鋼纖維混凝土設計及性能研究

■閆保民，馮佰研，仉明坤，代 兵

■1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266510;2.山東省防災減災重點實驗室，山東 青島 266510;3.濟南一建集團，山東 濟南 250000

1 鋼纖維混凝土概述

現行土木建筑行業中，混凝土是應用最為廣泛的建筑材料之一。作為水泥最主要的使用方式，混凝土具有很多優點，如適用廣泛、價格低廉、澆筑便捷等。但混凝土彈性模量、抗沖擊能力等方面的缺點在工程實際中也難以忽視。將增強材料摻入水泥分散體中，可以有效提高混凝土的各項力學性能，本文就鋼纖維混凝土配合比、力學工作性能進行研究，探討鋼纖維混凝土在土木工程中的廣闊應用前景。

1.1 鋼纖維混凝土定義

鋼纖維混凝土由粗骨料、細骨料、水泥以及亂向分布的短鋼纖維組成，具有多相非均質特性。在混凝土中摻入鋼纖維后，混凝土中的微缺陷發展收到遏制，同時宏觀裂縫的產生也受鋼纖維影響而減少。鋼纖維的摻入提高了混凝土的抗拉彎能力、抗沖擊與抗疲勞性能，使得鋼纖維混凝土較一般混凝土有著更加優越的性能，在土木建筑行業被廣泛應用。

1.2 鋼纖維混凝土增強機理

增強鋼纖維混凝土的性能需要從鋼釬維混凝土物理、化學、力學等方面進行改造。通過這種本質上的改造和根據材料新性能的理論基礎來提高鋼釬維混凝土的抗壓、抗裂等性能。

如今的鋼釬維混凝土基本理論是通過提高纖維的性能而發展起來的，如提高纖維的塑料和金屬的合成來提高鋼纖維的性能。由于鋼纖維混凝土的成分多，組成多樣性，合成多樣性和非均質性造就了它要比其他的纖維增強復雜的多。對鋼纖維混凝土增強機理的現階段研究，主要依據兩種理論:一種是運用復合材料力學理論(混合率法則);第二種是建立在斷裂力學基礎上的纖維間距理論。

普通鋼纖維混凝土的纖維體積率在1%～2%之間，較之普通混凝土，抗拉強度提高40%～80%，抗彎強度提高60%～120%，抗剪強度提高50%～100%，抗壓強度提高幅度較小，一般在0～25%之間，但抗壓韌性卻大幅度提高。

2 配合比

2.1 配合比設計原則

混凝土的配合比是影響混凝土性能的重要指標，因而鋼纖混凝土的合理配合比顯得尤為重要，現場實驗證明鋼纖維混凝土的配合比可以參考普通水泥混凝土的配合比，滿足混凝土強度要求，施工和易性要求，耐久性要求和經濟性要求這四項要求。其中耐久性要求具體為:

(1)鋼纖維混凝土滿足耐久性要求最大的水灰比為0.47，最小單位水泥用量為360kg/m3以便達到抗滲性和耐凍性等耐久性要求。

(2)鋼纖維混凝土嚴禁采用海水、海砂，不得摻加氯鹽及氯鹽類早強劑、防凍劑等外加劑并對混凝土使用的原材料進行嚴格檢查選用優等材料。

2.2 配合比參數的確定

(1)水灰比的確定

鋼纖維混凝土水灰比確定，可以按照一般混凝土的抗壓強度與水泥強度等級、水灰比關系式求得，即:

式中:ffcu—鋼纖維混凝土配制抗壓強度(MPa);

C/W—水灰比;

da、db—經驗系數;

fce—水泥實測28d 抗壓強度(MPa);

fce=rcfcu，rc—富余系數;fcu—水泥強度等級標準值(MPa)。

(2)鋼纖維的摻量

根據施工單位要求，并結合有關規范和參考相關文獻，確定鋼纖維的設計摻量及體積率。

(3)砂率

利用經驗公式，在滿足強度和和易性的情況下，選擇合理的砂率。

影響砂率的主要因素有:①粗骨料選取過程中，粗骨料最大粒徑選取時，碎石比卵石砂率大些;若石料最大粒徑小，砂率需要適當提高;②鋼纖維體積率或者長徑比大，則鋼纖維表面積大，需要砂率也大些;③砂的細度模數較小時，拌合料的粘聚性容易得到保證，故砂率采用較小值;④水灰比不大時(水泥砂漿較為粘稠)，可以適當選用較小砂率;⑤當工程要求拌合料具有一定流動性時，如粗骨料已出現離析，可以采用較大的砂率;⑥混凝土拌合時，如有減水、引氣劑摻入時，可適當減少砂率。

(4)單位體積用水里及水泥用量

單位體積用水量和石子種類、最大粒徑、鋼纖維體積率、水灰比、砂子種類和粒徑有關。用水量:根據規范要求，初選單位用水量。水泥用量:根據水灰比和初選單位用水量，得出單位水泥用量。

2.3 實驗室配合比的確定

按照配合比設計步驟，通過實驗室試拌，確定了滿足施工要求配合比。

3 鋼纖維混凝土實驗室試驗計算

確定實驗室配合比后，制作不同鋼纖維摻量與不同齡期的混凝土試件，分析鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度的變化，以及減水劑對混凝土彈性模量與收縮性能的影響。

部分鋼纖維混凝土實驗計算公式如下所示:

a)立方體抗壓強度計算公式為:

式中:fcc—抗壓強度;P—破壞荷載;A—試件承壓面積。

b)立方體抗彎強度計算公式為:

式中:ft—抗彎強度;l—支座間距(即跨度);b—試件截面寬度;h—試件截面高度。

c)靜力抗壓彈性模量計算公式為:

式中:Ec—靜力抗壓彈性模量;P2—40%的極限破壞荷載;P1—應力為0.5Mpa 時的荷載;ΔL—應力從0.5MPa 增加到40%破壞應力時的試件變形值;L—測量變形的標距。

d)斷裂能計算公式為:

式中:GF—斷裂能;p—荷載;a0—裂縫深度;δ—試件中線位移;δmax—試件中線最大位移。

4 鋼纖維混凝土的基本性能

4.1 強度和重量比值增大

強度提升是鋼纖維混凝土相較一般混凝土的最大優勢。

4.2 具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度

短鋼纖維的摻入使混凝土力學性能有明顯提升，但當鋼纖維摻入量提高到一定程度后，短鋼纖維的增強增韌作用趨于穩定。適量摻入鋼纖維，混凝土抗拉強度增加25%～50%，抗剪強度增加50%～100%，抗彎強度增加40%～80%。

4.3 抗沖擊性能強

沖擊韌性是指材料抵抗沖擊荷載的能力，摻入一定數量短鋼纖維后，混凝土抗沖擊性能有較大提升，沖擊抗壓韌性可增強數倍，沖擊抗彎、抗拉韌性可增強幾十倍。

4.4 抗疲勞性能顯著改善

鋼纖維混凝土較一般混凝土抗疲勞性能提升顯著。

4.5 耐久性能顯著改善

相較一般混凝土，鋼纖維混凝土在抗裂性、整體性等方面有著明顯優勢，抗滲性能沒有變化。因短鋼纖維的摻入，鋼纖維混凝土耐凍融性、耐磨性、耐熱性和抗腐蝕性都有所提高。

5 結論

鋼纖維混凝土經過幾十年的試驗與理論研究，現已走向了廣泛應用的階段。廣泛實驗和應用表明按照鋼纖維混凝土，在不同體積摻量條件下，能達到較好的強度等級和坍落度。進一步的力學試驗表明，鋼纖維的摻入對混凝土抗壓強度沒有明顯的增強效果，對早期抗折強度和劈拉強度、抗沖擊、耐疲勞等方面有較大增長。配合比設計方法和試驗結果對實際工程應用有一定的參考價值。

［1］楊勇，任青文.鋼纖維混凝土力學性能試驗研究［J］.河海大學學報(自然科學版)，2006，01:92 -94.

［2］趙順波，杜暉，錢曉軍，李長永.鋼纖維高強混凝土配合比直接設計方法研究［J］.土木工程學報，2008，07:1 -6.

［3］楊潤年.鋼纖維混凝土靜力損傷及疲勞損傷研究［D］.廣州:華南理工大學，2013.

［4］程秀菊.鋼纖維混凝土的增強機理及斷裂韌性的研究［D］.南京:河海大學，2005.

［5］劉永勝，王肖鈞，金挺，勞俊.鋼纖維混凝土力學性能和本構關系研究［J］.中國科學技術大學學報，2007，07:717 -723.