鋼纖維對混凝土性能的增強機理分析(1)

文摘要：鋼纖維混凝土是一種新型的多相復合材料，它在工程領域特別是建筑領域里得到廣泛的應用。本文對鋼纖維混凝土概況進行了介紹，并對混凝土中的鋼纖維的增強機理和對混凝土產(chǎn)生的作用進行了簡要分析，并對其力學性能及防凍、收縮功能進行了探討。

關鍵詞：鋼纖維 混凝土 增強機理

在復合材料中，鋼纖維增強混凝土是近年來迅速發(fā)展的一種新興的建筑材料。在建筑業(yè)發(fā)展歷史上它是一個必然的科學研究成果。鋼纖維增強混凝土即在普通的混凝土中加入多向分布的短鋼纖維而形成的一種復合材料。由于鋼纖維在混凝土內(nèi)部多向分布的原因，能夠有效地阻止混凝土內(nèi)部微小裂縫的擴大延伸及大裂縫的形成。

所以向混凝土中加入鋼纖維，除了能增強抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂等力學性能，混凝土的抗斷裂韌性和抗沖擊性能也都大大增強。鋼纖維增強混凝土造價成本低，制作相對簡單，因此廣泛用于公路路面、橋面、混凝土路軌及抗震抗爆結(jié)構工程中。

一．鋼纖維的增強機理分析

鋼纖維混凝土增強機理的研究在理論上有兩種定義：一是復合力學理論，二是纖維間距理論。從不同角度出發(fā)，兩種理論分別解釋了鋼纖維的增強作用，其最終結(jié)果是相同的。

(1)鋼纖維的復合力學理論

在復合力學理論中，鋼纖維混凝土被看成是一種纖維強化作用體系。鋼纖維混凝土的應力、彈性模量和強度是根據(jù)混合原理推算而出的。根據(jù)纖維在鋼纖維基體中的分布與取向引入纖維方向系數(shù)，正確選擇纖維方向系數(shù)是取決纖維增強效果的主要因素之一。

(2)鋼纖維的纖維間距理論

在鋼纖維間距理論中，是根據(jù)線彈性斷裂力學原理來解釋鋼纖維對混凝土裂縫的產(chǎn)生或抑制的作用。混凝土是一種脆性材料，要想增強其抗拉強度，而多方向加入鋼纖維后，使鋼纖維與混凝土裂縫兩邊之間的粘應力對裂縫混凝土的擴展有抑制作用。

二.混凝土受鋼纖維力學性能的影響

(1) 鋼纖維對混凝土抗壓強度的影響。

根據(jù)力學試驗數(shù)據(jù)的分析，混凝土的抗壓強度的大小和混凝土的基本性能有關。鋼纖維的加入對混凝土的抗壓強度沒有太大的影響，相反因為纖維的加入，使混凝土的和易性變差，內(nèi)部界面會增加許多微裂縫，使抗壓強度反而降低。但是鋼纖維的加入改變了混凝土被破壞后的形式，混凝土被破壞后碎但不散，這就是抗壓韌性的作用。鋼纖維混凝土抗壓強度的尺寸效應比普通混凝土高。

受力學因素的影響，混凝土產(chǎn)生裂縫是內(nèi)部尖端的應力集中引起。而這些裂縫發(fā)展程度有所不同，其過程可分為幾個階段：彈性階段、裂縫擴展穩(wěn)定階段、裂縫擴展失穩(wěn)階段、纖維被拔出階段。根據(jù)鋼纖維混凝土材料裂縫的發(fā)展程度，其破壞性又可分為4個等級，第一個等級為混凝土的破壞。混凝土對應于應力應變關系中彈性階段的末端，這時混凝土(砂漿和骨料)結(jié)合面上開始有緩慢發(fā)展的裂紋。但由于骨料對鋼纖維有一種邊壁效應，使鋼纖維平行于骨料的邊壁狀態(tài)來分布，與混凝土界面的裂縫平行，這樣就起不到阻止裂縫的增強作用。第二個等級為砂漿的破壞。混凝土為裂縫穩(wěn)定擴展階段的末端，此時裂縫發(fā)生了解體破壞，而導致裂縫擴展進入到硬化的水泥漿，這時鋼纖維開始起到纖維的增強作用，進而使使裂縫發(fā)展的速度變慢。混凝土變形的不斷發(fā)展會達到混凝土的極限強度(抗壓強度)。第三個等級為硬化水泥漿體的破壞，此時的狀態(tài)是裂縫迅速擴展、宏觀裂縫不斷增長，這時多方向加入的鋼纖維能有效地阻止裂縫的發(fā)展，同時使混凝土結(jié)構韌性增強。第四個級為纖維被拔出時的破壞。混凝土宏觀裂縫的不斷增大，使鋼纖維逐漸被拔出。通過以上分析可以得出結(jié)論：鋼纖維產(chǎn)生的增強作用只有在鋼纖維混凝土結(jié)構達到一定的抗壓強度后，裂縫擴展到水泥石之中鋼纖維才能發(fā)揮作用。這就從理論上解釋了鋼纖維加入后對混凝土抗壓強度影響不大，而對混凝土的抗壓韌性卻有很大改善的原因。

(2)鋼纖維對混凝土抗剪強度的影響。

2.1鋼纖維特性對混凝土抗剪強度的影響。

由于鋼纖維自身的特性，對鋼纖維混凝土有著一定的抗剪強度。鋼纖維的自身特性主要包括鋼纖維的類型、形狀、長徑比以及自身強度等等。

在鋼纖維抗剪破壞的過程中，鋼纖維會對混凝土的抗剪強度有明顯的影響，因此截面剛度和等效直徑對鋼纖維高強混凝土抗剪強度的影響變得更加顯著。鋼纖維的截面剛度和自身強度都比較高，另外銑削型纖維與基體的粘結(jié)非常牢固。再加上該纖維的兩端有彎鉤，都使銑削型鋼纖維能大大提高混凝土的抗剪強度。

對于剪切端鉤形纖維和剪切長直形纖維，其纖維均為剪切型，纖維的表面粗糙程度也很相似，這兩種纖維對于提高混凝土抗剪強度有著重要作用。其中剪切端鉤形纖維的抗剪強度要優(yōu)于剪切長直形纖維。

冷拉鋼絲切斷型纖維的等效直徑是這幾種纖維中最小的一種，其斷面是圓形而且表面非常光滑。盡管冷拉鋼絲切斷型纖維強度非常高，而且兩端設有堅固的彎鉤，但這種纖維對混凝土的抗剪強度在4種纖維中是最小的。由此可見，鋼纖維具有橫斷面對高強混凝土有著非常大的抗剪強度。鋼纖維的其他自身特性也決定了鋼纖維對混凝土的抗剪強度。

2.2鋼纖維摻量對混凝土抗剪強度的影響。

鋼纖維的成分和摻入量的多少也決定了鋼纖維混凝土的抗剪強度的大小。鋼纖維體積摻和率的越高，鋼纖維混凝土的抗剪強度就高。但是在混凝土基體的強度升高以后，提高鋼纖維的摻入量就減弱了鋼纖維混凝土的抗剪強度，但不很明顯。隨著鋼纖維摻量的不斷增多，鋼纖維混凝土受到的剪切破壞現(xiàn)象完全是由脆性破壞向半脆性破壞發(fā)展.由于鋼纖維的作用，混凝土在產(chǎn)生裂縫之后，仍能繼續(xù)保持一定的承載能力。

對鋼纖維混凝土抗剪強度的影響主要取決于鋼纖維的橫斷面性質(zhì)。還包括鋼纖維的其他自身性質(zhì)，如鋼纖維的自身長度或兩端的變形、纖維自身強度、纖維表面的粗糙程度的變化也會引起鋼纖維混凝土的抗剪強度的變化。隨著鋼纖維體積摻率的增加，鋼纖維混凝土的抗剪強度逐步增高。但在混凝土基體強度較高時，提高鋼纖維摻量對鋼纖維高強混凝土抗剪強度的改善作用反而減弱。

三、鋼纖維對混凝土彎曲性能的影響。

當鋼纖維混凝土強度一致時，它的極限強度和抗彎強度大小與纖維體積的變化有關， 一般來說，彎曲荷載和撓度曲線隨著鋼纖維的體積分數(shù)的的大小而發(fā)生變化，而達到峰值荷載的變形能力也在陸續(xù)增加，在荷載-撓度曲線的下降段由陡直漸趨平緩而能夠繼續(xù)承受較大的荷載時，即呈現(xiàn)出大的持荷變形的能力，那么，鋼纖維混凝土產(chǎn)生的破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)為韌性破壞。