鋼纖維增強混凝土研究進展*

李　娜，馮　琪，李　劍

(1 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000；2 大連理工現代工程檢測有限公司，遼寧大連 116024；3 廣西南南鋁加工有限公司，廣西南寧 530031)

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鋼纖維增強混凝土研究進展*

李娜1，馮琪2，李劍3

(1 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000；2 大連理工現代工程檢測有限公司，遼寧大連 116024；3 廣西南南鋁加工有限公司，廣西南寧 530031)

鋼纖維增強混凝土(SFRC)承載能力強，在建筑、交通、水利等方面應用前景廣闊。近年來對SFRC的研究主要集中在增強機理、力學性能、腐蝕防護以及數值模擬等方面。SFRC的力學性能優于普通混凝土，能有效防止脆性破壞的產生；SFRC腐蝕防護的研究未涉及到相關腐蝕機理分析，主要側重對腐蝕行為的觀察；SFRC的數值模擬貼近實際情況，已經逐步實現了宏觀與細觀的結合。然而，對鋼混雜纖維增強混凝土的研究尚處于初步階段，需在增強機理、本構關系以及耐久性研究等方面深入進行，為鋼混雜纖維增強混凝土的實際工程應用提供理論與技術支持。綜合論述了目前SFRC各個方面的研究進展，展望了鋼混雜纖維增強混凝土的應用前景。

鋼纖維增強混凝土，增強機理，力學性能，腐蝕性能，數值模擬，混雜纖維

混凝土本身即是一種復合材料，在此“復合”的基礎上摻入不同種類、尺寸的纖維形成“雙復合”混凝土，工程中常用的纖維有聚丙烯纖維、碳纖維、鋼纖維等，鋼纖維由于其顯著的阻裂效應以及對混凝土基體性能(抗拉、抗彎、抗沖擊及韌性)的增強效應，鋼纖維增強混凝土(SFRC)在建筑、水利、交通主要用于承重結構，在工程領域的應用研究不斷擴大[1-3]。但SFRC也存在一些劣勢，比如鋼纖維對混凝土基體的抗壓強度促進作用不明顯，甚至使該性能有所降低，對鋼纖維的抗滲性、耐磨性存在升高和降低兩種觀點[4]，隨著纖維增強混凝土的發展，鋼纖維的應用越來越受到關注。

1　SFRC的增強機理

將隨機分布的鋼纖維作為增強材料摻入以水泥、粗細集料或混凝土本身的基材中，即形成了SFRC，也可以認為是由水泥、集料以及鋼纖維的界面或者混凝土基體與鋼纖維的界面組成。SFRC的增強機理理論主要存在以下三種理論：

(1)混合定律：該定律將SFRC中的鋼纖維和混凝土基體視為不同的兩相，SFRC的各項性能是這兩相的加權。該定律假設鋼纖維在基體中呈現連續均勻平行排列的特點，且與混凝土基體承受的載荷方向一致。然而，在實際應用中，摻入混凝土基體中的鋼纖維多數呈不連續亂向分布的特征，在計算混凝土強度時，需考慮鋼纖維的分布方向、長度已經其與混凝土基體界面粘結性等因素[5-6]。

(2)纖維間距理論：1963年Romualdi J P、Batson J B和Amamde J[7-9]在斷裂力學的基礎上提出了該理論。該理論認為將鋼纖維加入混凝土這一脆性基體中，可以提高基體的抗拉強度，裂縫源的尺度縮小、數量減少可以使裂縫尖端的應力集中效應減弱，在SFRC形成和服役過程中，混凝土基體受力前后組織裂縫引發和擴展的能力提高，從而達到鋼纖維對混凝土增強、增韌的目的，其增強效果與纖維間距有關。然而，纖維間距理論實質是經驗型的鋼纖維增強基體強度的理論，存在一定的局限性，它只考慮鋼纖維之間間距對增強效果的影響，忽略了實際中不連續、非均勻分布、不同長度的鋼纖維的復合效應對增強效果的影響。

(3)界面應力傳遞的剪滯理論：1952年，Cox H L[10]率先提出剪滯理論的概念，認為鋼纖維與混凝土基體之間是理想粘結，鋼纖維受到的軸向應力由其界面上的剪應力來平衡。但在實際應用中發現，混凝土基體與鋼纖維界面之間會不是理想粘結存在相對滑動，為此，Chua P S和Piggott M R[11]對Cox H L的剪滯模型進行了改進，將界面分為彈性粘結區和界面滑移區兩部分。隨后，Tripathi D等人[12]通過分析更加真實的SFRC界面應力分布，將界面分為彈性粘結區、塑性粘結區和脫粘滑移區。

2　SFRC的力學性能

基于目前實驗技術的突破和設備儀器的更新，可以完成SFRC在各種條件下的靜力加載實驗[6，13]。相關研究者發現SFRC在動態荷載下的力學行為與靜態下差異很大，并通過一系列動態荷載實驗結果提出了應變率相關的本構模型。

(1)動靜態力學性能：嚴少華等[14]利用Φ74mm的分離式Hopkinson壓桿(SHPB)裝置對高強SFRC進行動態壓縮實驗，發現其強度與應變率的對數呈線性增長。巫緒濤[15]利用Φ100mm的SHPB裝置，發現C60、C80和C100三種SFRC在應變率為64/s～86/s時，其動態強度是靜態時的1.5～2.5倍。Lok T S[16]采用SHPB裝置對SFRC進行了沖擊壓縮實驗，發現了應變與強度的關系，與靜態強度相比，動態荷載作用下，除了強度提高，其變形性能也存在差異。劉永勝[17]開展了超短SFRC動靜態力學性能的實驗研究，發現鋼纖維對混凝土強度和裂后韌性增強效應明顯，且在低應變率和高應變率范疇都存在應變率效應，高應變率時應變效應更明顯。

(2)動態本構模型：由于本構理論和分析方法的不同，SFRC的動態本構模型主要有三點：基于粘彈性理論的動態本構模型；基于粘塑性理論的動態本構模型；基于損傷理論的動態本構模型。劉永勝[17]根據SFRC實驗得到了應力應變曲線的特點，提出了包含鋼纖維增強效應和應變率增強效應在內的含損傷本構模型。

3　SFRC的腐蝕防護

SFRC作為一種很好的承重材料廣泛應用于各個領域，在不同環境下服役過程中，人們對它關注的性能側重點不同，其在海水腐蝕下的工作性能直接關系到SFRC在海洋環境工程應用的安全性。目前，主要側重鋼纖維在腐蝕環境下腐蝕行為的觀察，暫未涉及腐蝕機理的研究，基于SFRC實際服役情況，研究海水對鋼纖維混凝土的承載力及變形性能的影響機理意義重大。

(1)腐蝕行為：SFRC的耐蝕性優于鋼筋混凝土[18-20]，但當其長期在海洋環境下服役時，鋼纖維會發生電化學腐蝕，并隨著時間的增加而加劇，導致力學性能降低[21-23]，如果混凝土基體已經發生開裂，存在明顯裂縫，將會加速鋼纖維的腐蝕，從而導致混凝土基體承載能力和韌性降低。Mangat P S等[20，24]研究發現，SFRC預制裂縫寬度大于0.2mm臨界值后，腐蝕程度隨裂縫寬度增加而加劇，0.2mm之前，鋼纖維銹蝕甚微，對構件性能幾乎無影響，但當裂縫寬度達2mm時，腐蝕嚴重。

(2)防護措施：SFRC的腐蝕防護措施應基于對其腐蝕機理的研究，其關鍵是防止混凝土基體碳化并抑制Cl-對鋼纖維的腐蝕，目前常用的SFRC腐蝕防護措施有主要有：加入阻銹劑法，包括陽極型鋼材阻銹劑和陰極型鋼材阻銹劑；陰極防腐法；采用防腐性較好的材料制成鋼纖維；提高混凝土基體的密實度[25]。

4　SFRC的數值研究

SFRC的數值模擬技術對實際工程的分析和設計具有重要意義，根據鋼纖維的特征尺寸和研究方法，其數值模擬可分為三個層次的研究[26-27]，宏觀層次：將鋼纖維混凝土看作各項同性的均質材料，從而在平均意義上獲得材料力學性能參數，預測混凝土基體在不同荷載的響應，該層次的研究無法揭示混凝土內部的變形以及內在的破壞機制；細觀層次：建立SFRC中粗骨料、水泥漿以及二者粘結層單元的模型，賦予其不同的材料屬性，運用相應的考慮損傷的本構關系及破壞準則模擬混凝土材料實際的裂縫形成和擴展，最終反映混凝土損傷演變過程；微觀層次：在特征長度在微米級別的尺度下，以具有復雜孔隙結構的硬化水泥漿體為主要研究對象，模擬分析內部形成的初始微裂紋對整個材料構件整體力學性能的影響。

5　鋼混雜纖維混凝土

目前與鋼纖維進行混雜的纖維主要以聚丙烯纖維為主，對于鋼-聚丙烯混雜纖維增強混凝土的研究尚處于起步階段，且主要集中在其力學性能方面，主要包括強度、韌性、抗沖擊性能、疲勞性能等。

鋼-聚丙烯纖維混雜可以提高素混凝土的各項力學性能[28-32]，尤其對于韌性和抗裂性能[33]，對于鋼-聚丙烯混雜纖維增強混凝土力學性能的研究已從材料性能研究逐漸向結構性能研究發展，但是對該結構的抗震性能還有待進一步研究。同時，還沒有形成公認的鋼-聚丙烯混雜纖維增強混凝土本構關系。

6　結語

SFRC的理論研究和實際生產技術不斷提高，可為工程實踐提高可靠的技術指導。目前對SFRC研究大部分集中在其力學行為，對SFRC在各種條件下的靜力加載、動態加載實驗，并通過一系列動態荷載實驗結果提出了應變率相關的本構模型。對SFRC的腐蝕防護研究，未涉及到相關腐蝕機理分析，主要側重對腐蝕行為的觀察，只有從微觀結構著手，分析鋼纖維腐蝕機理，才能采取有效措施對其進行腐蝕防護。國內外學者針對SFRC的數值模擬技術建立更加貼近實際情況的細觀數值模型，研究相關力學性能，逐步實現了宏觀與細觀的結合。隨著單一鋼纖維增強混凝土的發展，鋼混雜纖維其他纖維增強混凝土的越來越受到重視，然而，對鋼混雜纖維增強混凝土的研究尚處于初步階段，需在增強機理、本構關系以及耐久性研究等方面深入進行，從而為鋼混雜纖維增強混凝土的實際工程應用提供理論與技術支持。

[1] 章文剛，程鐵生，張儒汴.鋼纖維混凝土的主要力學性能及工藝[J].混凝土與加筋混凝土，1984，14(4)：1-8.

[2] Otter D E，Naman A E. Properties of steel fiber reinforced concrete under cyclic loading[J]. ACI Materials Journal，1998，95(6)：740-746.

[3] 陳秀云，王嘉惠，費建剛，等.鋼纖維混凝土溝蓋板承載能力試驗研究[J]. 煤炭工程，2009(5)：97-99.

[4] 梅國棟，李繼祥，劉肖凡.混雜纖維混凝土增強機理研究綜述[J]. 建材世界，2009，30(3)：10-14.

[5] 祝云華.鋼纖維噴射混凝土力學特性及其在隧道單層襯砌中的應用研究 [D].重慶：重慶大學，2009.

[6] 劉永勝. 負溫下鋼纖維混凝土的力學性能研究及其路面應用[D].淮南：安徽理工大學，2003.

[7] Romualdi J P，Baston G B. Meehanies of crack arrest in concrete，Proc. ASCE，VOI. 89，EM3，June 1963：147-169.

[8] Romualdi J P. Proc. Int. Conf. The structure of conerete. Brooks A.E. and K.Nemwna (eds)，London，1968：190-250.

[9] Romuadi J P，AMnadel J. Tensile strength of conerete Affected by uniformly distributed and closely spaced short length of wire reinforcement[J]. ACI Joumal，Proceeding. June 1964，6：567-670.

[10] Cox H L. The elasticity and strength of paper and other fibrous materials[J]. J. Appl. Phys.，1952：3-13.

[11] Chua P S，Piggott M R. The glass fiber polymer interface l：theoretical consideration of single fiber pullout tests[J]. Composites Sci. and Tech.，1985，22：33-42.

[12] Tripathi D，Jones F R. Measurement of the load-bearing capability of the fiber/matrix interface by single fiber fragmentation[J]. Composites Sci. and Tech.，1997，57(8)：925-934.

[13] 過鎮海.混凝土的強度和變形：試驗基礎和本構關系[M].北京：清華大學出版社，1997.

[14] 嚴少華，李志成，王明洋，等.高強鋼纖維混凝土沖擊壓縮特性試驗研究[J].爆炸與沖擊，2002，22(3)：238-242.

[15] 巫緒濤.鋼纖維高強混凝土動態力學性質的研究[D].合肥：中國科學技術大學，2006.

[16] Lok T S，Asce M，Zhao J. Impact response of steel fiber-reinforced concrete using a split hopkinson pressure bar[J]. Jounral of Material in Civil Engineering，2004，16(1)：54-59.

[17] 劉永勝，王肖鈞，金挺，等.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，2007，37(7)：717-723.

[18] Balouch S U，Forth J P. Granju J L. Surface corrosion of steel fibre reinforced concrete [J]. Cement and Concrete Research，2010，40(3)：410-414.

[19] Zhang J，Li V C. Simulation of crack propagation in fiber-reinforced concrete by fracture mechanics[J]. Cement and Concrete Research，2004，34(2)：333-339.

[20] Mangat P S，Gurusamy K. Permissible crack widths in steel fibre reinforced marine concrete[J]. Materials and structures，1987，20(5)：338-347.

[21] Mangat P S，Gurusamy K. Chloride diffusion in steel fibre reinforced marine concrete[J]. Cement and Concrete Research，1987，17(3)：385-396.

[22] 李建輝，鄧宗才.粗合成纖維混凝土抗氯離子腐蝕性試驗研究[C].第十一屆全國纖維混凝土學術會議論文集.

[23] 王海超，郭玉軍，趙甜甜. 鋼纖維混凝土腐蝕前后的彎曲韌性研究[J]. 山東科技大學學報：自然科學版，2007，26(5)：30-35.

[24] Granju J L，Balouch S U. Corrosion of steel fibre reinforced concrete from the cracks[J]. Cement and Concrete Research，2005，35(3)：572-577.

[25] 孫敏.鋼纖維增強混凝土的腐蝕及防護研究[D].蘇州：蘇州大學，2011.

[26] 王寶庭.基于剛體-彈簧元法的全級配混凝土本構行為模擬[D].大連：大連理工大學，1997.[27] 盧海林，孫成訪，彭少民.鋼纖維混凝土的數值模擬技術研究[J].華中科技大學學報：城市科學版，2005，22(3)：21-24.

[28] Qian C X，Stroeven P. Development of hybrid polypropylene-steel fibre-reinforced concrete[J]. Cement and Concrete Research，2000，30(1)：63-69.

[29] Qian C X，Stroeven P. Fracture properties of concrete reinforced with steel-polypropylene hybrid fibres[J]. Cement and Concrete Composites，2000，22(5)：343-351.

[30] 梅國棟.混雜纖維混凝土抗裂性能試驗研究[D].武漢：武漢工業學院，2010.

[31] 王凱，張義順，王信剛.低摻量S-P混雜纖維增強增韌的作用研究[J]. 哈爾濱工業大學學報，2003，5(10)：1209-1211.

[32] Sorelli L G，Meda A，Plizzari G A. Bending and uniaxial tensile tests on concrete reinforced with hybrid steel fibers[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2005，17(5)：519-527.

[33] 王艷，趙凱月，宋戰平，等.鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土研究進展[J]. 硅酸鹽通報，2015，(07)：1885-1890.

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

陜西省高性能混凝土工程實驗室專項課題(G2015-01)

TU 528.572