钢纤维混凝土研究进展

摘要：钢纤维混凝土因钢纤维在混凝土基体乱向分布与基体有效粘结，共同变形，抗拉强度、抗折强度、耐冲击、耐磨性等性能优良，在工程中广泛应用是为了强力普及的新型建筑材料。本文回顾了钢纤维混凝土的研究现状，对钢纤维混凝土的研究进展进行了总结，介绍了钢纤维混凝土力学性能的影响因素和钢纤维混凝土数值分析以及钢纤维随机分布模拟研究的现状。

关键词：钢纤维混凝土;数值模拟;蒙特卡洛;细观模型

0 引言

根据相关工程单位的统计，我国建国后建设的60多座混凝土水库出现了超过70米的裂缝。根据大量的研究结果，混凝土结构性能恶化的速度很大程度上取决于水、二氧化碳、氯离子等有害离子侵入混凝土内部的速度，因此无法有效控制混凝土裂缝的发展这些有害介质的侵入大幅加速，最终会发生混凝土结构的早期劣化和安全上的潜在危险。也就是说，混凝土结构的易碎特征直接影响结构的耐久性和使用年限[1]。

1 钢纤维混凝土研究进展

二十世纪80年代，王焕德[2]、朱安能、章国彦等开创了将钢铁纤维混凝土应用于水利事业的先河。钢纤维混凝土由于其不腐蚀，不需要修理，不易开裂，在水利界得到了很大的发展和应用。

大连理工大学的关丽秋和赵国藩[3]等，通过钢筋混凝土板的拉伸试验和理论研究，讨论了对钢筋纤维混凝土基体的强化机构，从破坏力学的观点出发，导出了复合材料相一致的乱向钢纤维混凝土的拉伸强度公式。混凝土内部有缺陷和微裂纹，应力集中，裂缝扩大，裂缝扩展到临界值后，急速发展的裂缝破裂就会扩大，产生破坏。防止破坏的重点在于减少或除去材料内部的应力集中，混在混凝土中的钢纤维发挥了这个效果，钢纤维束缚了裂缝的扩散，减轻应力集中的应力场提高混凝土的拉伸强度。测试结果表明，当钢纤维的掺杂量不同时，钢纤维混凝土可以分为多缝破坏和单缝破坏。

郑州大学高丹盈、谢晓鹏、赵军等做了大量的钢纤维混凝土的力学性能的研究：指出钢纤维体积率和混凝土的强度等级是影响其轴拉初裂强度的主要因素，提出了钢纤维混凝土轴拉初裂强度的计算公式[4];提出与钢筋混凝土深梁统一的钢筋钢纤维混凝土深梁关于斜截面抗剪承载力的计算方法，将钢筋混凝土深梁视为钢筋钢纤维混凝土深梁的特殊情况。

东南大学的孙伟、高建明等钢纤维混凝土的疲劳性能、流动性、耐磨性、耐爆性等方面进行了很多研究。提出了钢纤维混凝土疲劳方程，指出钢纤维混凝土的疲劳破坏主要是由于内部微裂纹在疲劳负荷的影响下逐渐扩大，钢纤维对混凝土基板有抵抗作用，疲劳性能显著改善。指出钢纤维混凝土的流动性主要取决于钢纤维的体积添加量和单位混凝土的使用水量，实际工程应用应采用最大直径为20mm的粗骨料。影响钢纤维混凝土耐磨性的因素主要有成分材料的耐磨性、水灰比和界面强化度，其中砂石骨料是影响耐磨耗性的最主要因素，钢纤维的混入具有显著的耐磨性强化效果，高效率的减水剂、低水灰比、将适量的硅酮灰和聚合物混合，是提高钢纤维混凝土耐磨性的有效措施。钢纤维混凝土的防爆性能随着纤维体积率的增加和厚度明显提高，但钢纤维体积率的影响大于厚度的影响，爆炸坑的深度和直径可以明显降低。

东南大学孙伟、高建明等对钢纤维混凝土的疲劳性能、流动性、耐磨性、抗爆性能等方面进行了大量研究。提出了钢纤维混凝土疲劳方程，指出钢纤维混凝土的疲劳破坏主要是因为内部微裂缝在疲劳荷载的作用下慢慢扩展所致，由于钢纤维对混凝土基体具有阻裂效应，显著改善了其疲劳性能[5];指出钢纤维混凝土的流动性主要取决于钢纤维的体积掺量和单位混凝土用水量，在实际工程应用中宜采用最大直径为20mm的粗骨料;发现影响钢纤维混凝土耐磨性的因素主要有组成材料的耐磨性、水灰比和界面强化程度，其中砂石骨料是影响耐磨性的最主要的因素，钢纤维的掺入对耐磨性增强效果显著，掺入高效减水剂、降低水灰比、掺入适量硅灰和聚合物都是提高钢纤维混凝土耐磨性的有效举措;钢纤维混凝土抗爆性能随着纤维体积率的增加和厚度而明显提高，但钢纤维体积率的影响大于厚度的影响，能明显减小爆坑的深度和直径。

2 钢纤维混凝土数值模拟研究进展

田砾等[8]从细观角度出发，将混凝土视为纤维、水泥浆、孔隙、裂缝组成的分散的二相符合材料，利用蒙特卡洛法模拟多边形骨料的随机分布，并利用数值计算进行有限元网格的自动划分，生成了二维随机混凝土模型。

张剑等根据骨材级联曲线和面积的比例，利用Monte Carlo法生成与实际骨材分布相似度高的二维骨料分布，并提供基础技术支持分析混凝土的收缩、徐变、裂缝等。

马怀发等建立随机骨料分布混凝土梁，进行三分点梁弯拉试验数值模拟，直观的展示了加载过程中微裂缝的产生、扩展乃至失稳的过程，用瓦拉文公式验证了随机骨料数量的合理性。

李运成等针对水库混凝土的高骨材要求生成随机骨材模型，形成了三维随机凸出多面骨材模型。

王宗敏和邱志章根据蒙特卡罗的随机取样原理，使用“取”和“放”生成有限元模型，利用ANSYS以高品质的三角形单元分割网格在混凝土微观分析中，界面带的模拟接近实际的混凝土。

3 力学影响因素

Su &Bang发现，当钢纤维的分布非常不均匀并且垂直于负载方向取向时，钢纤维对混凝土基体的增强效应几乎为零。

丁庆军和耿雪飞等发现，在混凝土基板上嵌入多个纤维有利于形成致密的三维网络结构，提高了界面结合的强度和工作性能，具有高冲击和耐冲研磨性能。在钢纤维的定向检查中，Su采用图像处理技術，采用三维剖面切割的方法，对单位面积内钢纤维的数量、分布系数、钢纤维的取向等进行统计并定量评估，建议损害原结构。Miletic & Kravchuk等建议使用微计算机断层扫描（micro-computed tomography，micro-CST）和医学上检测骨折的声辐射（AE）技术等，进行钢纤维分布的无损检查。

钢纤维混凝土的抗压能力远比抗拉能力强，主要原因在于钢纤维的表面比较光滑，与混凝土基体的粘接力较弱。钢纤维混凝土材料在发生拉伸或弯曲破坏时，不是断裂而是被拔出破坏。因此，改善纤维和基底的粘结性能也是影响机械性能的重要影响因素。例如，如果改变钢纤维的几何形状（例如弯曲、端钩等），界面连接性能和机械锁定能力就会明显改善，机械性能也会提高。

4 结语

本文回顾了钢纤维混凝土的研究现状，总结了钢纤维混凝土的研究进展介绍了钢纤维混凝土机械性能的影响因素和钢纤维混凝土的数值分析以及钢纤维随机分布模拟研究的现状。

参考文献

[1]赵亮平，高丹盈，朱海棠.钢纤维对混凝土强度和韧度的影响[J].华北水利水电学院学报，2012，33，（06）：29-32

[2]王焕德，钢纤维混凝土. 水利水电出版社，1985年.

[3]关丽秋，赵国藩. 钢纤维混凝土在单向拉伸时的增强机理与破坏形态的分析[J].水利学报，1986（09）：34-43.

[4]高丹盈，徐磊，李趁趁. 钢纤维混凝土轴拉初裂强度的计算方法[J].郑州大学学报（工学版），2002（01）：31-33.

[5]高建明，孙伟. 钢纤维混凝土疲劳性能的研究[J].混凝土与水泥制品，1989（01）：10-12.

作者简介：杨燕珍（1996-），女，湖南娄底人，硕士，研究方向：结构工程。

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