鋼纖維增強混凝土性能的應用與研究進展

譚利娟

摘 要：鋼纖維混凝土是以鋼纖維為增強材料，混凝土為基體的復合材料。在纖維增強混凝土結構中，應用廣、發展快。本文概述了鋼纖維混凝土的研究進展及目前在此領域的相關研究熱點，并對鋼纖維增強混凝土的應用研究做出了初步的展望。

關鍵詞：鋼纖維；混凝土；抗裂

1 緒論

目前我國的公路建設中，由于混凝土獨特性能在公路中得到廣泛應用。混凝土路面抗滲性好、強度高、工作性能良好，與普通混凝土而言，具有更高的使用壽命和耐久性。在高速車流的碾壓和高溫與低溫的交替的影響下，大量的質量問題和技術問題就出現在混凝土路面中。在凝結硬化的過程中，混凝土會產生大量的裂縫，由于水膠比低、早期自收縮大。這無疑存在不安全的隱患。因此增強混凝土路面抗裂、延長使用壽命成為重要的研究對象。

面對這一系列的問題，我國專家及相關路面工作者對抑制混凝土路面開裂進行了大量的研究，積累了大量可供參考的經驗和知識。研究表明在混凝土中加入鋼纖維可有效的阻止裂縫的發展，達到了抗裂效果，有效延長了路面的使用壽命。因此受到國內外的廣泛推崇，從整體看具有重要的意義。

2 鋼纖維增強混凝土路面在國外的發展

鋼纖維在混凝土中主要起預防和抑制路面的反射裂縫，其應用必須得追溯到1907-1908年間，蘇聯專家B.JI.Hekpacob將鋼纖維摻入混凝土中增強其性能。有人認為，最早發展是在1910年，美國的H.F.Porter為強化結構材料，對短纖維進行比較系統全面的研究，將短纖維作為一種增強材料均勻分散于混凝土中，現在鋼纖維混凝土結構與其大致相同。二十世紀四十年代，多個國家分別對鋼纖維制作工藝、鋼纖維增強混凝土性能，為增強鋼纖維與混凝土的黏結力改變鋼纖維形狀申請專利。1963年，鋼纖維混凝土發展較快，J.B.Batson對鋼纖維增強混凝土的作用機理進行理論分析，并發表研究報告。而后兩大理論產生，一個是英國Swamy提出復合力學理論，另一個美國Romualdi提出纖維間距理論。綜合上述情況看，以前鋼纖維是抗反射裂縫產生為目的，現在變為對混凝土路面綜合性改善。鋼纖維對于混凝土路面的加強作用，在美國和西歐國家的研究也備受關注，并且鋼纖維仍在大面積使用。并研制了與鋼纖維相關的添加設備，為鋼纖維混凝土路面的普及提供了方便。

3 鋼纖維增強混凝土路面在國內的發展

對鋼纖維混凝土研究我國相對較晚，開始于二十世紀七十年代，隨著研究的深入，鋼纖維用量隨之增長。在學術研究方面取得突出成果，1983年，空軍工程學院程鐵生[1]進行相關鋼纖維混凝土性能研究，例如抗剪性能、抗震性能和單軸受壓荷載下應力應變過程。2001年，大連理工大學趙國藩[2]教授分析了鋼纖維混凝土增強機理和破壞形態，導出了一系列的抗拉強度公式。在制定規程方面，為推動其應用，哈爾濱建筑工程學院和大連理工大學聯合編制了《鋼纖維混凝土結構設計與施工規程》，這為后續研究奠定了基礎，對鋼纖維混凝土應用和研究起到規范指導作用。2010年，陳輝國[3]等人通過高溫試驗系統，表明高溫后的鋼纖維混凝土性能隨摻量增加而上升。2017年，潘慧敏[4]通過不同摻量鋼纖維對鋼纖維混凝土進行沖擊試驗，表明鋼纖維的摻入顯著提升了混凝土的抗沖擊性。黃文金[5]等人鋼纖維混凝土界面黏結強度，結果顯示摻量的不同黏結強度變化規律也不同。因此在人們對復合材料有較深入的了解后，認為復合材料的斷裂韌性很大程度上取決于混凝土和鋼纖維的界面。因此從界面角度去優化鋼纖維增強混凝土材料和用量更加合理有效。

4 目前鋼纖維增強混凝土路面研究熱點

鋼纖維可有效提升混凝土性能，保證其整體性。在集料中摻入亂向分布的鋼纖維，達到改善混凝土高溫穩定性、低溫抗裂性，與混凝土具有良好的親和力。鋼纖維混凝土施工工藝簡單、抗裂效果明顯因此相關學者進行了大量研究，主要從以下幾方面：

4.1 鋼纖維與水泥砂漿界面粘附性研究

在鋼纖維混凝土中發揮關鍵阻裂作用的是鋼纖維與混凝土基體的界面粘結，同時鋼纖維能分散荷載的作用。表征鋼纖維混凝土裂后狀態重要因素就是粘結作用。通過拉拔試驗測試鋼纖維與基體的粘結，由拔出荷載-滑移曲線，評價粘結效果。

4.2 鋼纖維混凝土力學性能研究

復合材料的物理性能和力學性能體現了鋼纖維對混凝土強化程度及其機理。通過力學性能試驗可測得主要性能包括抗壓性能、拉伸性能、抗折性能等等。力學性能試驗是一種重要的研究鋼纖維增強機理的手段，主要通過荷載作用測試力學指標。

4.3 鋼纖維合理化用量研究

通過分析外荷載作用下，基體與鋼纖維界面的黏附功作用效果等于基體自身的內聚力作用效果時鋼纖維的長度與基體的用量之比，達到復合材料界面理想的破壞形態，脫黏和基體破壞同時發生，通過黏附較多水泥砂漿的鋼纖維確定在鋼纖維增強基體中，鋼纖維的最佳長度與最佳用量。

5 結語與展望

鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，不僅能有效的延長道路的使用壽命，而且大幅度改善了道路路用性能，因此其使用空間更加廣泛。雖鋼纖維的加入增加了修筑成本，但綜合比較性價比高。同時鋼纖維混凝土雖已進行了大量研究，但對試驗參數大部分依據經驗而得，缺乏詳細的理論作為依據，因此對鋼纖維混凝土的研究具有很大的應用前景。

參考文獻：

[1]程鐵生，章文綱.鋼纖維混凝土在剛性道面上的應用[J].工業建筑，1983，12：12-17.

[2]貢金鑫，黃承逵，趙國藩.鋼纖維混凝土的抗折疲勞方程[J].土木工程學報，2001，34（4）：72-77.

[3]陳輝國，劉盈豐，等.鋼纖維摻量對混凝土高溫力學性能的影響[J].重慶交通大學學報，2010，4：552-554.

[4]潘慧敏，馬云朝.鋼纖維在混凝土沖擊斷面的分布與統計分析[J].硅酸鹽通報，2017，11：3817-3822.

[5]黃文金，盛葉，張正賓，等.鋼管-鋼纖維活性粉末混凝土界面黏結強度試驗研究[J].建筑結構學報，2017，S1：502-507.