钢纤维混凝土的性能综述

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钢纤维混凝土的性能综述

摘要钢纤维混凝土（SFRC），作为一种新的土木工程复合材料，近年来已经得到广泛研究。本文对钢纤维混凝土的基本性能作出了简单的介绍，并通过以下几个方面的研究对钢纤维混凝土进行了讨论：钢纤维的含量和尺寸；三轴试验；拉伸和压缩性能；耐疲劳性能；动态力学性能；延性和一些其他性能。本文提出的问题还有待解决，且对高性能钢纤维混凝土的进一步发展前景提出了建议。关键词钢纤维混凝土SFRC 性能

1 引言

作为最常用的建筑材料，混凝土具有悠久的历史。在19世纪中期，由于钢筋混凝土（RC）的广泛使用，形成了新的工程结构形式，推动了设计和计算新理论，此外还有新的建筑技术。

然而，混凝土有一些固有的缺点，如抗拉强度低，延性差和能量吸收少。随着混凝土的强度增加，这些缺点就越显著。因此，很多专家努力改善混凝土的性能。改善普通混凝土性能的有效方法是在骨料和水泥混合时通过加入一小部分的钢筋（在大多数情况下为0.5％-2％）来实现的。钢纤维混凝土的研究起步于20世纪60年代。这些年来经过广泛研究之后，人们普遍认为，加钢纤维的混凝土可以显著提高混凝土的性能。

在钢纤维混凝土中钢筋的作用是限制裂缝的发展。在负载的初期状态，由骨料和钢纤维负荷，前者是主要载体。开裂发生后，靠近裂缝的钢纤维成为主要载体。如果钢纤维的体积分数超过某一临界值时，钢纤维混凝土能够承受较高的载荷和较大的变形，直到钢纤维被破坏或拉出。因此，与传统的普通钢筋混凝土相比，钢纤维混凝土具有较高的抗压强度、抗拉强度以及韧性。

2 钢纤维混凝土的性能

2.1 钢纤维的尺寸和含量

对于几种不同类型的钢纤维，它们具有不同的长度，直径，形状，以及不同的制造工艺。因此，20世纪90年代末对钢纤维混凝土的研究越来越普遍，而对于研究人员设计的实验室测试，他们关注的第一点就是钢纤维的含量和尺寸。

C.X.Qian等人研究了优化的钢纤维尺寸，钢纤维含量等参数。研究结果表明：钢纤维大小不同表现出不同的力学性能，且至少有一个方面的力学性能是不同的。少量纤维的添加对抗压强度有着显著的影响，而对抗拉强度只有轻微的影响。大量纤维则会产生相反的力学效应，这一措施可以优化纵横比。这种钢纤维尺寸的影响是由于不同的测试模式引起不同的裂缝密度所引起的。

在混合纤维系统中，协同效应可以实现与一个具有较高的总纤维含量的单丝系统所实现的效果相类似，这个系统对提供的不同类型和尺寸的纤维进行了适当的分配。

S.J.Pantazopoulou等人在2001年共测试了250个由不同钢纤维和聚丙烯纤维制成的混凝土圆柱体试件。结果表明：超细纤维的添加量＜1%时，可以提高材料的弹性模量和应力-应变刚度峰值，但大量纤维混凝土的浇筑过程对压实度有着不利影响。峰后延展性可以通过加入长纤维来增强。当钢筋是具有轴向刚性的纤维时，纤维的依从性是由于沿纤维锚固长度方向有不可逆的损伤引起的，然而，对于弹性模量低的纤维，是由于它们是交叉裂纹路径可逆伸长的纤维。通过加入纤维影响混凝土的机械性能的变化是类似于被动约束引起的变化，这两者都提供一个对侧向膨胀混凝土的运动学约束，从而降低其发生率和失效率。

2.2 延性和疲劳

W.Yin等人在1995年研究了疲劳强度和普通钢纤维混凝土的性质。72个钢筋混凝土试件，其中有含量为1％（25毫米）的长纤维，在压缩疲劳强度上进行了测试。在0（单轴），0.2，0.5和1.0的应力比下分别得到的SN曲线，从而产生一系列的疲劳应力的纤维混凝土。研究发现，添加纤维不会增加混凝土耐久极限，但是有益于在低周期区域的持久极限。此外，添加纤维的混凝土增加其延展性，改变失效模式的分裂型断层类型。所有这些现象可以通过水泥砂基质的微裂纹发展来观察，并在基体和聚集体之间的粘合面进行说明。

Shanhou Lu 等人在1998年测试了带肋纹钢纤维高性能混凝土的弯曲疲劳强

度。结果显示，带肋纹的钢纤维混凝土弯曲疲劳性能有明显提高。当疲劳循环次数达到一百万倍时，带肋纹钢纤维混凝土抗折强度是普通混凝土 1.65至约2.25倍。钢纤维混凝土弯曲疲劳强度随着纤维含量的不同而变化，它可以在路面厚度的设计中使用。

Handong Yan等人在1999年研究了高强度混凝土的性能（HSC），硅灰高强度混凝土（SIFUHSC），钢纤维高强混凝土（SFRHSC），和钢纤维硅粉高强混凝土（SSFHSC）在重复动力荷载的作用下抗冲击和耐疲劳性能，得到两个的结论如下：

当将硅粉或钢纤维分别加入到HSC中，在冲击条件下，HSC疲劳性能以及抗重复动态加载的性能可以被提高。与HSC的比较，钢纤维高强混凝土的影响指标增加了两个因素。当冲击次数为106时，SIFUHSC和SFRHSC的疲劳强度分别增加38％和134％。这表明单独加入钢纤维的效果大于单独加入硅粉的效果。

当硅粉和钢纤维都加入到HSC中，HSC的抗冲击和耐疲劳性能能够大幅度提高。当冲击次数为106时，疲劳强度增加了四倍。这表明，硅粉和钢纤维的复合效应大于硅粉或钢纤维的单独效果的总和。

2.3 尺寸效应

S. Sener 等人在2002年设计了有关混凝土梁和无钢纤维检验校准的规模效应理论的实验方案。实验检查表明：

本实验结果清楚地证实了正常强度的钢纤维具有显著尺寸效应，并伴随着脆性的增加。因此，尺寸效应应引入一个现有的修正代码规范。

钢纤维梁的弯曲破坏比无钢纤维梁具有更大的尺寸效应和更高的脆性。

钢纤维梁比无钢纤维梁的断裂能量和断裂过程区分不大。

然而R.V. Balendran等人在2002年进行了一系列的普通和轻骨料混凝土试验，并得到了一些不同的结果：

有劈裂抗拉强度的普通和轻骨料混凝土没有尺寸效应。在纤维强化混凝土（普通和轻集料混凝土）的情况下，当尺寸超过临界尺寸即150毫米的尺寸时，尺寸效应不显著。

试样的尺寸对轻质纤维混凝土韧性指标影响不大。另一方面，对于普通纤维增强混凝土，当试样尺寸增加时，韧性指数变小。对韧性的需求将在纤维增强结构延性设计时考虑尺寸效应，这需要进一步的研究来探讨有关韧性的尺寸效应。

2.4 动态力学性能

X. Luo等人在2000年选择了两种类型的钢纤维（CZ，YL），并选取了两者的不同形状进行高速冲击试验。试验结果表明，当受弹珠高速冲击时，高强度钢筋混凝土破坏，而高性能钢纤维混凝土保持完好，只是在前面几个径向裂纹面有一些细小的裂缝。弹珠被嵌入或被高性能钢纤维混凝土反弹。他们对影响指标和有关参数阻力的关系进行了分析。基于量纲分析，他们有可能通过使用模拟试验的结果来预测在实际情况中的渗透性能。此外，在CZ中，穿透深度与弹珠的无量纲速度之间的关系是由回归测试结果建立的。

Yiping Liu 等人在2006年进行了冲击试验，通过使用一个直径为74毫米的分离式霍普金森压杆研究素混凝土（PC）以及钢纤维混凝土（SFRC）和钢纤维增强聚合物改性混凝土（SFRPMC）冲击破坏性能。结果表明，三种材料出现应变速率强化作用，与PC以及SFRC相比，SFRPMC表现出更好的抗冲击性能和能量吸收能力。基于对实验结果的分析，提出了SFRPMC和SFRC动态性能的频率依赖性损伤模型，这源于材料损伤演化的影响。结果表明，钢纤维增强聚合物改性混凝土的损伤发展比钢纤维混凝土更慢。

2.5 拉伸和压缩性能

许多研究集中在这一部分，大量含有钢纤维、聚丙烯纤维和一些添加剂的混凝土的拉伸和压缩测试已经完成。一些典型的结果如下所列。

P.S. Song等人在2004年研究了不同纤维体积分数的高强度钢纤维混凝土（HSFRC）的抗压强度、劈裂抗拉强度。结果表明：

（1）钢纤维体积分数的增加可以改善高强混凝土的抗压强度。强度最大值出现在纤维含量为1.5%的时候，但与1.5%相比，在2%时略有下降。但比添加纤维之前，仍高12.9%。

（2）劈裂抗拉强度以及HSFRC的断裂模数均随钢纤维体积分数的增加而提高。劈裂抗拉强度的强度范围在19%～98.3%，比原来高0.5%到2%。断裂模数的范围为28.1%～126.6%，比原来高0.5%到2%。

（3）强度效益表明每个体积分数最多的为断裂模量，其次为劈裂抗拉强度和抗压强度。

C.D.Atis等人在2007年做了一个关于粉煤灰混凝土和钢纤维混凝土的研究，研究表明：加入钢纤维的混凝土混合物并不能提高抗压强度。增加纤维含量，抗压强度只有小幅增加。据观察，钢纤维不能恢复无粉煤灰时抗压强度的损失。在本研究中使用0.25%和0.5%体积分数的钢纤维，对弯曲抗拉强度的影响不显著。但是，在纤维含量为1%时，弯曲抗拉强度改进范围为0%到15%，在纤维含量为1.5%时，扩大到30%到66%。混凝土混合料纤维含量分别为0.25%，0.5%，1%和1.5%且不含粉煤灰，对应的劈裂抗拉强度从1%变化到5%，1%至3%，21%至32%和44%至71%。

F.KOksal等人在2008年研究了通过使用硅粉和钢纤维生产的混凝土试件的一些机械性能的变化，试验结果表明：通过加入钢纤维和硅粉制备的混凝土的抗压强度比仅含有硅粉的那些高。另一方面，混凝土的弹性模量随着硅粉含量增加而增加。但是，与之相反，钢纤维会降低混凝土的弹性模量。

通过使用硅粉和钢纤维，混凝土的抗裂强度和弯曲抗拉强度大大增加。与只含硅粉或仅含钢纤维的混凝土比较，硅粉和钢纤维结合使用能使混凝土呈现更好的性能。