钢纤维混凝土的研究现状和发展动态

1、钢纤维混凝土的研究现状和发展动态 1 前言 随着1824年波特兰水泥的出生，在1830年前后消失了混凝土，作为当初的一种新型建造材料，就广泛地应用于土木和水利工程。尤其是在19世纪中叶以后，陪同着钢铁的进展，人们把钢筋和混凝土结合起来，出生了钢筋混凝土(Reinforced Concrete)这种新型的复合建造材料，大大提高了结构的抗裂性能、刚度、承载能力和耐久性，从而使建造业经受了一场革命。尽管混凝土的固有优点是高抗压强度，然而它也有固有弱点如构件的自重大、易于塑性干缩开裂、抗疲惫能力低、韧性差、抗拉强度低(一般仅为抗压强度的7%-14%)、易产生裂纹、抗冲击碎裂性差等，限制了在工程中的使用

2、范围。这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出。因此，长期以来很多专家和学者不断探究改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增加耐久性)的各种方法和途径，于是，提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合材料纤维混凝土。 2纤维混凝土的进展和现状 纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete，简称FRC)，是纤维增加混凝土的简称，通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，以金属纤维、无机纤维或有机纤维增加材料组成的一种水泥基复合材料。它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延长率、高抗碱性等良好性能的纤维匀称的凝聚在混凝土基体中形成的一种新型建造材料。纤维在混凝土中限制混凝土早期裂缝的产

3、生及在外力作用下裂缝的进一步扩展。在纤维混凝土受力初期，纤维与混凝土共同受力，此时混凝土是外力的主要担当者，随着外力的不断增强或者外力持续一定时光，当裂缝扩展到一定程度之后，混凝土退出工作，纤维成为外力的主要担当者，横跨裂缝的纤维极大的限制了混凝土裂缝的进一步扩展。由此可见，纤维有效地克服了混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲惫性能差等固有缺陷。 与平凡混凝土相比，FRC具有较高的抗拉、抗弯拉、抗冲击、抗阻裂、抗爆和韧性、延性等性能，同时对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋性等方面也有很大的贡献。 鉴于FRC具有素混凝土不具有的优点，纤维混凝土尤其是钢纤维混凝土在实际工程中日益得到学术界和工程界的关注。1

4、907年原苏联专家B.HekpocaB开头用金属纤维增加混凝土；1910年，美国H.F.Porter发表了有关短纤维增加混凝土的研究报告，建议把短钢纤维匀称地凝聚在混凝土中用以强化基体材料；1911年，美国Graham曾把钢纤维掺入平凡混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果；到20世纪40年月，美、英、法、德、日等国先后做了很多关于用钢纤维来提高混凝土耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维样子以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等方面的研究；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表了关于钢纤维约束混凝土裂缝开展的机理的论文，提出了钢纤维混凝土开裂强度是由对拉伸

5、应力起有效作用的钢纤维平均间距所确定的结论(纤维间距理论)，从而开头了这种新型复合材料的有用开辟阶段。到目前，随着钢纤维混凝土的推广应用，因纤维在混凝土中的分布状况不同，主要有四类：钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、层布式钢纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土。 2.1 钢纤维混凝土 钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete 简称SFRC)是在平凡混凝土中掺入少量低碳钢、不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较匀称而多向配筋的混凝土。钢纤维的掺入量按体积一般为l-2%，而按分量计每立方米混凝土中掺70-100Kg左右钢纤维，钢纤维的长度宜为25-60mm，直径为0.25

6、-1.25mm，长度与直径的最佳比值为50-700。 与平凡混凝土相比，不仅能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增加混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高结构的疲惫性能及其耐久性。尤其是韧性可增强l0-20倍，美国对钢纤维混凝土与平凡混凝土力学性能比较的实验结果见下表： 物理力学性质指标 平凡混凝土 SFRC 极限抗弯拉强度 2-5.5MPa 5-26 MPa 极限抗压强度 21-35 MPa 35-56 MPa 抗剪强度 2.5 MPa 4.2 MPa 弹性模量 2104-3.5104 MPa 1.5104-3.5104 MPa 热膨胀系数 9.9-10.8m/mk 10.4-

7、11.1 m/mk 抗冲击力 480Nm 1380 Nm 抗磨指数 1 2 抗疲惫限值 0.5-0.55 0.80-0.95 抗裂指标比 1 7 韧性 1 1020 耐冻融破坏指标数 1 1.9 我国对SFRC与平凡混凝土力学性能做了比较实验，当钢纤维掺入量为15-20%、水灰比为0.45时，其抗拉强度增长50-70%，抗弯强度增长120-180%，抗冲击强度增长10-20倍，抗冲击疲惫强度增长15-20倍，抗弯韧性增长约14-20倍，耐磨损性能也显然改善。 由此可以看出：与素混凝土相比，SFRC具有更优越的物理和力学性能：(1)较高的弹性模量和较高的抗拉、抗压、抗弯拉、抗剪强度；(2)卓越的

8、抗冲击性能；(3)抗裂和抗疲惫性能优异；(4)能显然改善变形性能；(5)韧性好；(6)抗磨与耐冻融有改观；(7)强度和分量比增大，施工简便，材料性价比高，具有优越的应用前景和经济性。 2.2 混杂纤维混凝土 鉴于钢纤维混凝土有很多正是我们需要而素混凝土又不及的优点，所以很受工程界的青睐。但有关研究资料表明，钢纤维对混凝土的抗压强度并无显然促进作用，甚至还有所降低；与素混凝土相比，对于钢纤维混凝土的抗渗性、耐磨性、耐冲磨性及对防止混凝土早期塑性收缩等还存在正反(提高与降低)两方面甚至居中的观点。此外，SFRC用量较大价格较高，有生锈问题，对因为火灾引起的爆裂几乎无效等，这些问题都在不同程度影响了

9、其应用。 目前，尽管单一纤维混凝土有着自身的优点，但是低模量合成纤维混凝土因为模量低，变形大，乱向而松散地掺入混凝土中，对提高混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗折强度等很不显著，这些缺点限制了低模量合成纤维适用领域。近些年来，一些国内国外学者开头将目光投向混杂纤维混凝土(Hybrid Fiber Reinforced Concrete 简称HFRC)，试图把具有不同性能和优点的纤维混杂，取长补短，在不同层次和受荷阶段发挥正混杂效应来增加混凝土，以适应不同工程的需要。但是关于它的各种力学性能尤其是HFRC的疲惫变形及疲惫损伤、在静、动荷载以及等幅或变幅循环荷载作用下的变形进展逻辑和损伤特性、纤维的最佳

10、掺配量、混杂比例、复合材料各组份的关系、增加效果及增加机理、抗疲惫性能、破坏机理、施工工艺、协作比设计等方面的研究还有待进一步举行。 2.3 层布式钢纤维混凝土 因为整体式纤维混凝土不易搅拌匀称，在搅拌过程中纤维易结团，而且其纤维用量也较大，造价比较高，所以难以获得大面积的推广应用。通过大量的工程实际和理论研究，人们提出了一种新型钢纤维结构形式上下层布式钢纤维混凝土(Layer Steel Fiber Reinforced Concrete 简称LSFRC)，它是将少量的钢纤维匀称撒布于路面板的上下两个表层，而中间仍为素混凝土层。LSFRC中的钢纤维一般由人工或机械撒布，钢纤维较长，长径比一般

11、70120之间，呈二维分布。 在不影响力学性能的条件下，这种材料大大降低了钢纤维的用量，同时也避开了整体式纤维混凝土在搅拌时易消失纤维结团现象。实验研究表明：用体积率为0.12%的钢纤维，所配制的底面层布钢纤维混凝土的7d、28d抗折强度比同条件下的素混凝土的抗折强度分离增强了27%和26%，而与钢纤维混凝土（体积率为1.2%）的抗折强度相近，而钢纤维用量节省90%。此外，钢纤维在混凝土中的层布位置对混凝土的抗折强度影响很大，钢纤维层布在混凝土底部增加效果最佳，随钢纤维层布位置上移，其增加效果显然削弱，上下层布式钢纤维混凝土，比同协作比的素混凝土抗折强度提高35%以上，比整体式钢纤维混凝土略低

12、，但上下层布式钢纤维混凝土可节省大量材料成本，也不存在搅拌难的问题。因此，上下层布式钢纤维混凝土是一种具有良好的社会经济效益和宽阔的推广应用前景、值得在路面施工中推广的新材料。 2.4 层布式混杂纤维混凝土 尽管LSFRC上下表面的一定厚度范围内得以加强，但是其中间的素混凝土层却成了薄弱环节。虽然其抗折强度和疲惫强度经实验证实都有很大提高，可其延性、韧性、抗渗性及耐久性却增长不大，一旦表层钢纤维磨出后将会存在平安隐患。 层布式混杂纤维混凝土(Layer Hybrid Fiber Reinforced Concrete 简称LHFRC)是在LSFRC基础上掺入0.1%的聚丙烯纤维，把大量细而短，

13、具有较高抗拉强度、高极限延长率的聚丙烯纤维匀称分布在上、下层钢纤维混凝土和中间层的素混凝土中。可以理解为是混杂合成纤维混凝土和层布式钢纤维混凝土的融合。 LHFRC在增加混凝土抗压强度方面的影响并不显然，与素混凝土相比，其对混凝土的强度提高仅为0.3%左右，且其抗压强度比层布式钢纤维混凝土低4%左右。 LHFRC在增加混凝土抗折强度有显然的提高，与素混凝土相比，其对素混凝土的抗折强度提高20%左右，与层布式钢纤维混凝土相比，其对层布式钢纤维混凝土的抗折强度提高2.6%，但对混凝土的抗折弹性模量的影响不大，层布式混杂纤维混凝土的抗折弹性模量比素混凝土的高1.3%，比层布式钢纤维混凝土低0.3%。

14、 LHFRC在增加混凝土弯曲韧性有显然的提高，弯曲韧性指数是素混凝土8倍左右，是层布式钢纤维混凝土的1.3倍，显然提高了混凝土的韧性。 在LHFRC中，因为两种或多种纤维在混凝土中的表现不同，我们可以按照工程的需要，利用合成纤维、钢纤维在混凝土中的正混杂效应，提高材料的延性、耐久性、韧性、初裂强度、抗折强度、抗拉强度等方面大幅度提高，延伸材料的使用寿命和改善材料的质量。 3理论支持 尽管掺入混凝土基体中的高模量纤维(如钢纤维)主要起增加、增韧作用，然而纤维对基体的增加理论至今未能满足地解决，仍以复合理论和纤维间距理论并存。 复合理论是研究脆性纤维增加延性基体材料(FRP)的增加理论时提出的，将复合材料基体的性能视为与复合前彻低一样，此时按混合法则计算是可行的。 纤维间距理论又称阻裂理论，是Rmualdi及其同事Batson等按照线弹性断裂力学而提出的，该理论认为纤维的增加作用仅与匀称分布的纤维间距(最小间距)有关。 这两种理论并不能充分地解析纤维混凝土对基体增加，复合材料理论忽视了纤维对基体的阻裂作用，即忽视了复合带来的耦合效应；纤