 聚
新 裂 纹 出 现 纤 维 发 挥 作 用
寻求基体 最薄弱处 出现新裂纹 消耗变形能
新 裂 纹 出 现 新 的 平 衡 建 立
六、钢纤维混凝土受压弹性模量及泊松比

通过表2—3可以得出，钢纤维混凝土的轴心抗 压强度、受压弹性模量和泊松比与普通混凝土 相比，均相差不多；但钢纤维混凝土的极限应 变大于普通混凝土。
七、钢纤维混凝土的收缩与徐变

混凝载土中存在着大量孔隙，粗孔和毛细孔等，同时混凝土中又 存在着水分，包括化学结合水、物理—化学结合水、物理力学结 合水。化学结合水是以严格比例参与水泥水化的水，使水泥浆形 成结晶固体。化学结合水是强结合水，不参与外界湿度的交换。 因此不能引起收缩和徐变。物理化学结合水在混凝土中不严格按 比例存在，呈现吸附薄膜结构，在混凝土中起着溶解或扩散水泥 粒子的作用，易受环境水分蒸发作用产生吸附收缩。物理力学结 合水是在混凝上各晶格间及粗细毛细孔中的自由水，含量不稳定， 结合力弱。当混凝土承受干燥作用时，首先将大孔和粗毛细孔的 自由水开始蒸发，由于蒸发失水，产生收缩。若进一步干燥，会 使细孔和微毛细孔的水分减少，引起毛细压力，水泥基体承受压 缩变形，产生收缩，称为毛细收缩。水泥浆在水化过程中，化学 结合水与水泥微粒水化硬化也产生少量收缩。由于以上三种收缩 引起混凝土整体变形。

5．减水剂 钢纤维混凝土掺入适当的减水剂，能提高基材 质量，充分发挥钢纤维的阻裂作用。减水剂为 高分分子表面活性剂，水溶液具有电荷存在。 当混凝土拌合料中加水搅拌，使水泥颗粒产生 一些絮状结构，这些絮状结构包围着一些拌合 水，从而减少了水泥水化的需水量，降低了新 拌砂浆的和易性。并且在同样和易性条件下， 可大量减少用水量，降低混凝土的水灰比，并 改善水泥浆体与粗、细骨料及钢纤维之间的表 面粘结力。



综上所述： 钢纤维混凝土的抗压强度，随着纤维掺量的增 加而稍有增加。钢纤维混凝土的破坏改变了混 凝土脆性破坏的形式，由脆性破坏变为近似于 延性断裂，在断裂前出现较大变形，裂缝扩展 速度较慢，提高了混凝土的韧性和抗裂性。 钢纤维混凝土的抗拉强度、抗剪强度和抗弯强 度，随着纤维掺量的提高而明显增加，对提高 受弯构件的承载能力，起很大作用。
--CH 2-CH-[ ]n _
CH3
PP纤维在混凝土内部的分散也可以形成“纤 维网”，但PP纤维因无羟基，较PVA纤维无氢键 作用，只有物理吸附，作用力很弱，“纤维网” 也很弱。
PP纤维的效能(引自沈荣熹教授的报告)




减少混凝土出现塑性沉降裂缝的机率 减少混凝土出现塑性收缩裂缝的机率 有助于适度增进混凝土的抗渗性与抗冻融性 （源于塑性裂缝出现机率减少 有助于防止或减轻混凝土在火灾中发生 爆裂（源于单位体积混凝土中细合成纤 维的极高数量）
二、钢纤维混凝土的韧性


韧性是指材料受力破坏前吸收能量的性质。抗 裂性是指钢纤维在脆性混凝上基体中减少裂缝 和阻滞裂缝开展的性质。钢纤维混凝土具有很 好的韧性和抗裂性。 在图2—4所示钢纤维混凝土和普通混凝土弯曲 时的荷载与变形曲线中，对普通混凝土，当荷 载达到极限时，混凝土不能承受荷载，发生脆 性破坏而断裂 (见曲线7)，

6．掺合料 应用于钢纤维混凝土中的掺合料有沸石粉、粉 煤灰及硅灰等
第二节 钢纤维混凝土的基本特性

一、钢纤维混凝土的力学强度 1．抗压强度 从相关钢纤维混凝土的资料来分析，钢纤维对 提高混凝土的抗压强度均不显著。


2．劈拉强度 钢纤维混凝土的劈 拉强度与纤维直径、 纤维的长径比、基 材质量以及纤维掺 量有关。


4．粗骨料最大粒径 普通混凝土中，粗骨料最大粒径是由构件的最 小尺寸和倒筋间距来决定。钢纤维混凝土，除 上述因素外，还应根据掺入钢纤维的长度来决 定。因纤维分布在粗骨料周围，粗骨料过大导 致纤维在粗骨料之间产生互相聚束或互相干扰。 当粗骨料过多，颗粒过大，聚束现象严重，钢 纤维混凝土的力学强度下降。

钢纤维混凝土的韧性随着钢纤维掺量的增加而 大幅度提高，同时与纤维和基材的粘结力有关。 基材强度提高，纤维混凝土的韧性也相应提高。

但对钢纤维混凝土的变化过程，则可分为三个阶段。 一是当荷载从零增加到初裂时，荷载与变形基本为一 直线增加。此时钢纤维与混凝土基材作为一整体共同 承载，使初裂荷载显著提高。二是从初裂荷载继续增 加到极限荷载时，钢纤维通过界面粘结力横贯裂缝传 递内力，使钢纤维混凝土仍能继续承载。随着荷载的 增加，混凝土裂缝继续扩大，挠度也随之加大。荷载 变形曲线逐渐向内弯曲，此时处于弹性阶段。三是当 荷载继续增加到破坏，此时钢纤维与混凝土的界面粘 结力被破坏，钢纤维从基材中拔出，吸收大量能量。 钢纤维混凝土的荷载与变形曲线均逐渐缓慢下降，呈 现出明显的塑性特征。
新的摩擦源 与受力纤维 减少，加速 微裂纹扩展
混 凝 土 试 件 破 坏
钢纤维混凝土
纤维混凝土
单轮载荷33t
钢纤维混凝土(抗折强度为8.6MPa)加固的停机坪
实现多缝开裂
第一节 概述


钢纤维是以切断细钢丝法、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。 钢纤维混凝土是在普通混凝土中，均匀地乱 向分布一定量的钢纤维，待其硬化后的混凝 土，称之为钢纤维混凝土。


(2)当荷载继续增加，由于处于弹性阶段的钢纤维，通过 界面的粘结力，横贯裂缝传递内力，钢纤维混凝土仍能 继续增加荷载，混凝上基体的裂缝随荷载的增加而逐渐 扩展，变形也就随之加大，荷载和变形曲线逐渐弯曲。 此时钢纤维混凝土处于弹塑性阶段，也就是钢纤维混凝 土出现裂缝后强度增长的阶段。 (3)当钢纤维与混凝上基体之间的界面粘结强度达到极 限．此时钢纤维从裂缝处纤维锚固最短受力最大的部分 开始，依次从基体中拔出，钢纤维混凝土的承载能力逐 渐减少直至破坏。这时数目众多的钢纤维从基体中脱粘 而拔出，吸收了大量的能量，钢纤维混凝土的荷载与变 形的曲线逐渐缓慢下降。它与普通混凝土的脆性破坏形 成了鲜明的对比。