鋼纖維對混凝土性能的影響及其在工程中的應用

(河北建筑工程學院 河北 張家口 075000)

引言

混凝土作為建筑工程中重要的復合材料，固有的特點就是抗拉性能低，韌性差，普通的鋼筋混凝土可以滿足大部分工業與民用建筑，在加入特定外加劑后也能滿足某些特殊工程。但由于一些大跨結構、橋梁道路和防護結構對混凝土的韌性、抗拉、抗剪、抗裂性能都有較高的要求，所以通過加入纖維來增強混凝土的性能就成為一種重要方式。近年發展起來的鋼纖維混凝土性能優良，鋼纖維摻入混凝土基體后，顯著地改善了混凝土的抗拉性能、抗彎性能、抗沖擊性能、抗疲勞性能，并提高了混凝土的韌性和控制裂縫開展的能力。目前已廣泛地應用于隧道、路面、機場跑道，橋梁結構和鐵路軌枕，水工建筑物，港口與海洋工程，建筑結構以及耐火工程等各項實際工程中。由于如今對鋼纖維混凝土性能的研究成果比較分散，因此歸納了鋼纖維對混凝土性能的影響機理以及一些應用了鋼纖維混凝土的工程。

一、鋼纖維混凝土的發展

纖維對混凝土性能影響的研究始于本世紀60年代，J.P.Romualdi等人首先進行了一系列關于鋼纖維對混凝土裂縫約束作用的試驗研究，進而在斷裂分析的基礎上提出了纖維間距理論，此理論將鋼纖維與混凝土結合的設想變成了現實。

我國對鋼纖維混凝土的研究始于70年代，大連理工大學趙國藩教授根據斷裂力學理論推導出了亂向分布下的混凝土抗拉強度公式，并進一步分析了鋼纖維對混凝土性能影響的機理和鋼纖維混凝土的破壞過程及破壞形態。

盡管國內外對鋼纖維混凝土性能的研究一直在進行，但由于研究成果單一分散且沒有系統性的總結歸納，使得在鋼纖維混凝土復雜應力加載和疲勞性、韌性等方面仍缺少深入的研究。

二、鋼纖維對混凝土性能的影響

(一)鋼纖維對抗拉強度的影響機理分析。鋼纖維混凝土的劈拉強度受骨料最大粒徑、水灰比、鋼纖維的取向和分布等因素的影響，現常用劈拉試驗來測定其抗拉強度。當基體的骨料最大粒徑和水灰比變化不大時，其劈拉強度主要與鋼纖維的體積率和長徑比有關，纖維體積率和長徑比統稱為纖維含量特征參數，劈拉強度隨纖維含量特征參數的增大而增高；當鋼纖維體積率和長度不變時，纖維直徑越小，試件的劈拉強度越高。試驗證明：鋼纖維混凝土試件的極限荷載、初裂荷載和韌性均隨著鋼纖維體積率的增大而增加。

(二)鋼纖維對抗壓強度的影響機理分析。鋼纖維混凝土可視為由多種分散相和基相組成的多相復合材料，所以其力學性能主要與分散相、基相以及二者結合的結合面的力學性能有關。澆筑混凝土時由于其泌水作用和干燥時水泥砂漿的干燥收縮，導致結合面產生細小的裂縫，即骨料截面的粘結裂縫，當構件受到外力作用時，裂縫便從結合面延伸到外表面，形成宏觀裂縫。軸壓試驗表明，由鋼纖維混凝土內部眾多結合面裂縫尖端引起的應力集中是混凝土開裂的根本原因，根據裂縫的發展程度，可將這一過程分為四個階段：彈性階段、裂縫的穩定擴展階段、裂縫失穩階段、纖維拔出階段,對應的破壞也可分為四級：混凝土破壞、砂漿破壞、硬化水泥漿體解體破壞、纖維拔出破壞。分析可知只有當試件達到抗壓極限，且裂縫擴展到水泥中時，鋼纖維的增強作用才得以發揮，因此鋼纖維對抗壓強度的提高不明顯，只是在很大程度上改善了抗壓承載力。

(三)鋼纖維對抗折強度的影響機理分析。素混凝土梁“一裂即斷”，因此近似認為梁的極限抗折強度是梁的抗折初裂強度。但對于鋼纖維混凝土，試驗過程中鋼纖維混凝土梁在出現裂縫后仍具有一定的抗折強度，因此抗折初裂強度并不能代表極限抗折強度，這主要是因為鋼纖維的阻裂作用和邊壁效應延長了梁的斷裂時間，同時鋼纖維的長徑比、體積率和基體混凝土的性能對此也有或多或少的影響，他們對抗折強度的影響與對抗拉強度的影響極為相似，只是增強程度不同。研究表明當鋼纖維體積摻量達到1%～2%時，試件的抗折強度將增大60%～120%。

(四)鋼纖維對抗剪強度的影響機理分析。剪切試驗表明，在鋼纖維混凝土試件破壞前，裂縫首先出現在承載面中部，隨著荷載的增加，裂縫開始向兩端延伸，直至貫穿整個受力面。與普通混凝土試件相比，鋼纖維混凝土試件內部在發生錯動破壞后，仍能繼續承受荷載，隨著荷載的增大，鋼纖維被逐漸拔出，試件的承載能力逐漸降低，其破壞屬于韌性破壞。影響鋼纖維混凝土抗剪強度的因素與影響抗折強度、劈拉強度的因素大致相同，而且影響的程度和規律也相近。經雙面直接剪切試驗證明，當加入的鋼纖維體積率在1%～2%時，混凝土抗剪強度增加的最明顯，即提高50%～100%。

(五)鋼纖維對鋼筋粘結強度的影響。粘結強度由鋼筋與混凝土的膠結力和摩擦力組成，若使用光圓鋼筋，則由于光圓鋼筋表面光滑，鋼纖維的阻裂作用在鋼筋拔出過程中并不能起到作用，即光圓鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結強度與普通混凝土無異；若使用異形鋼筋如帶肋鋼筋，由于鋼筋表面肋的凸起增強了與混凝土基體的摩擦力和機械咬合力，同時鋼纖維發揮了阻裂作用，從而使粘結強度提高。所以，鋼纖維的體積率不能決定粘結強度的大小，產生決定性作用的是鋼筋的類型。

三、鋼纖維混凝土的應用

浙江省開化縣齊溪水電站隧洞采用了噴射鋼纖維混凝土作為襯砌材料，由于鋼纖維混凝土的抗剪、抗折以及韌性都遠高于普通混凝土，所以噴射厚度從500毫米減少到60毫米，從而在保證質量的前提下大大減小噴射厚度，降低了成本的投入。

礦場經常通過爆破來采礦，所以對混凝土的抗沖擊性和韌性要求較高。在南京梅山鐵礦一段工程地質條件錯綜復雜的礦洞中采用噴射鋼纖維混凝土進行隧洞洞壁的加固，其后經過多達20次采礦爆破的考驗，雖出現了裂縫，但并未發生脫落。

上海虹橋機場高架車道路面原設計采用90毫米厚的瀝青混凝土鋪設，鑒于鋼纖維混凝土優越的抗折性和韌性，經討論研究后改用100毫米的鋼纖維混凝土代替瀝青混凝土，該高架路面至今仍完好如初。

三峽工程中的樂天溪特大橋因在對某些受拉區部位設計時抗裂驗算安全系數取值較小，難以滿足設計要求。考慮到鋼纖維混凝土具有高抗裂性和抗拉性，于是在連續梁的兩端點約6米范圍內梁的支點處箱梁上部和跨中箱梁下部采用體積率為1.5%的鋼纖維混凝土澆筑。竣工后，通過動靜荷載試驗檢驗，其各項指標均符合要求。

四、結束語

大量的工程表明鋼纖維混凝土能減少裂縫的產生，節省維修的成本以及增強結構的整體性，極適合一些耐磨要求高，頻繁遭受較大沖擊力的工程。現如今鋼纖維混凝土正與裝配式建筑結合起來，相信不久的將來，鋼纖維混凝土能得到更廣泛的應用。