鋼纖維混凝土力學性能研究綜述

常 晟，羅云蓉，付 磊

（四川輕化工大學a.土木工程學院，四川 自貢 643000； b.機械工程學院，四川 宜賓 644000）

引 言

混凝土是目前世界上應用最廣泛、用量最多的建筑材料。但是混凝土材料的顯著缺點在于抗拉強度低、抗裂性差、韌性差，在混凝土中加入鋼纖維可以改善混凝土的脆性行為，從而提高其吸收能量的能力[1-4]。鋼纖維混凝土（SFRC）因其更高的強度與能量吸收能力以及更好的耐久性等特性，在高層建筑、大跨度橋梁和海上結構的建造中發揮著重要作用[5-7]。

自1901 年提出用鋼纖維來增強混凝土以來，SFRC 的研究與發展取得了長足的進步。1963 年部分學者開展了關于鋼纖維約束混凝土裂縫擴展的機理研究，發現SFRC 開裂強度是由能夠有效抵抗拉伸應力的鋼纖維平均間距所決定的。至此，學者們的研究進入了這種新型復合材料的實用開發階段。此后的20 多年，SFRC 在發達國家和發展中國家開始受到重視，在英、美、日等國發展得尤其迅速。

國內SFRC 的研究與應用始于20 世紀70 年代。自20世紀80年代以來，該領域的試驗研究得到迅速發展，中國工程建設標準化協會先后制定了一系列的相關規范，有力地推動了我國SFRC 技術的發展。由于鋼纖維的增強、阻裂作用，SFRC 具有優良的靜力和動力性能，當用作混凝土混合物的結構構件時，允許全部或部分地替代常規鋼筋，因此被廣泛應用于建筑、道路、橋梁、隧道、軍事工程等領域。通過在公路路面、橋面鋪裝、機場跑道、工業地坪等方面的試驗性應用研究，現已將其推廣至建筑工程和市政工程等領域并取得了不少成果。

本文從鋼纖維混凝土的增強機理入手，綜述了幾個鋼纖維混凝土的影響因素及其對力學性能的影響，在此基礎上分析了存在的問題，并對未來可行的研究方向進行了展望。

1 鋼纖維對混凝土力學性能的增強機理

鋼纖維對混凝土的增強作用可以通過復合材料理論[8]或纖維間距理論[9]來解釋。復合材料理論是指將至少兩種相異屬性的材料通過一定比例的分配，結合各類工藝技術而形成的新型材料。這種新型材料看似為一個整體，但各個組成部分又有明顯交界面，所形成的復合型材料不僅能保有單一材料的優點，還產生了原材料所不具備的新型特性。依據該理論，可以將纖維增強混凝土看作纖維強化體系，以混凝土為基體、纖維為增強體的復合材料。假定纖維連續均勻分布，纖維與混凝土均為各向同性材料，二者受力與變形一致、無相對滑移，則纖維混凝土應力可由式（1）計算[8]：

式中：Vf為纖維體積分數，%；σc為纖維混凝土抗拉強度，MPa；σf為纖維抗拉強度，MPa；σm為基體混凝土抗拉強度，MPa。

實際上，由于混凝土澆筑成型的特點，纖維在混凝土內部的分布并非連續均勻，故混凝土抗拉強度必須考慮到鋼纖維的方向性、鋼纖維長度及界面粘結等因素。因此，鋼纖維混凝土的抗拉強度σs可由式（2）計算[8]：

式中：df為鋼纖維直徑，mm；lf為鋼纖維長度，mm；ηθ為方向效應系數，ηl為有效長度嵌入系數；σs為鋼纖維混凝土抗拉強度，MPa；τ為鋼纖維與混凝土基體粘結強度，MPa。

纖維間距理論也稱為纖維阻裂理論，是建立在線彈性斷裂力學基礎之上的，以纖維間距作為參數的纖維增強理論?？缭搅芽p的纖維能起到將荷載傳遞給周圍混凝土的作用，而跨越裂縫的纖維越多，纖維所提供的抗力越大，對裂縫繼續發展的限制作用也就越大。該理論解釋了纖維間距和單位面積內的纖維數量對增強效果的影響。

2 鋼纖維對混凝土力學性能的影響

2.1 鋼纖維摻量對混凝土靜力性能的影響

工程實際中，經濟適用性通常是一個重要的參考因素。鋼纖維相較于其他纖維價格更加昂貴，用一個相對合理的摻量來平衡性能與經濟性就顯得尤為重要。

牛龍龍等[10]發現增加鋼纖維摻量能提高混凝土的部分力學性能，如圖1 所示。圖1 中可見，鋼纖維的摻入，使混凝土的抗壓強度略有降低，波動幅度小于8%，而鋼纖維摻量對混凝土劈裂抗拉強度和抗彎強度影響明顯。隨著鋼纖維摻量增加，混凝土劈裂抗拉強度和抗彎強度逐漸增大。鋼纖維摻量為0.5%～2.0%時，劈裂抗拉強度提高了10%～74%，抗彎強度提高了11%～119%。

圖1 鋼纖維摻量對混凝土強度的影響

合理的鋼纖維摻量可減少原始孔、縫的數量，使結構致密，并有效阻止混凝土微裂縫的產生和發展[11]。Li 等[12]利用聲發射（Acoustic Emission，AE）技術定位發聲源，發現總發聲源數隨鋼纖維體積分數的增加而增加，這是由鋼纖維的滑移和拔出產生的；他們還發現隨著纖維體積分數的增加，混凝土試件的新生裂縫由拉裂縫向剪裂縫轉變。岳健廣等[13]在三點彎切口梁實驗中也得到了相似的結果，還發現SFRC 的斷裂能與鋼纖維體積摻量呈近似線性的關系。文獻[14]也發現斷裂能隨鋼纖維體積摻量的增加而增加。Lee等[15]試驗結果表明，鋼纖維增強抗剪能力的效果隨縱向鋼筋的數量而變化，這意味著相同體積分數的鋼纖維在不同縱筋配筋下可能發生不同類型的破壞形式。

Bae 等[16]研究了鋼纖維對高強混凝土柱結構性能的影響，發現鋼纖維對結構強度、耗能等性能的影響明顯優于橫向鋼筋；且鋼纖維的增強效果在高橫向鋼筋配筋率時更好；此外，還基于ASCE41-13模型[17]，提出了一個新的預測鋼纖維增強高強混凝土柱的抗剪強度貢獻計算公式，如式（3）～（4）所示：

式（3）～（4）中：Ag為混凝土截面總面積，mm2；d為有效深度，mm；M( )Vd為設計荷載下彎矩與剪力和有效深度乘積的比值的最大值，該值應取在2～4 范圍內；Nu為軸向力，kN；Vc,suggestion為混凝土提供的抗剪強度，MPa；Vn,suggestion為構件的抗剪強度，MPa；Vs,Priestley為剪力鋼筋貢獻的抗剪強度，MPa；fsp為纖維混凝土的劈裂強度，MPa。

綜上所述，合理的鋼纖維摻量可以提高混凝土的致密程度，鋼纖維本身通過參與受力，對混凝土抗彎拉性能有較為明顯的提升。此外，在混凝土開裂后，鋼纖維作為連接裂縫兩側混凝土的“橋梁”，使本應退出工作的混凝土區域繼續承受應力，從而提高了整體結構的延性。值得注意的是，上述文獻中，大部分纖維摻量不超過2%，這是為了使鋼纖維的性能能夠得到充分發揮的同時兼顧經濟成本。

2.2 鋼纖維長度對混凝土靜力性能的影響

鋼纖維作為一種金屬材料，不同生產廠商的產品往往具有不同的形貌特征。纖維長度作為最直觀可見的特征之一，其對混凝土材料的影響也較為顯著。

Han 等[18]研究表明：鋼纖維長度對抗壓強度和初始斷裂韌性的影響不大，但劈裂抗拉強度、彎曲強度等均隨長度增加而有所增加；大粒徑粗骨料與長鋼纖維組合的SFRC 具有良好的力學性能。應文宗[19]通過比較普通鋼纖維（長度25 mm）與超短超細鋼纖維（長度6 mm）發現，超短超細鋼纖維在混凝土中的體積摻量能達到7.0%，并且超短超細鋼纖維可以較大程度地提高其抗壓強度，如圖2 所示。體積摻量上限提高的原因在于超短超細鋼纖維尺寸及長徑比均較小，相對普通鋼纖維而言更易分散，故其在混凝土中的體積摻量能達到7.0%。而普通鋼纖維尺寸較大，不易拌和均勻，影響了其性能的發揮，因此在混凝土中的摻量較低，通常為0.5%～2.0%。

圖2 不同鋼纖維長度對抗壓強度的影響

Ríos 等[20]研究結果表明，不同纖維長徑比對最大抗拉強度的影響不大，而初裂強度受纖維長度的影響較大，當使用短纖維時，初裂強度值最高，這是由于穿過基體單位截面面積的纖維數量最多。

Abbas 等[21]發現，纖維長度對彎曲承載力和載荷-撓度行為有較大影響，相同的纖維用量下，含長纖維的梁在破壞荷載下的撓度則要高出含短纖維的梁約59%。但添加短鋼纖維的梁具有更高的開裂與峰值載荷，兩種荷載對應撓度也比長纖維梁分別高出27%和31%。這表明相同摻量下，短纖維更好地約束了微裂紋的產生，使微裂紋的發展速度降低，從而使得短纖維梁表現出更明顯的應變硬化行為[22]。而長纖維則偏向于提高裂后性能，可以較大幅度地提高梁的延性。但纖維長度對斷裂能的影響并不顯著[14]。此外，Abbass 等[23]發現不同強度等級的混凝土受纖維長度的影響也有所不同，長纖維對低等級混凝土的抗彎強度提升更為顯著。

由此可見，鋼纖維因其長度的不同，在混凝土結構中發揮的增強作用也有差異。短纖維主要強化的是開裂前性能，通過約束微裂紋起到提高初裂荷載的作用；而長纖維則更注重于強化裂后性能，起到橋接作用，強化混凝土的延性。相對而言，單一纖維的研究已較為全面，而復摻不同長度的纖維，針對不同環境需求調整比例，發揮不同長度纖維的優勢是未來一個不錯的方向。

2.3 鋼纖維形狀對混凝土靜力性能的影響

同樣作為直觀可見的特征之一，鋼纖維的形狀對混凝土也有著顯著的影響。同鋼筋類似，鋼纖維形狀的影響主要通過其與混凝土的粘結來實現。

王成啟[24]選擇銑削型、弓型、圓直型3 種類型的鋼纖維進行了三點彎曲實驗，結果表明：銑削型、弓型、圓直型SFRC 抗彎強度分別比素混凝土提高19.0%、13.6%、9.5%。Shi 等[25]研究了端勾和平直型SFRC 在單軸壓縮和拉伸下圓柱型試件的本構關系，發現平直型SFRC 比端勾型SFRC 具有更高的抗拉強度，這可能是由于纖維-水泥基界面數量較多的緣故；而端勾型鋼纖維混凝土在延性、殘余強度和韌性方面則表現出更好的性能；為了考慮不同形狀的影響，提出了一個修正的纖維增強指數RI計算公式：

式中：Vf為纖維體積分數，%；d1為纖維直徑，mm；l為纖維長度，mm；ξ為形狀因子。

此外，當摻量較高（大于1.5%）時，在端勾纖維混凝土混合物中更容易發生團聚現象。呂磊等[26]利用SHPB 試驗系統對4 種不同類型SFRC 進行了動態力學性能測試，結果表明：4 種鋼纖維中，弓型鋼纖維對混凝土破壞形態的改善效果最好。

總之，異形鋼纖維由于其與混凝土之間形成了更大的粘結力，使得鋼纖維作為整體的一部分承擔了應力，在混凝土開裂后保證周圍的混凝土仍能持續工作，從而提高了混凝土的力學性能。但異形纖維的加入使得在攪拌階段鋼纖維的團聚狀況加劇，因此在實際施工中鋼纖維的選擇需要更加慎重。

2.4 鋼纖維分布形式對混凝土靜力性能的影響

混凝土屬于脆性材料，其主要特征是抗壓強度高、抗拉強度低，而鋼纖維的加入改善了混凝土抗拉強度低的特性。然而，混凝土的制作過程決定了鋼纖維在混凝土中的分布形式往往具有較大的離散性，這導致相同條件下制備的SFRC 試件仍會出現性能的差異。

Sarmiento等[27]發現殘余彎曲抗拉強度與斷面中纖維數量之間的相關性隨著裂縫寬度的增加而變差，這表明將截面上纖維的數量作為與殘余彎曲強度關聯起來的唯一參數是不準確的。Kang 等[28]發現較高的纖維取向系數使纖維的初裂應力略有增加，鋼纖維取向對鋼纖維橋接作用有較大的影響。Zhang等[29]研究發現：鋼纖維取向主要受壁面效應的影響；并且SFRC 不能被描述為一種各向同性材料，由于新拌混凝土的流動性與壁面效應共同作用，纖維傾向于與梁的長邊方向平行，而在圓柱形試樣中，則傾向于向試件中心聚集。González等[30]研究也印證了該觀點，他們通過Computed Tomography（CT）掃描和Digital Image Processing（DIP）軟件測量纖維取向，發現纖維傾向于平行水平面方向，對試樣進行如圖3～4（圖3～4 中長度單位均為mm）所示的加工處理，運用楔入劈拉試驗（Wedge Splitting Test，WST）[31-32]測量纖維混凝土的殘余抗拉強度和斷裂能，發現頂部立方體在拉力作用下表現出比邊立方體更好的機械性能、硬化過程和比例極限。Yoo等[33]對超高性能鋼纖維混凝土梁進行了四點彎曲試驗，發現當纖維取向較好（沿拉伸荷載方向的纖維數量較多）時，得到的初裂強度要高于取向較差的組別，撓度則更小。當達到峰值荷載時，纖維取向影響顯著，不同摻量下抗彎強度提升了約37%～111%。并且取向較好的試件破壞時的撓度均大于取向較差的組別，表現出更好的延性。

圖3 立方體和棱柱體提取方案[32]

圖4 立方體和棱柱體幾何形狀[32]

Pal 等[34]發現立方體的棱角影響了鋼纖維在該區域的分布取向，并且這種影響隨著鋼纖維體積分數的增加而增大，這使得圓柱型試件的抗壓強度比立方體試件有更大的提高。Akcay 等[35]研究發現，不同形狀的纖維會對纖維取向產生影響進而影響抗折強度等性能，在對不同類型纖維進行混合時應考慮這些因素。

慕儒等[36-39]利用均勻電磁場控制鋼纖維方向，成功制備定向鋼纖維混凝土(ASFRC)，還通過試驗[40-41]發現：相較于同條件下的SFRC，ASFRC 的劈裂抗拉強度、抗折強度有更明顯的提升，但抗壓強度變化不大。并且，定向分布鋼纖維混凝土斷裂性能顯著高于亂向分布鋼纖維混凝土，不同摻量下斷裂韌度提高了54%～82%，斷裂能提高了82%～131%[42]。因此纖維分布的均勻性也是混凝土力學性能的重要影響因素，均勻分布的纖維能提供更佳的強化效果。

綜上，鋼纖維的分布形式對混凝土有顯著的影響，當鋼纖維取向垂直于裂縫時，試件往往表現出更好的性能。目前，Pal等[34]已經成功制備了定向鋼纖維混凝土，但受限于專業設備及試件尺寸，在非實驗室條件下制備實際尺寸的構件仍十分困難。因此，如何通過相對簡單的設備與工藝來制備纖維取向良好的鋼纖維混凝土是一個不錯的研究方向。

2.5 鋼纖維對混凝土疲勞性能的影響

在我國許多地區，混凝土結構在使用期間可能會面臨地震荷載、車輛荷載、干濕凍融作用等。這些結構件受到循環荷載的作用，預計在其使用壽命期間能夠承受因反復加載而產生的數百萬次應力循環，容易發生疲勞失效。為了避免疲勞破壞的發生，必須考慮這些結構的疲勞性能。因而，混凝土結構的疲勞性能開始成為人們關注的焦點。

與普通混凝土相比，SFRC 具有更好的疲勞性能和更高的疲勞壽命[43-45]。SFRC 疲勞是一個逐漸變化的過程，在應力循環過程中，微裂紋開始萌生和擴展，隨著過程的進行，損傷開始累積，鋼纖維被不斷的拔出，隨后形成宏觀裂紋，構件中能夠產生的抗力逐漸減小，混凝土承載力永久降低，最終導致破壞[46]。雖然鋼纖維會提高混凝土的疲勞性能，但這不意味著增加鋼纖維含量就一定會增加混合物的疲勞強度，相反過多的纖維會導致分布不均勻，降低疲勞性能[47]。研究表明，當纖維分布更為分散時，往往表現出更佳的疲勞性能[48-49]。通常，為了保證分布均勻，纖維體積分數以不超過1%為宜[50]。

最近，對鋼纖維混凝土結構梁的疲勞性能研究[51]表明，鋼纖維混凝土構件的拉伸疲勞行為受纖維承載力退化影響。對于普通混凝土梁，在進行疲勞評估時，受拉區混凝土的拉應力被忽略。而對于鋼纖維混凝土梁，應考慮鋼纖維在受拉區的橋接作用[52]。加入鋼纖維一方面減少了裂縫寬度[48]；另一方面，由于其橋接作用，減小了鋼筋應力，從而提高了疲勞裂紋擴展的阻力[43]。對于鋼筋混凝土梁，受拉鋼筋的應力范圍是疲勞壽命的控制因素，所有梁在疲勞荷載作用下的破壞均由受拉鋼筋的脆性斷裂導致的。而鋼纖維混凝土中由于鋼纖維在混凝土受拉區域的橋接作用，相同外荷載下受拉鋼筋承受的應力隨著鋼纖維含量的增加而減小，從而提高了混凝土的疲勞壽命[51]。

SFRC 是一種由離散的鋼纖維增強的復合材料，因此，SFRC 的疲勞性能也受其離散性影響。試驗[53]發現，即使是相同的混合料和應力比下，疲勞壽命也有很大的分散性，這種離散性可達到1 個或幾個數量級。Vicente 等[54]利用電子計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）技術研究了纖維取向和含量對SFRC 在靜態和循環壓縮荷載作用下性能的影響，發現疲勞壽命的離散性與纖維取向和含量有關，纖維取向越差，離散性越大。而Makita等[55]發現在SFRC 中加入鋼筋，就可以在提高抗拉強度的同時還能一定程度地降低由于纖維分布和取向引起的離散性。

Blasón 等[56]將循環蠕變曲線進行二次歸一化后發現，該方法可以得到完整的ε-N曲線，這為將應變作為構件失去承載力或構件破壞的判斷標準提供了依據。Carlesso 等[57]發現在較低的荷載水平下，SFRC 也可能會產生脆性破壞。這是由于較高的荷載水平下，SFRC 的破壞通常是由于纖維被拔出造成的，而較小的載荷水平下，SFRC 的破壞則是因微裂紋導致纖維-基體界面逐漸弱化所致。

由此可見，鋼纖維的加入一方面可以提高混凝土的疲勞強度；另一方面加入鋼纖維會導致整體實驗數據的離散性增加。同時，不同荷載水平循環作用下，SFRC 破壞時的裂紋寬度也有所不同。因此，探究如何降低因鋼纖維引起的整體構件數據的離散性，以及不同荷載水平對纖維-基體界面的影響機理，成為不錯的研究方向。

3 總 結

近年來國內外學者對SFRC 進行了大量的試驗，研究了鋼纖維摻量、長度、種類以及鋼纖維分布形式對混凝土力學性能的影響，但仍存在一些問題有待研究：

（1）隨著鋼纖維體積分數的增加，混凝土力學性能會得到一定程度的提升，當體積分數相同時，纖維取向（傾斜角）也會對力學性能產生影響，一般來說，纖維取向垂直于荷載作用方向時，性能提升最大。本文中試驗大多使用的梁型和立方體混凝土試件，未來可以針對其他形式的構件進行研究。

（2）混凝土結構從澆筑到實際服役，與實驗室不同，實際施工環境往往復雜多變，鋼纖維由于運輸與泵送等原因在混凝土內部的分布情況可能發生改變。同時，現場混凝土的施工往往是大面積進行的，大體積、大面積混凝土澆筑成型后要想對內部纖維分布進行檢測往往比較困難。因此，如何保證拌合物內部鋼纖維能夠分布均勻，以及應用于現場成型后的混凝土中鋼纖維分布的檢測技術是兩個明確的研究方向。

（3）在大部分情況下，鋼纖維對混凝土抗壓性能的提高并不明顯，這表明受壓區鋼纖維的利用率較低。相較于普通混凝土而言，鋼纖維混凝土在提高力學性能的同時造價也有所增加，為了兼顧力學性能與成本，選擇合理的摻量以及合適的鋼纖維類型是很有必要的。目前多數研究中，因素的選擇較單一，多因素交互作用的影響尚不明確，應該加強這方面的研究。

（4）鋼纖維的加入在提高混凝土疲勞強度的同時也增加了構件實驗數據的離散性。因此，如何降低這種離散性，從而降低混凝土疲勞壽命的波動幅度、保證整體結構或構件的質量是一個不錯的方向。