钢纤维混凝土应用与研究进展

摘要：本文主要介绍了钢纤维混凝土的定义与钢纤维混凝土的特点以及国内外的发展研究现状，并对钢纤维混凝土增韧机理进行了分析。

关键词：钢纤维混凝土；研究现状；增韧机理

Abstract: This paper describes the characteristics of the definition of steel fiber reinforced concrete (SFRC) and the development research of SFRC was discussed In addition, at last the steel fiber reinforced concrete toughening mechanism was analyzed.

Key words: steel fiber reinforced concrete, development research, toughening mechanism

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1. 绪论

21世纪，混凝土是人类社会最广泛使用的大宗建筑材料，与其他建筑材料相比具有材料来源广、工艺简单、适应性强、施工方便等特点。但是由于混凝土材料本身存在收缩大、脆性大、易开裂，以及断裂韧性低等本质性的弱点，制约了混凝土的进一步发展。随着水泥基材料抗压强度的大幅度提高，如何增加水泥基材料的抗裂、抗冲击、抗拉及延性等性能，成为工程界所关心的问题。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。我国著名混凝土专家吴中伟教授生前曾多次指出，复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心，复合化的技术思路—“超叠加效应”，对混凝土材料的高性能化具有重要意义。

自20世纪70年代以来，纤维增强水泥基复合材料已日益引起材料界与工程界的广泛重视。随着研究工作不断深入，新品种相继问世，并大量应用于工程领域。纤维混凝土是国际上近年来发展很快的新型水泥基复合材料，以其优良的抗拉抗弯强度、阻裂限缩能力、耐冲击及优良的抗渗、抗冻性能而成功地应用于军事、水利、建筑、机场、公路等领域，目前它已成为研究较多、应用较广的水泥基复合材料之一。研究表明：混凝土基材中掺入纤维是提高混凝土韧性、抗冲击性能和抑制砂浆塑性收缩开裂的一条有效途径。

2. 钢纤维混凝土（SFRC）的概述

钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC）是近20年迅速发展起来的一种新型复合材料。它是在普通混凝土中掺入乱向分布的钢纤维所形成的一种纤维型与颗粒型相混合而成的复合材料。除抗压强度外，它的其它物理力学性能都比普通混凝土有显著的改善和提高。在受力过程中，钢纤维发挥其抗拉强度高，而混凝土发挥其抗压强度高的优势，两者各施所长，不仅提高了混凝土的抗拉、抗折、抗剪强度，而且由于它的阻裂性能使原来本质上是脆性材料的混凝土呈现出很高的抗裂性、延性和韧性。

研究表明钢纤维混凝土具有以下的性能特点：

(1)具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度。在混凝土中掺入适量钢纤维，其抗压强度提高10%~80%（C50以上混凝土提高幅度显著），抗拉强度提高50%~100%，抗弯强度提高50%~80%，抗剪强度提高50%~100%。

(2)具有卓越的抗冲击性能。材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称为冲击韧性，在通常的纤维掺量下，冲击抗压韧性可提高2~7倍，冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。

(3)收缩性能明显改善。在通常的纤维掺量下，钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%~9%。

(4)抗疲劳性能显著提高。钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。据研究表明当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51；当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。

(5)混凝土耐久性能提高。由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好，因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。据研究表明，掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降20%，而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上，经过200次冻融循环，钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为C35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。

3钢纤维混凝土的发展情况

近年来，国内外对全掺钢纤维混凝土的力学性能和结构性能做了大量的研究。1910年美国的H. F. Porte曾发表了有关以短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短纤维均匀分散在混凝土中用以强化基体材料。1911年美国的Graham曾把钢纤维掺入普通钢筋混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结论。此后，直到1940年，美、英、法、原联邦德国等国家先后公布了许多关于钢纤维混凝土方面的专利，仅就国外文献而言，在我国较有影响的就有英国学者D. J. Hannant、美国籍学者P. N. Balaguru和S. P. Shah等人的专著，有的还被译为中文。掺加钢纤维来提高混凝土的耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等。日本在第二次世界大战期间，由于军事上的需要，也曾进行过有关钢纤维混凝土方面的研究，但当时均未达到实用化的程度。

20世纪70年代，美国Battele公司研制出一种划时代的钢纤维制作方法，即熔融拔出法（Melt-Extraction），制造出廉价钢纤维，钢纤维混凝土的实用化才从根本上取得了进展，1966年美国混凝土协会成立纤维混凝土委员会(ACI544委员会)。1973年，在加拿大渥太华，由美国ACI544委员会举办了第一次纤维混凝土的国际会议，而后于1975年、1978年在伦敦又相继召开了纤维混凝土的国际性学术讨论会。此后20多年，钢纤维混凝土在发达国家和发展中国家的开发研究受到普遍重视，尤以日本、美国、英国进展最快。

近年来科研工作者对纤维混凝土的研究有了更新的进展，1993年中国工程建设标准化协会批准实施《纤维混凝土结构设计与施工规范》，规范的颁布极大地推动了纤维混凝土在各种工程以及建筑制品等领域的推广应用。近年来，国内一些大的机场跑道陆续采用钢纤维混凝土做路面，使用寿命可提高到30年以上，取得了良好的效果。

4纤维增强机理

在钢纤维混凝土中，纤维的主要作用是限制在外力作用下混凝土基体中裂缝的扩展。在受荷（拉、弯）初期，混凝土基体与纤维共同承受外力，前者是外力的主要承受者；当基体开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。若纤维体积率超过某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直至纤维被拉断或纤维从基体中被拔出，以致复合材料破坏。因此，与普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有较高的抗拉和抗弯极限强度，而尤以韧性提高的幅度为大。根据国内外研究表明纤维增强混凝土机理主要为以下两方面：

（1）复合材料机理。该机理将钢纤维作为增强材料，应用复合材料混合法则推导纤维混凝土的应力、弹性模量，并考虑纤维混凝土的力学性能与纤维的掺量、纤维取向、长径比和纤维与基体粘结力之间的关系。

（2）纤维间距机理。该机理是由美国学者J.P.Romualdi提出，它根据断裂力学说明纤维对于混凝土裂缝的约束作用，该理论认为混凝土内部的缺陷是天生的，要想提高这种材料的抗拉强度，必尽量减少混凝土内部的缺陷，提高混凝土的韧性，降低内部裂缝尖端的应力场强度因子。

纤维分布和取向对混凝土性能的影响也是很重要的。若能使纤维分布在受拉区并按受拉方向定向排列，则增强效果将大大加强。目前在增强理论取得进展的同时，大量生产钢纤维的工艺问题也解决了，使得钢纤维混凝土源源不断应用于工程建设之中。

参考文献：

1焦楚杰, 孙伟, 高培正, 蒋金洋. 钢纤维高强混凝土力学性能研究. 混凝土与水泥制品, 2005,(3)

2 邓宗才, 彭书成. 哑铃型钢纤维粉煤灰混凝土基本力学性能及抗弯韧性. 公路. 2003, 9

3 秦鸿根, 刘斯凤, 孙伟等. 钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响. 建筑材料学报. 2003, 6

4 吴中伟, 纤维增强—水泥基复合材料的未来. 混凝土与水泥制品. 1999，(1)