钢纤维对混凝土性能的影响及其在工程中的应用

(河北建筑工程学院 河北 张家口 075000)

引言

混凝土作为建筑工程中重要的复合材料，固有的特点就是抗拉性能低，韧性差，普通的钢筋混凝土可以满足大部分工业与民用建筑，在加入特定外加剂后也能满足某些特殊工程。但由于一些大跨结构、桥梁道路和防护结构对混凝土的韧性、抗拉、抗剪、抗裂性能都有较高的要求，所以通过加入纤维来增强混凝土的性能就成为一种重要方式。近年发展起来的钢纤维混凝土性能优良，钢纤维掺入混凝土基体后，显著地改善了混凝土的抗拉性能、抗弯性能、抗冲击性能、抗疲劳性能，并提高了混凝土的韧性和控制裂缝开展的能力。目前已广泛地应用于隧道、路面、机场跑道，桥梁结构和铁路轨枕，水工建筑物，港口与海洋工程，建筑结构以及耐火工程等各项实际工程中。由于如今对钢纤维混凝土性能的研究成果比较分散，因此归纳了钢纤维对混凝土性能的影响机理以及一些应用了钢纤维混凝土的工程。

一、钢纤维混凝土的发展

纤维对混凝土性能影响的研究始于本世纪60年代，J.P.Romualdi等人首先进行了一系列关于钢纤维对混凝土裂缝约束作用的试验研究，进而在断裂分析的基础上提出了纤维间距理论，此理论将钢纤维与混凝土结合的设想变成了现实。

我国对钢纤维混凝土的研究始于70年代，大连理工大学赵国藩教授根据断裂力学理论推导出了乱向分布下的混凝土抗拉强度公式，并进一步分析了钢纤维对混凝土性能影响的机理和钢纤维混凝土的破坏过程及破坏形态。

尽管国内外对钢纤维混凝土性能的研究一直在进行，但由于研究成果单一分散且没有系统性的总结归纳，使得在钢纤维混凝土复杂应力加载和疲劳性、韧性等方面仍缺少深入的研究。

二、钢纤维对混凝土性能的影响

(一)钢纤维对抗拉强度的影响机理分析。钢纤维混凝土的劈拉强度受骨料最大粒径、水灰比、钢纤维的取向和分布等因素的影响，现常用劈拉试验来测定其抗拉强度。当基体的骨料最大粒径和水灰比变化不大时，其劈拉强度主要与钢纤维的体积率和长径比有关，纤维体积率和长径比统称为纤维含量特征参数，劈拉强度随纤维含量特征参数的增大而增高；当钢纤维体积率和长度不变时，纤维直径越小，试件的劈拉强度越高。试验证明：钢纤维混凝土试件的极限荷载、初裂荷载和韧性均随着钢纤维体积率的增大而增加。

(二)钢纤维对抗压强度的影响机理分析。钢纤维混凝土可视为由多种分散相和基相组成的多相复合材料，所以其力学性能主要与分散相、基相以及二者结合的结合面的力学性能有关。浇筑混凝土时由于其泌水作用和干燥时水泥砂浆的干燥收缩，导致结合面产生细小的裂缝，即骨料截面的粘结裂缝，当构件受到外力作用时，裂缝便从结合面延伸到外表面，形成宏观裂缝。轴压试验表明，由钢纤维混凝土内部众多结合面裂缝尖端引起的应力集中是混凝土开裂的根本原因，根据裂缝的发展程度，可将这一过程分为四个阶段：弹性阶段、裂缝的稳定扩展阶段、裂缝失稳阶段、纤维拔出阶段,对应的破坏也可分为四级：混凝土破坏、砂浆破坏、硬化水泥浆体解体破坏、纤维拔出破坏。分析可知只有当试件达到抗压极限，且裂缝扩展到水泥中时，钢纤维的增强作用才得以发挥，因此钢纤维对抗压强度的提高不明显，只是在很大程度上改善了抗压承载力。

(三)钢纤维对抗折强度的影响机理分析。素混凝土梁“一裂即断”，因此近似认为梁的极限抗折强度是梁的抗折初裂强度。但对于钢纤维混凝土，试验过程中钢纤维混凝土梁在出现裂缝后仍具有一定的抗折强度，因此抗折初裂强度并不能代表极限抗折强度，这主要是因为钢纤维的阻裂作用和边壁效应延长了梁的断裂时间，同时钢纤维的长径比、体积率和基体混凝土的性能对此也有或多或少的影响，他们对抗折强度的影响与对抗拉强度的影响极为相似，只是增强程度不同。研究表明当钢纤维体积掺量达到1%～2%时，试件的抗折强度将增大60%～120%。

(四)钢纤维对抗剪强度的影响机理分析。剪切试验表明，在钢纤维混凝土试件破坏前，裂缝首先出现在承载面中部，随着荷载的增加，裂缝开始向两端延伸，直至贯穿整个受力面。与普通混凝土试件相比，钢纤维混凝土试件内部在发生错动破坏后，仍能继续承受荷载，随着荷载的增大，钢纤维被逐渐拔出，试件的承载能力逐渐降低，其破坏属于韧性破坏。影响钢纤维混凝土抗剪强度的因素与影响抗折强度、劈拉强度的因素大致相同，而且影响的程度和规律也相近。经双面直接剪切试验证明，当加入的钢纤维体积率在1%～2%时，混凝土抗剪强度增加的最明显，即提高50%～100%。

(五)钢纤维对钢筋粘结强度的影响。粘结强度由钢筋与混凝土的胶结力和摩擦力组成，若使用光圆钢筋，则由于光圆钢筋表面光滑，钢纤维的阻裂作用在钢筋拔出过程中并不能起到作用，即光圆钢筋与钢纤维混凝土的粘结强度与普通混凝土无异；若使用异形钢筋如带肋钢筋，由于钢筋表面肋的凸起增强了与混凝土基体的摩擦力和机械咬合力，同时钢纤维发挥了阻裂作用，从而使粘结强度提高。所以，钢纤维的体积率不能决定粘结强度的大小，产生决定性作用的是钢筋的类型。

三、钢纤维混凝土的应用

浙江省开化县齐溪水电站隧洞采用了喷射钢纤维混凝土作为衬砌材料，由于钢纤维混凝土的抗剪、抗折以及韧性都远高于普通混凝土，所以喷射厚度从500毫米减少到60毫米，从而在保证质量的前提下大大减小喷射厚度，降低了成本的投入。

矿场经常通过爆破来采矿，所以对混凝土的抗冲击性和韧性要求较高。在南京梅山铁矿一段工程地质条件错综复杂的矿洞中采用喷射钢纤维混凝土进行隧洞洞壁的加固，其后经过多达20次采矿爆破的考验，虽出现了裂缝，但并未发生脱落。

上海虹桥机场高架车道路面原设计采用90毫米厚的沥青混凝土铺设，鉴于钢纤维混凝土优越的抗折性和韧性，经讨论研究后改用100毫米的钢纤维混凝土代替沥青混凝土，该高架路面至今仍完好如初。

三峡工程中的乐天溪特大桥因在对某些受拉区部位设计时抗裂验算安全系数取值较小，难以满足设计要求。考虑到钢纤维混凝土具有高抗裂性和抗拉性，于是在连续梁的两端点约6米范围内梁的支点处箱梁上部和跨中箱梁下部采用体积率为1.5%的钢纤维混凝土浇筑。竣工后，通过动静荷载试验检验，其各项指标均符合要求。

四、结束语

大量的工程表明钢纤维混凝土能减少裂缝的产生，节省维修的成本以及增强结构的整体性，极适合一些耐磨要求高，频繁遭受较大冲击力的工程。现如今钢纤维混凝土正与装配式建筑结合起来，相信不久的将来，钢纤维混凝土能得到更广泛的应用。