鋼纖維混凝土的發展與抗火性研究現狀綜述

鄭照東 葉維強 孟 亮

鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC)是一種在混凝土基體中摻入鋼纖維[1，2］、是近年來研究和應用最廣的復合材料之一。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有較高的抗拉與抗彎強度，尤其使韌性提高的幅度顯著[3］。由于鋼纖維均勻地亂向分布在混凝土內共同參與工作，顯著地提高了混凝土的抗拉強度和抗變形能力，并相應地提高了混凝土的抗剪、抗扭、抗裂和抗疲勞強度[4］。本文主要從鋼纖維混凝土在國內外的應用與發展及其抗火性研究現狀等方面進行簡述。

1 鋼纖維混凝土的發展概況

鋼纖維混凝土是20世紀70年代發展起來的新型復合建筑材料[5］，在混凝土基體中摻入適量鋼纖維的一種水泥基復合材料，為解決混凝土的強度和延性問題提供了一種新途徑。

鋼纖維噴射混凝土首次于1973年在美國愛達荷州得到應用，其后將其成功應用于隧道襯墊、斜坡穩定、涵洞、水庫等其他結構工程[6］。近些年，國內已成功地將鋼纖維混凝土應用到高層建筑中，如福州華福大廈在8層頂采用結構轉換層，該轉換層大梁全部采用鋼纖維混凝土。

2 抗火性研究現狀與研究方法

對于鋼纖維抵抗混凝土高溫爆裂性能目前尚存在爭議。Lie等人[7］研究表明42 kg/m3摻量的鋼纖維對普通混凝土的熱性能沒有影響，隨著鋼纖維摻量的增多對普通混凝土熱性能的影響越來越大。鋼纖維提高了普通混凝土的力學性能[7，8］，鋼纖維對混凝土高溫熱性能的影響主要包括以下幾個方面[9］:在混凝土中摻加鋼纖維，在40℃ ～1 000℃時導熱系數不變，限制了裂紋擴展;提高了0℃～600℃時混凝土的比熱，因而在溫度較低時鋼纖維控制了混凝土的裂紋擴展;在低于800℃溫度下，對試件的熱膨脹沒有顯著影響。

我國對鋼纖維混凝土抗火性能的研究開始得比較晚，主要從20世紀80年代起，我國學者先后對高溫中普通混凝土的力學性能和構件內部的溫度分布等抗火性能進行了較為系統的試驗和理論研究，積累了大量原始資料。同濟大學，北方交通大學，中南大學等還對高溫下鋼纖維混凝土的一些性能進行了測定，但是對鋼纖維混凝土高溫后的力學性能以及高溫下的溫度變化研究還較少，20世紀70年代以前基本上是空白，現今只能收集到少量的試驗數據和研究成果。中南大學的張彥春[10］通過測試尺寸分別為100 mm×100 mm×400 mm，100 mm×100 mm×300 mm纖維體積率為0.87%的鋼纖維混凝土試塊的抗彎及抗剪強度得出如下結論:

1)殘余抗折強度。試驗結果見圖1。由圖1可知，抗折強度隨溫度升高基本呈下降趨勢，且高于100℃快速下降且較均勻。主要原因在于:構件受彎時，截面下部受拉，上部受壓，高溫作用后的混凝土內產生大量微裂紋，受拉區在拉應力作用下，裂縫橫切于應力方向，試件每一裂縫的存在和產生都降低了有效面積，而且此應力狀態下比壓應力狀態下抑制裂縫的可能性要小得多，故中和軸不斷上移造成破壞。另外，在受力至破壞過程中，鋼纖維是逐漸被拔出的，而不是整個截面上鋼纖維的整體拔出，因而鋼纖維在高溫后對抗折強度的改善作用不明顯。

圖1 高溫對殘余抗折強度（率）的影響

2)殘余抗剪強度。鋼纖維的摻入使混凝土的抗剪強度大大提高，因此鋼纖維混凝土可用于結構框架節點、結構轉換層等承受剪力較大的部位。

試驗結果見圖2。

圖2 高溫后鋼纖維混凝土的抗剪強度

由圖2可以看出，在最高溫度不超過500℃時，抗剪強度損失很小，而后隨溫度升高損失加大，這與混凝土基體在高溫作用下的強度下降是分不開的。但總的來說，高溫后的抗剪性能較好，經900℃高溫后，其殘余強度率仍在40%以上。

北方交通大學的趙莉弘[11］對一組100 mm×100 mm×300 mm采用鐵片預埋切口深度不大于50 mm的兩種不同水膠比纖維體積率為1%的鋼纖維混凝土簡支梁進行高溫殘余斷裂性能試驗并與普通混凝土作出比較，試驗結果見圖3，圖4，并得出如下結論。

圖3 普通混凝土斷裂能及斷裂韌性

圖4 鋼纖維混凝土斷裂能及斷裂韌性

鋼纖維混凝土的殘余斷裂能和斷裂韌性都呈現先增加后降低的趨勢。在200℃混凝土的殘余斷裂能和斷裂韌性都達到最大值，200℃是鋼纖維混凝土殘余斷裂能和斷裂韌性的轉折點，并且，與未摻纖維混凝土相比，鋼纖維對混凝土殘余斷裂能的增長比斷裂韌性要高出很多，即鋼纖維對殘余斷裂能的影響要大于對殘余斷裂韌性的影響。

3 結語

以往研究表明摻加鋼纖維的混凝土可以保持較高的殘余力學性能，防止混凝土力學性能的劣化，然而關于在混凝土中加入鋼纖維以防止高溫爆裂，國內外的實驗研究有限，且尚未得出統一的結論。Maria de LurdesB.C.Reis也在一篇研究報道中指出在混凝土中摻加一定規格的鋼纖維可有效的抑制混凝土的爆裂。而也有實驗研究指出摻加鋼纖維只是推遲了混凝土在高溫下發生爆裂破壞的時間，甚至在另一些試驗中鋼纖維則加劇了高溫爆裂。所以鋼纖維是否可以防止混凝土發生高溫爆裂還沒有形成統一的觀點。

4 高溫下鋼纖維混凝土抗火性有待解決的問題

目前，雖然已經對鋼纖維混凝土高溫抗火性能進行了大量的研究分析，但是還只停留在一個定性的水平上。對于鋼纖維混凝土破壞發生的離散性，還沒有合理的解釋與預測。由于缺乏統一的規范，阻礙抗火性研究的發展，對于摻加鋼纖維的方法對抗火性的影響也還沒有進一步的深入。

[1]Hasan Ahmad，Dimitris C.Lagoudas.Effective elastic properties of fiber reinforced concrete with random fibers[J］.Engineering Mechanics，1991，117(12):2931-2938.

[2]Sanders，David H，Wu Qiudong.Dynamic response of steel fiber reinforced concrete[A］.Proceedings of the structures congress[C］.ASCE，1994:833-838.

[3]程慶國，徐蘊賢，盧祖文.鋼纖維混凝土本構理論的研究、工程應用及發展[J］.中國鐵道科學，1999，20(2):1-9.

[4]羅 章，李啟月，凌同華.鋼纖維混凝土的工程應用研究[J］.江西有色金屬，2003(2):12-15.

[5]張 潔.鋼纖維混凝土管片力學性能試驗與抗火性能預測[D］.上海:同濟大學碩士學位論文，2006:2-5.

[6]周欣竹，鄭建軍，張 彌.鋼纖維混凝土在秦嶺隧道襯砌中的應用研究[J］.北方交通大學學報，1998，22(4):50-52.

[7]Lie，T.T，Kodur，V.K.R.Thermal and mechanical properties of steel-fibre-reinforced concrete at elevated temperatures，Can.J.Civ.Engrg，Ottawa，1996，23(2):511-517.

[8]Lie，T.T，ed.Structurak fire protection:Manual of practice，ASCE manual and reports of engineering practice，No.78，ASCE，New-York，1992.

[9]V.K.R.Kodur，M.A.Sultan.Effect of temperature on thermal properties of high-strength concrete，Jourmal of materials in civil engineering，March/Apirl，2003:101-107.

[10]張彥春，胡曉波，白成彬.鋼纖維高性能混凝土高溫后力學強度研究[J］.混凝土，2001(9):50-53.

[11]趙莉弘.纖維增韌高性能混凝土的高溫殘余力學性能特征[D］.北京:北京交通大學碩士學位論文，2004:67-69.