钢纤维增强混凝土研究进展*

李　娜，冯　琪，李　剑

(1 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2 大连理工现代工程检测有限公司，辽宁大连 116024；3 广西南南铝加工有限公司，广西南宁 530031)



钢纤维增强混凝土研究进展*

李娜1，冯琪2，李剑3

(1 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2 大连理工现代工程检测有限公司，辽宁大连 116024；3 广西南南铝加工有限公司，广西南宁 530031)

钢纤维增强混凝土(SFRC)承载能力强，在建筑、交通、水利等方面应用前景广阔。近年来对SFRC的研究主要集中在增强机理、力学性能、腐蚀防护以及数值模拟等方面。SFRC的力学性能优于普通混凝土，能有效防止脆性破坏的产生；SFRC腐蚀防护的研究未涉及到相关腐蚀机理分析，主要侧重对腐蚀行为的观察；SFRC的数值模拟贴近实际情况，已经逐步实现了宏观与细观的结合。然而，对钢混杂纤维增强混凝土的研究尚处于初步阶段，需在增强机理、本构关系以及耐久性研究等方面深入进行，为钢混杂纤维增强混凝土的实际工程应用提供理论与技术支持。综合论述了目前SFRC各个方面的研究进展，展望了钢混杂纤维增强混凝土的应用前景。

钢纤维增强混凝土，增强机理，力学性能，腐蚀性能，数值模拟，混杂纤维

混凝土本身即是一种复合材料，在此“复合”的基础上掺入不同种类、尺寸的纤维形成“双复合”混凝土，工程中常用的纤维有聚丙烯纤维、碳纤维、钢纤维等，钢纤维由于其显著的阻裂效应以及对混凝土基体性能(抗拉、抗弯、抗冲击及韧性)的增强效应，钢纤维增强混凝土(SFRC)在建筑、水利、交通主要用于承重结构，在工程领域的应用研究不断扩大[1-3]。但SFRC也存在一些劣势，比如钢纤维对混凝土基体的抗压强度促进作用不明显，甚至使该性能有所降低，对钢纤维的抗渗性、耐磨性存在升高和降低两种观点[4]，随着纤维增强混凝土的发展，钢纤维的应用越来越受到关注。

1　SFRC的增强机理

将随机分布的钢纤维作为增强材料掺入以水泥、粗细集料或混凝土本身的基材中，即形成了SFRC，也可以认为是由水泥、集料以及钢纤维的界面或者混凝土基体与钢纤维的界面组成。SFRC的增强机理理论主要存在以下三种理论：

(1)混合定律：该定律将SFRC中的钢纤维和混凝土基体视为不同的两相，SFRC的各项性能是这两相的加权。该定律假设钢纤维在基体中呈现连续均匀平行排列的特点，且与混凝土基体承受的载荷方向一致。然而，在实际应用中，掺入混凝土基体中的钢纤维多数呈不连续乱向分布的特征，在计算混凝土强度时，需考虑钢纤维的分布方向、长度已经其与混凝土基体界面粘结性等因素[5-6]。

(2)纤维间距理论：1963年Romualdi J P、Batson J B和Amamde J[7-9]在断裂力学的基础上提出了该理论。该理论认为将钢纤维加入混凝土这一脆性基体中，可以提高基体的抗拉强度，裂缝源的尺度缩小、数量减少可以使裂缝尖端的应力集中效应减弱，在SFRC形成和服役过程中，混凝土基体受力前后组织裂缝引发和扩展的能力提高，从而达到钢纤维对混凝土增强、增韧的目的，其增强效果与纤维间距有关。然而，纤维间距理论实质是经验型的钢纤维增强基体强度的理论，存在一定的局限性，它只考虑钢纤维之间间距对增强效果的影响，忽略了实际中不连续、非均匀分布、不同长度的钢纤维的复合效应对增强效果的影响。

(3)界面应力传递的剪滞理论：1952年，Cox H L[10]率先提出剪滞理论的概念，认为钢纤维与混凝土基体之间是理想粘结，钢纤维受到的轴向应力由其界面上的剪应力来平衡。但在实际应用中发现，混凝土基体与钢纤维界面之间会不是理想粘结存在相对滑动，为此，Chua P S和Piggott M R[11]对Cox H L的剪滞模型进行了改进，将界面分为弹性粘结区和界面滑移区两部分。随后，Tripathi D等人[12]通过分析更加真实的SFRC界面应力分布，将界面分为弹性粘结区、塑性粘结区和脱粘滑移区。

2　SFRC的力学性能

基于目前实验技术的突破和设备仪器的更新，可以完成SFRC在各种条件下的静力加载实验[6，13]。相关研究者发现SFRC在动态荷载下的力学行为与静态下差异很大，并通过一系列动态荷载实验结果提出了应变率相关的本构模型。

(1)动静态力学性能：严少华等[14]利用Φ74mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置对高强SFRC进行动态压缩实验，发现其强度与应变率的对数呈线性增长。巫绪涛[15]利用Φ100mm的SHPB装置，发现C60、C80和C100三种SFRC在应变率为64/s～86/s时，其动态强度是静态时的1.5～2.5倍。Lok T S[16]采用SHPB装置对SFRC进行了冲击压缩实验，发现了应变与强度的关系，与静态强度相比，动态荷载作用下，除了强度提高，其变形性能也存在差异。刘永胜[17]开展了超短SFRC动静态力学性能的实验研究，发现钢纤维对混凝土强度和裂后韧性增强效应明显，且在低应变率和高应变率范畴都存在应变率效应，高应变率时应变效应更明显。

(2)动态本构模型：由于本构理论和分析方法的不同，SFRC的动态本构模型主要有三点：基于粘弹性理论的动态本构模型；基于粘塑性理论的动态本构模型；基于损伤理论的动态本构模型。刘永胜[17]根据SFRC实验得到了应力应变曲线的特点，提出了包含钢纤维增强效应和应变率增强效应在内的含损伤本构模型。

3　SFRC的腐蚀防护

SFRC作为一种很好的承重材料广泛应用于各个领域，在不同环境下服役过程中，人们对它关注的性能侧重点不同，其在海水腐蚀下的工作性能直接关系到SFRC在海洋环境工程应用的安全性。目前，主要侧重钢纤维在腐蚀环境下腐蚀行为的观察，暂未涉及腐蚀机理的研究，基于SFRC实际服役情况，研究海水对钢纤维混凝土的承载力及变形性能的影响机理意义重大。

(1)腐蚀行为：SFRC的耐蚀性优于钢筋混凝土[18-20]，但当其长期在海洋环境下服役时，钢纤维会发生电化学腐蚀，并随着时间的增加而加剧，导致力学性能降低[21-23]，如果混凝土基体已经发生开裂，存在明显裂缝，将会加速钢纤维的腐蚀，从而导致混凝土基体承载能力和韧性降低。Mangat P S等[20，24]研究发现，SFRC预制裂缝宽度大于0.2mm临界值后，腐蚀程度随裂缝宽度增加而加剧，0.2mm之前，钢纤维锈蚀甚微，对构件性能几乎无影响，但当裂缝宽度达2mm时，腐蚀严重。

(2)防护措施：SFRC的腐蚀防护措施应基于对其腐蚀机理的研究，其关键是防止混凝土基体碳化并抑制Cl-对钢纤维的腐蚀，目前常用的SFRC腐蚀防护措施有主要有：加入阻锈剂法，包括阳极型钢材阻锈剂和阴极型钢材阻锈剂；阴极防腐法；采用防腐性较好的材料制成钢纤维；提高混凝土基体的密实度[25]。

4　SFRC的数值研究

SFRC的数值模拟技术对实际工程的分析和设计具有重要意义，根据钢纤维的特征尺寸和研究方法，其数值模拟可分为三个层次的研究[26-27]，宏观层次：将钢纤维混凝土看作各项同性的均质材料，从而在平均意义上获得材料力学性能参数，预测混凝土基体在不同荷载的响应，该层次的研究无法揭示混凝土内部的变形以及内在的破坏机制；细观层次：建立SFRC中粗骨料、水泥浆以及二者粘结层单元的模型，赋予其不同的材料属性，运用相应的考虑损伤的本构关系及破坏准则模拟混凝土材料实际的裂缝形成和扩展，最终反映混凝土损伤演变过程；微观层次：在特征长度在微米级别的尺度下，以具有复杂孔隙结构的硬化水泥浆体为主要研究对象，模拟分析内部形成的初始微裂纹对整个材料构件整体力学性能的影响。

5　钢混杂纤维混凝土

目前与钢纤维进行混杂的纤维主要以聚丙烯纤维为主，对于钢-聚丙烯混杂纤维增强混凝土的研究尚处于起步阶段，且主要集中在其力学性能方面，主要包括强度、韧性、抗冲击性能、疲劳性能等。

钢-聚丙烯纤维混杂可以提高素混凝土的各项力学性能[28-32]，尤其对于韧性和抗裂性能[33]，对于钢-聚丙烯混杂纤维增强混凝土力学性能的研究已从材料性能研究逐渐向结构性能研究发展，但是对该结构的抗震性能还有待进一步研究。同时，还没有形成公认的钢-聚丙烯混杂纤维增强混凝土本构关系。

6　结语

SFRC的理论研究和实际生产技术不断提高，可为工程实践提高可靠的技术指导。目前对SFRC研究大部分集中在其力学行为，对SFRC在各种条件下的静力加载、动态加载实验，并通过一系列动态荷载实验结果提出了应变率相关的本构模型。对SFRC的腐蚀防护研究，未涉及到相关腐蚀机理分析，主要侧重对腐蚀行为的观察，只有从微观结构着手，分析钢纤维腐蚀机理，才能采取有效措施对其进行腐蚀防护。国内外学者针对SFRC的数值模拟技术建立更加贴近实际情况的细观数值模型，研究相关力学性能，逐步实现了宏观与细观的结合。随着单一钢纤维增强混凝土的发展，钢混杂纤维其他纤维增强混凝土的越来越受到重视，然而，对钢混杂纤维增强混凝土的研究尚处于初步阶段，需在增强机理、本构关系以及耐久性研究等方面深入进行，从而为钢混杂纤维增强混凝土的实际工程应用提供理论与技术支持。

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Recent Progress of Steel Fibre Reinforced Concrete

LI Na1，FENG Qi2，LI Jian3

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 Dalian Institute of Technology，Modern Engineering Detection Co. LTD，Dalian 116024，Liaoning，China；3 Alnan Aluminum Inc.，Nanning 530031，Guangxi，China)

Steel fiber reinforced concrete (SFRC) has broad application in architecture，transportation and irrigation works due to its more excellent bearing capacity. In recent years，the research of SFRC mainly focused on strengthening mechanism，mechanics behavior，corrosion resistance and numerical simulation. Brittle failure can be effectively prevented because of the better mechanical properties of SFRC. The research of SFRC primary focuses on the corrosion behavior and not related to the corrosion mechanism. The numerical simulation of SFRC is close to the reality and has gradually realized the macroscopic and microscopic combination. However，the research of steel hybrid fiber reinforced concrete is still at a preliminary stage and need deeply study on enhancement mechanism，constitutive relation and durability research. Thus，the applications of steel hybrid fiber reinforced concrete can be supported in theory and technology. The study and progress of SFRC at present were summed up，and the trends of SFRC were predicted.

steel fibre reinforced concrete，strengthening mechanism，mechanics behavior，corrosion resistance，numerical simulation，hybrid fiber

陕西省高性能混凝土工程实验室专项课题(G2015-01)

TU 528.572