鋼纖維混凝土試驗研究綜述

孫艷秋 曾志興

(1.浙江工業職業技術學院建筑工程分院，浙江紹興 312000; 2.華僑大學土木工程學院，福建泉州 362021)

0 引言

鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete簡稱SFRC)是在普通混凝土(Reinforced Concrete簡稱RC)中摻入適量的鋼纖維而形成的可澆筑、可噴射成型的一種新型復合材料。與普通混凝土相比，它不僅能改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，顯著提高結構的疲勞性能及耐久性。鋼纖維混凝土在工程中的實際應用始于20世紀70年代，由美國Battele公司開發的熔抽鋼纖維技術為鋼纖維混凝土的應用提供了條件。此后在加拿大、英國、瑞典、日本等國家也迅速進行這方面的應用研究。我國是從20世紀70年代著手對鋼纖維混凝土進行材料力學性能的實驗研究，1989年頒布CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗方法。直到1992年頒布了CECS 38∶92鋼纖維混凝土結構設計與施工規程，才使鋼纖維混凝土在橋梁工程、道路工程、地下結構及其他特種結構工程等領域得到了比較廣泛的應用［1］。

目前，我國學者開展鋼纖維混凝土試驗研究的主要依據是:CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗方法、GB/T 50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法標準、GB 50152-92混凝土結構試驗方法標準、CECS 38∶2004纖維混凝土結構技術規程、RilemTC 162-TDF國際材料與結構試驗聯合會關于纖維混凝土的彎曲韌性的實驗方法等。研究重點主要集中在:抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比、配合比、工作性、韌性等方面。

1 抗壓強度

抗壓強度的試驗研究主要集中在纖維體積率、纖維長徑比、纖維形狀、纖維摻入類型、混凝土強度等級，以及外加劑的加入等因素對抗壓強度的影響情況。焦楚杰等［2］研究表明:SFRHSC的抗壓強度隨著Vf增大而增大，當Vf從1%增到3%，SFRHSC立方抗壓強度較基體增長4.48%～30.54%，軸心抗壓強度增長11.76%～40.57%。楊松霖等［4］用端部彎折型、端部扁平型和波浪型3種鋼纖維，纖維體積摻率分別為1.0%，2.0%，2.5%和3.0%配制抗壓強度大于100 MPa的超高性能纖維混凝土，纖維體積摻率為1.0%～3.0%時，波浪型鋼纖維超高性能混凝土的抗壓強度最高，但抗彎強度和斷裂性能最低。鄭敬賓等［7］研究表明:對于單一鋼纖維混凝土，其抗壓強度隨鋼纖維體積含量的增加而增加;對于混雜鋼纖維混凝土而言，長徑比大的纖維比長徑比小的纖維發揮著更為有利的作用;在保持纖維含量不變下，隨著大長徑比纖維含量的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強度變化較小。衛明山等［12］研究表明:混雜鋼纖維的摻入對混凝土的抗壓強度影響不大。張慶芳等［13］研究表明:加入減水劑后，抗壓強度增幅降低，即隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強度增加的幅度很小，一般小于6%。朱海堂等［14］研究結果表明:耐堿劑的加入對普通混凝土的抗壓強度幾乎沒有影響，對鋼纖維混凝土抗壓強度的影響在10%以內，與未摻加耐堿劑的鋼纖維混凝土相比，摻有耐堿劑的鋼纖維混凝土抗折強度有所提高，且其提高幅度隨基體混凝土抗壓強度的提高而降低，耐堿劑可以有效提高混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強度比，平均增幅約為8.8%。

2 抗拉強度

抗拉強度的試驗研究主要集中在纖維體積率、纖維摻入類型，以及外加劑的加入等因素對劈拉強度的影響情況。焦楚杰等［2］的研究表明，當Vf從1%增到3%，SFRHSC的劈裂抗拉強度較基體增長36.9%～113.2%。衛明山等［12］的研究表明混雜鋼纖維的摻入對混凝土的劈裂抗拉強度影響較大，較基體混凝土劈拉強度增長了1倍以上，較單一鋼纖維混凝土對基體混凝土的增強有明顯的提高。張慶芳等［13］的研究表明:加入減水劑后，抗拉強度增幅有較大增加，如鋼纖維摻量為1.4%時，增幅最大值達到33.3%。

3 抗彎、抗剪強度

抗彎和抗剪強度的試驗研究主要集中在纖維體積率不同時，初裂抗彎強度、最大抗彎強度、純剪強度和壓剪強度等的變化情況。焦楚杰等［2］的研究表明，當Vf=2%和3%時，SFRHSC初裂抗彎強度分別較基體增長44.5%和72.2%，最大抗彎強度增長79.0%和134.8%。衛明山等［12］的研究表明混雜鋼纖維的摻入對混凝土的抗彎強度影響程度較單一鋼纖維混凝土有一定的提高，約為2%～8%。王志亮等［3］利用楔形剪切儀對纖維體積含量分別為0，1.5%和3.0%，邊長為7.0 cm的立方體試塊開展了壓剪破壞試驗，試驗結果表明，當接近極限荷載時，鋼纖維混凝土試件裂而不散、整體性好，而素混凝土試塊立即剪斷為兩部分。王志杰［9］試驗研究了不同鋼纖維摻量對純剪和壓剪強度的影響，研究表明隨著纖維摻量增加，抗剪強度有所提高;隨著軸壓的增加，抗剪強度增強系數在逐步減小，當軸壓達一定值時，抗剪強度增強系數增大;純剪狀態下，適宜的鋼纖維摻量與素混凝土相比，抗剪強度可提高80%以上。

4 彈性模量、泊松比

彈性模量和泊松比的試驗研究主要集中在混凝土強度、纖維體積含量，以及水泥漿體含量等對二者的影響情況。焦楚杰等［2］的研究表明，SFRHSC的彈性模量和泊松比均是不敏感的材料參數，前者隨材料抗壓強度的提高而緩慢增加，后者隨Vf的加大而略微減小。鄭敬賓等［7］的研究表明，隨鋼纖維體積含量的增加，彈性模量基本不變。高丹盈等［8］的研究表明，彈性模量隨水泥漿體含量的提高有降低的趨勢，隨鋼纖維的增加基本保持不變。

5 配合比與工作性能

在進行基本力學性能試驗研究的同時，部分學者開展了鋼纖維混凝土砂率、流動性以及配合比的研究。張慶芳［5］采用常規工藝配制CF40混凝土，通過對比法對試驗數據進行了分析，確定了CF40混凝土在鋼纖維摻量為1.0%～2.0%時的合理砂率為45%～48%。楊九俊等［6］研究了鋼纖維體積分數對大流動度超高強鋼纖維混凝土流動性、力學性能的影響，結果表明:超高強鋼纖維混凝土的流動性隨著鋼纖維體積分數的增加而顯著降低，當鋼纖維體積分數不大于0.75%時，其坍落度可維持在200 mm以上。高丹盈等［8］試驗研究了鋼纖維高強混凝土配合比的設計方法，研究表明:水泥砂漿含量和鋼纖維體積率均是影響高強混凝土拌合物工作及力學性能的重要因素，拌合物坍落度與水泥漿體含量成正比，與鋼纖維體積率成反比。陳秀云等［10］結合有關混凝土配合比設計規范和鋼纖維混凝土教程，以實例介紹了鋼纖維混凝土最優配合比的確定。

6 韌性研究

對鋼纖維混凝土韌性的研究主要是斷裂韌性研究和彎曲韌性研究。

6.1 斷裂韌性

斷裂韌性的試驗研究主要集中在研究纖維體積率和相對切口深度等對普通混凝土、高強混凝土和二級配骨料混凝土等斷裂韌度和斷裂性能的影響情況。石國柱等［15］研究表明:鋼纖維的摻入明顯提高了二級配混凝土的斷裂性能，對其有較大的增韌效果，與基體混凝土相比，鋼纖維混凝土的斷裂韌度可提高8%～43%，斷裂性能可提高514%～991%。張廷毅等［16］研究表明:隨著鋼纖維體積分數的增加，鋼纖維高強混凝土斷裂韌度增益比呈線性增加;隨著切口深度的增加，斷裂韌度略有降低;高強混凝土斷裂韌度服從威布爾分布。鄧宗才等［17］研究表明:鋼纖維混凝土的斷裂韌度較普通鋼纖維混凝土增大約30%，隨著試件裂縫相對深度的增大，斷裂韌度略有增加。

6.2 彎曲韌性

彎曲韌性的試驗研究主要集中在研究基體混凝土強度、鋼纖維體積分數、鋼纖維類型、纖維長度、最大骨料粒徑等對高強鋼纖維混凝土彎曲韌性的影響。朱海堂等［18］根據實驗得到的荷載撓度曲線，按照我國現行的CECS 13∶89鋼纖維混凝土實驗方法計算了彎曲韌度指數和承載能力變化系數，其計算值隨著鋼纖維體積率的增大而增大，且大于與初裂點相對應的理想彈塑性材料的相應值。實驗表明:以理想彈塑性體的承載能力變化系數為基準來評定鋼纖維高強混凝土的彎曲韌性是否合適還有待于進一步的研究。姚武等［19］研究表明:相比于纖維摻量，纖維長度與最大骨料粒徑之比l/Dmax對纖維混凝土的增強增韌作用有著同等重要的影響。該參數直接影響著纖維在混凝土中的三維分布狀況。因而也影響纖維混凝土中諸多因素，如纖維長度有效因子、纖維取向因子、臨界纖維體積等。如果l/Dmax匹配合理，即使較低纖維摻量的長纖維也能達到較高纖維摻量短纖維的增韌效果。管品武等［20］通過三點彎曲梁韌性試驗，分別用 ASTM C1018［21］特征點法和JCI SFRC［22］韌度指數法計算了相應的彎曲韌性指標，同時依據CECS 38∶2004纖維混凝土結構技術規程計算相應的彎曲韌度比，分析表明:鋼纖維混凝土試件的初裂荷載和抗彎強度都隨基體混凝土強度等級和鋼纖維體積率的提高而增大;ASTM韌性指數法計算表明，鋼纖維混凝土具有良好的塑性性能，但受試驗水平限制，很難精確確定初裂點的位置，導致彎曲韌性指數離散性較大，很難比較不同鋼纖維混凝土試件的彎曲韌性。JCI韌性指數法計算表明，基體混凝土等級一定時，等效平均彎拉強度隨著鋼纖維體積率提高而明顯增大。當混凝土強度等級一定時，鋼纖維混凝土的彎曲韌度比Re隨著鋼纖維體積率增大而提高;當鋼纖維體積率一定時，C50的鋼纖維混凝土彎曲韌度比Re小于C40的鋼纖維混凝土。趙順波等［23］研究表明，鋼纖維使高強混凝土的受彎破壞形態由脆性轉變為韌性，持荷變形能力隨著纖維體積分數的增加而增大，彎曲韌性指數接近理想彈塑性材料值;鋼纖維類型對高強鋼纖維混凝土彎曲韌性有一定的影響，弓形鋼纖維與混凝土基體有更好的粘結錨固作用，增強增韌效果明顯;鋼纖維本身的抗拉強度可能是影響其對高強鋼纖維混凝土增強增韌的一個主要因素，鋼纖維與混凝土之間的粘結強度應具有一定的匹配關系，且是防止鋼纖維被拉斷的關鍵因素。

7 結語

鋼纖維混凝土較普通混凝土在很多性能方面有了較大的提高，成為目前的一個研究熱點問題，我國學者開展鋼纖維混凝土試驗研究的主要依據是CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗方法、GB 50152-92混凝土結構試驗方法標準、CECS 38∶2004纖維混凝土結構技術規程等;主要研究內容是:抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比、配合比、工作性、韌性等;主要結論是:隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強度提高幅度不大，抗拉、抗彎和抗剪強度提高較大，彈性模量和泊松比基本不變，工作性降低，韌性明顯提高。

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