钢纤维混凝土设计及性能研究

■闫保民，冯佰研，仉明坤，代 兵

■1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266510;2.山东省防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266510;3.济南一建集团，山东 济南 250000

1 钢纤维混凝土概述

现行土木建筑行业中，混凝土是应用最为广泛的建筑材料之一。作为水泥最主要的使用方式，混凝土具有很多优点，如适用广泛、价格低廉、浇筑便捷等。但混凝土弹性模量、抗冲击能力等方面的缺点在工程实际中也难以忽视。将增强材料掺入水泥分散体中，可以有效提高混凝土的各项力学性能，本文就钢纤维混凝土配合比、力学工作性能进行研究，探讨钢纤维混凝土在土木工程中的广阔应用前景。

1.1 钢纤维混凝土定义

钢纤维混凝土由粗骨料、细骨料、水泥以及乱向分布的短钢纤维组成，具有多相非均质特性。在混凝土中掺入钢纤维后，混凝土中的微缺陷发展收到遏制，同时宏观裂缝的产生也受钢纤维影响而减少。钢纤维的掺入提高了混凝土的抗拉弯能力、抗冲击与抗疲劳性能，使得钢纤维混凝土较一般混凝土有着更加优越的性能，在土木建筑行业被广泛应用。

1.2 钢纤维混凝土增强机理

增强钢纤维混凝土的性能需要从钢钎维混凝土物理、化学、力学等方面进行改造。通过这种本质上的改造和根据材料新性能的理论基础来提高钢钎维混凝土的抗压、抗裂等性能。

如今的钢钎维混凝土基本理论是通过提高纤维的性能而发展起来的，如提高纤维的塑料和金属的合成来提高钢纤维的性能。由于钢纤维混凝土的成分多，组成多样性，合成多样性和非均质性造就了它要比其他的纤维增强复杂的多。对钢纤维混凝土增强机理的现阶段研究，主要依据两种理论:一种是运用复合材料力学理论(混合率法则);第二种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。

普通钢纤维混凝土的纤维体积率在1%～2%之间，较之普通混凝土，抗拉强度提高40%～80%，抗弯强度提高60%～120%，抗剪强度提高50%～100%，抗压强度提高幅度较小，一般在0～25%之间，但抗压韧性却大幅度提高。

2 配合比

2.1 配合比设计原则

混凝土的配合比是影响混凝土性能的重要指标，因而钢纤混凝土的合理配合比显得尤为重要，现场实验证明钢纤维混凝土的配合比可以参考普通水泥混凝土的配合比，满足混凝土强度要求，施工和易性要求，耐久性要求和经济性要求这四项要求。其中耐久性要求具体为:

(1)钢纤维混凝土满足耐久性要求最大的水灰比为0.47，最小单位水泥用量为360kg/m3以便达到抗渗性和耐冻性等耐久性要求。

(2)钢纤维混凝土严禁采用海水、海砂，不得掺加氯盐及氯盐类早强剂、防冻剂等外加剂并对混凝土使用的原材料进行严格检查选用优等材料。

2.2 配合比参数的确定

(1)水灰比的确定

钢纤维混凝土水灰比确定，可以按照一般混凝土的抗压强度与水泥强度等级、水灰比关系式求得，即:

式中:ffcu—钢纤维混凝土配制抗压强度(MPa);

C/W—水灰比;

da、db—经验系数;

fce—水泥实测28d 抗压强度(MPa);

fce=rcfcu，rc—富余系数;fcu—水泥强度等级标准值(MPa)。

(2)钢纤维的掺量

根据施工单位要求，并结合有关规范和参考相关文献，确定钢纤维的设计掺量及体积率。

(3)砂率

利用经验公式，在满足强度和和易性的情况下，选择合理的砂率。

影响砂率的主要因素有:①粗骨料选取过程中，粗骨料最大粒径选取时，碎石比卵石砂率大些;若石料最大粒径小，砂率需要适当提高;②钢纤维体积率或者长径比大，则钢纤维表面积大，需要砂率也大些;③砂的细度模数较小时，拌合料的粘聚性容易得到保证，故砂率采用较小值;④水灰比不大时(水泥砂浆较为粘稠)，可以适当选用较小砂率;⑤当工程要求拌合料具有一定流动性时，如粗骨料已出现离析，可以采用较大的砂率;⑥混凝土拌合时，如有减水、引气剂掺入时，可适当减少砂率。

(4)单位体积用水里及水泥用量

单位体积用水量和石子种类、最大粒径、钢纤维体积率、水灰比、砂子种类和粒径有关。用水量:根据规范要求，初选单位用水量。水泥用量:根据水灰比和初选单位用水量，得出单位水泥用量。

2.3 实验室配合比的确定

按照配合比设计步骤，通过实验室试拌，确定了满足施工要求配合比。

3 钢纤维混凝土实验室试验计算

确定实验室配合比后，制作不同钢纤维掺量与不同龄期的混凝土试件，分析钢纤维混凝土抗压、抗折强度的变化，以及减水剂对混凝土弹性模量与收缩性能的影响。

部分钢纤维混凝土实验计算公式如下所示:

a)立方体抗压强度计算公式为:

式中:fcc—抗压强度;P—破坏荷载;A—试件承压面积。

b)立方体抗弯强度计算公式为:

式中:ft—抗弯强度;l—支座间距(即跨度);b—试件截面宽度;h—试件截面高度。

c)静力抗压弹性模量计算公式为:

式中:Ec—静力抗压弹性模量;P2—40%的极限破坏荷载;P1—应力为0.5Mpa 时的荷载;ΔL—应力从0.5MPa 增加到40%破坏应力时的试件变形值;L—测量变形的标距。

d)断裂能计算公式为:

式中:GF—断裂能;p—荷载;a0—裂缝深度;δ—试件中线位移;δmax—试件中线最大位移。

4 钢纤维混凝土的基本性能

4.1 强度和重量比值增大

强度提升是钢纤维混凝土相较一般混凝土的最大优势。

4.2 具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度

短钢纤维的掺入使混凝土力学性能有明显提升，但当钢纤维掺入量提高到一定程度后，短钢纤维的增强增韧作用趋于稳定。适量掺入钢纤维，混凝土抗拉强度增加25%～50%，抗剪强度增加50%～100%，抗弯强度增加40%～80%。

4.3 抗冲击性能强

冲击韧性是指材料抵抗冲击荷载的能力，掺入一定数量短钢纤维后，混凝土抗冲击性能有较大提升，冲击抗压韧性可增强数倍，冲击抗弯、抗拉韧性可增强几十倍。

4.4 抗疲劳性能显著改善

钢纤维混凝土较一般混凝土抗疲劳性能提升显著。

4.5 耐久性能显著改善

相较一般混凝土，钢纤维混凝土在抗裂性、整体性等方面有着明显优势，抗渗性能没有变化。因短钢纤维的掺入，钢纤维混凝土耐冻融性、耐磨性、耐热性和抗腐蚀性都有所提高。

5 结论

钢纤维混凝土经过几十年的试验与理论研究，现已走向了广泛应用的阶段。广泛实验和应用表明按照钢纤维混凝土，在不同体积掺量条件下，能达到较好的强度等级和坍落度。进一步的力学试验表明，钢纤维的掺入对混凝土抗压强度没有明显的增强效果，对早期抗折强度和劈拉强度、抗冲击、耐疲劳等方面有较大增长。配合比设计方法和试验结果对实际工程应用有一定的参考价值。

［1］杨勇，任青文.钢纤维混凝土力学性能试验研究［J］.河海大学学报(自然科学版)，2006，01:92 -94.

［2］赵顺波，杜晖，钱晓军，李长永.钢纤维高强混凝土配合比直接设计方法研究［J］.土木工程学报，2008，07:1 -6.

［3］杨润年.钢纤维混凝土静力损伤及疲劳损伤研究［D］.广州:华南理工大学，2013.

［4］程秀菊.钢纤维混凝土的增强机理及断裂韧性的研究［D］.南京:河海大学，2005.

［5］刘永胜，王肖钧，金挺，劳俊.钢纤维混凝土力学性能和本构关系研究［J］.中国科学技术大学学报，2007，07:717 -723.