浅述钢纤维混凝土的增强理论及其应用

新型复合材料的不断出现及其力学问题的复杂性，给力学工作者带来了极大的挑战。在近半个多世纪中，人们不断探索和进行深入地研究，寻求复合材料的复合机理，用于改进设计和工艺，制造出合理的、便于工程应用的新材料。纤维复合材料就是其中的最重要的成果之一。由于独特的优异性能，近三十年来，纤维复合材料在一些先进国家中得到广泛地应用，并且日益受到工程界的重视。

纤维混凝土材料是典型的纤维复合材料。它是近些年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。钢纤维在混凝土中主要是限制混凝土裂缝的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度较普通混凝土有显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性有较大改善，使原本属于脆性材料的混凝土变成具有一定塑性性能的复合材料。

（１）复合材料力学界面应力传递的剪滞理论。复合材料是由两种或多种性能不同材料组成的新材料，其中每一种组成材料称为复合材料的相或组分。通常，将复合材料中一个比较连续的相称为基体，而被基体包容的相称为增强材料，基体与增强材料的结合面称为界面，复合材料是一种多相材料。

纤维复合材料界面的应力传递是提高材料力学性能的关键，如何解决纤维复合材料中力的传递问题最早是由Ｃｏｘ运用解析的方法进行研究的，即剪切滞后理论模型。考虑到埋置于基体中的纤维，它的长度为，受到平行于纤维方向拉伸载荷，基体与纤维保持为弹性，界面黏结是完好的，作用在基体上的应力将通过界面传递到纤维上。Ｃｏｘ给出当在纤维方向受到拉伸载荷时，沿纤维的拉伸应力为

（１－１）

其中

（１－２）纤维的拉伸应力由图１给出。可以看出，剪应力在纤维端部最

大，而在中间较小。Ｃｏｘ的理论不仅解

释了纤维复合材料应力的传递过程，更

加重要的是为纤维复合材料力学问题的

研究提供了明确的方向。

钢纤维混凝土中，钢纤维周围的水

泥基体结构与自身结构是不相同的，即

在钢纤维与基体之间存在着界面层。钢

纤维混凝土的性能主要取决于混凝土基体性能、钢纤维含量以及它们之间的界面特性。当荷载作用于钢纤维混凝土时，荷载一般先施加于混凝土基体，然后通过纤维－基体的界面把一部分荷载传递给钢纤维，使纤维和基体共同承担荷载，从而起到纤维增强的作用。

（２）纤维间距理论。纤维间距理论又称纤维阻裂理论。１９６３年Ｊ・Ｐ・Ｒｏｍｕｌｄｉ在研究钢纤维约束混凝土裂缝开展机理的基础上，提出了纤维间距理论。该理论根据线弹性断裂力学理论解释纤维对裂缝发生和发展的约束作用，认为欲增强混凝土这种本身带内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能的减少缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。故在裂缝处用纤维连接，受拉时跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的上下表面，使裂缝处材料仍能继续承载，这样，因裂缝的出现孔边应力集中程度就缓和，随着桥接裂缝纤维数目的增多，纤维间距越小，对裂缝尖端产生的反向应力场也越大，强度提高的效果也就越好。当纤维数量增加到密布于裂缝时，应力集中就会消失，进一步表明纤维的阻裂效应，即在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，有效地提高了复合材料受力前后阻裂引发与扩展的能力，达到钢纤维对混凝土增强与增韧目的。

钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，以其优良的抗拉、抗弯、阻裂、耐冲击、耐疲劳、高韧性等物理力学性能，目前已被广泛应用于建筑工程、水利工程、铁路公程、公路桥梁工程、公路路面和机场道面工程、管道工程、内河航道工程、防暴工程和维修加固工程等各个专业领域。

（１）建筑工程。钢纤维混凝土在建筑工程中的应用越来越广泛，主要用于房屋建筑工程、框架节点、屋面及地下防水工程等工程领域中。如钢纤维混凝土具有良好的抗裂性，可使构件在外荷载作用下处于弹性阶段，因而应力不会出现重分布状态；抗震框架节点中使

用钢纤维混凝土，能代替箍筋满足节点对强度、延性等方面的要求，

而且还能提供类似箍筋约束混凝土的作用，且很好地解决了节点区钢

筋挤压使混凝土难于浇注的施工问题；用钢纤维混凝土制成的自防水

预应力屋面板，不仅提高了自防水预应力屋面板的抗裂性能，而且减

少了纵向预应力筋的配筋率，提高了结构的耐久性。钢纤维混凝土在

建筑中的应用实例有：武汉市轨道交通一号线一期工程鞒口路停车

场、福州市华福大厦工程等工程。

（２）水利工程。钢纤维混凝土在水利工程中的应用也比较广

泛，主要应用于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位，如泄水

孔、溢洪道、消力池、有压疏水道、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大

坝防渗面板及护坡等。这些部位产生的拉应力、剪应力都比较高，而

混凝土又是抗拉抗剪性能较弱的材料，掺入钢纤维可以解决这种弊

端。钢纤维混凝土在水利工程中应用的有：三峡工程、小浪底水利枢

纽工程、三门峡泄水排砂底孔等工程。

（３）铁路工程。在铁路工程方面，钢纤维混凝土主要用于预应

力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕等。由于铁路轨道和路基

承受较大的动荷载荷载，所以要求混凝土轨枕必须具有很好的的抗动

荷载冲击的能力以及有较高的塑性，而钢纤维混凝土刚好具有这些特

性。同时，钢纤维混凝土的应用可使铁路维护工作量大为减少，提高

了线路的使用寿命。钢纤维混凝土在铁路工程中的应用实例有：柳州

铁路局黔桂铁路铺设工程、南昆铁路隧道工程和西安安康铁路椅子山

隧道等工程。

（４）路面和桥梁工程。钢纤维混凝土广泛地应用于公路路面、

桥梁、机场跑道等新建及修补工程中。由于钢纤维混凝土有较好的韧

性和抗疲劳冲击性，可使路面面层厚度减少，伸缩缝间距加长，从而

提高了使用性能，减低了维修费用，延长了使用寿命。和普通混凝土

比较，路面面层厚度可减少约３０％￣５０％，并且，可提高路面伸缩缝

间距达３０￣１００ｍ，机场跑道的伸缩缝间距达３０ｍ。当纤维混凝土用

于路面及桥面修补工程时，其罩面厚度仅需３￣５ｃｍ，降低了施工难

度，而且使用效果较好，取得了显著的经济效益。在实际工程中有：

新乡市新辉特大立交桥工程、沪杭高速公路成渝公路、广州解放大桥

等工程。

除了上述领域外，还有很多钢纤维混凝土的应用的实例，如矿

山、隧道、耐火混凝土和耐火材料、防爆抗震和维修加固等工程。

钢纤维混凝土和普通混凝土比较，可以明显改善混

１钢纤维增强混凝土的基本理论

２钢纤维混凝土的应用

３结语

［１］

［２］

［３］

ｍ

ｃｍ

（转２０５页）浅述钢纤维混凝土的增强理论及其应用

周凯方

（安徽省明光市古沛镇政府）

摘要

关键词

钢纤维混凝土是一种新的建筑材料，由于其良好的物理和力学性能，近些年得到了广泛地工程应用。本文主要介绍了钢纤维混凝土的基本理论并阐述了其在工程领域中的应用。

钢纤维混凝土增强理论应用

图１纤维拉伸应力