鋼纖維增強(qiáng)混凝土性能的應(yīng)用與研究進(jìn)展

譚利娟

摘 要：鋼纖維混凝土是以鋼纖維為增強(qiáng)材料，混凝土為基體的復(fù)合材料。在纖維增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用廣、發(fā)展快。本文概述了鋼纖維混凝土的研究進(jìn)展及目前在此領(lǐng)域的相關(guān)研究熱點(diǎn)，并對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用研究做出了初步的展望。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；混凝土；抗裂

1 緒論

目前我國(guó)的公路建設(shè)中，由于混凝土獨(dú)特性能在公路中得到廣泛應(yīng)用。混凝土路面抗?jié)B性好、強(qiáng)度高、工作性能良好，與普通混凝土而言，具有更高的使用壽命和耐久性。在高速車流的碾壓和高溫與低溫的交替的影響下，大量的質(zhì)量問題和技術(shù)問題就出現(xiàn)在混凝土路面中。在凝結(jié)硬化的過程中，混凝土?xí)a(chǎn)生大量的裂縫，由于水膠比低、早期自收縮大。這無疑存在不安全的隱患。因此增強(qiáng)混凝土路面抗裂、延長(zhǎng)使用壽命成為重要的研究對(duì)象。

面對(duì)這一系列的問題，我國(guó)專家及相關(guān)路面工作者對(duì)抑制混凝土路面開裂進(jìn)行了大量的研究，積累了大量可供參考的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。研究表明在混凝土中加入鋼纖維可有效的阻止裂縫的發(fā)展，達(dá)到了抗裂效果，有效延長(zhǎng)了路面的使用壽命。因此受到國(guó)內(nèi)外的廣泛推崇，從整體看具有重要的意義。

2 鋼纖維增強(qiáng)混凝土路面在國(guó)外的發(fā)展

鋼纖維在混凝土中主要起預(yù)防和抑制路面的反射裂縫，其應(yīng)用必須得追溯到1907-1908年間，蘇聯(lián)專家B.JI.Hekpacob將鋼纖維摻入混凝土中增強(qiáng)其性能。有人認(rèn)為，最早發(fā)展是在1910年，美國(guó)的H.F.Porter為強(qiáng)化結(jié)構(gòu)材料，對(duì)短纖維進(jìn)行比較系統(tǒng)全面的研究，將短纖維作為一種增強(qiáng)材料均勻分散于混凝土中，現(xiàn)在鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)與其大致相同。二十世紀(jì)四十年代，多個(gè)國(guó)家分別對(duì)鋼纖維制作工藝、鋼纖維增強(qiáng)混凝土性能，為增強(qiáng)鋼纖維與混凝土的黏結(jié)力改變鋼纖維形狀申請(qǐng)專利。1963年，鋼纖維混凝土發(fā)展較快，J.B.Batson對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的作用機(jī)理進(jìn)行理論分析，并發(fā)表研究報(bào)告。而后兩大理論產(chǎn)生，一個(gè)是英國(guó)Swamy提出復(fù)合力學(xué)理論，另一個(gè)美國(guó)Romualdi提出纖維間距理論。綜合上述情況看，以前鋼纖維是抗反射裂縫產(chǎn)生為目的，現(xiàn)在變?yōu)閷?duì)混凝土路面綜合性改善。鋼纖維對(duì)于混凝土路面的加強(qiáng)作用，在美國(guó)和西歐國(guó)家的研究也備受關(guān)注，并且鋼纖維仍在大面積使用。并研制了與鋼纖維相關(guān)的添加設(shè)備，為鋼纖維混凝土路面的普及提供了方便。

3 鋼纖維增強(qiáng)混凝土路面在國(guó)內(nèi)的發(fā)展

對(duì)鋼纖維混凝土研究我國(guó)相對(duì)較晚，開始于二十世紀(jì)七十年代，隨著研究的深入，鋼纖維用量隨之增長(zhǎng)。在學(xué)術(shù)研究方面取得突出成果，1983年，空軍工程學(xué)院程鐵生[1]進(jìn)行相關(guān)鋼纖維混凝土性能研究，例如抗剪性能、抗震性能和單軸受壓荷載下應(yīng)力應(yīng)變過程。2001年，大連理工大學(xué)趙國(guó)藩[2]教授分析了鋼纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理和破壞形態(tài)，導(dǎo)出了一系列的抗拉強(qiáng)度公式。在制定規(guī)程方面，為推動(dòng)其應(yīng)用，哈爾濱建筑工程學(xué)院和大連理工大學(xué)聯(lián)合編制了《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，這為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)，對(duì)鋼纖維混凝土應(yīng)用和研究起到規(guī)范指導(dǎo)作用。2010年，陳輝國(guó)[3]等人通過高溫試驗(yàn)系統(tǒng)，表明高溫后的鋼纖維混凝土性能隨摻量增加而上升。2017年，潘慧敏[4]通過不同摻量鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，表明鋼纖維的摻入顯著提升了混凝土的抗沖擊性。黃文金[5]等人鋼纖維混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果顯示摻量的不同黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律也不同。因此在人們對(duì)復(fù)合材料有較深入的了解后，認(rèn)為復(fù)合材料的斷裂韌性很大程度上取決于混凝土和鋼纖維的界面。因此從界面角度去優(yōu)化鋼纖維增強(qiáng)混凝土材料和用量更加合理有效。

4 目前鋼纖維增強(qiáng)混凝土路面研究熱點(diǎn)

鋼纖維可有效提升混凝土性能，保證其整體性。在集料中摻入亂向分布的鋼纖維，達(dá)到改善混凝土高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，與混凝土具有良好的親和力。鋼纖維混凝土施工工藝簡(jiǎn)單、抗裂效果明顯因此相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，主要從以下幾方面：

4.1 鋼纖維與水泥砂漿界面粘附性研究

在鋼纖維混凝土中發(fā)揮關(guān)鍵阻裂作用的是鋼纖維與混凝土基體的界面粘結(jié)，同時(shí)鋼纖維能分散荷載的作用。表征鋼纖維混凝土裂后狀態(tài)重要因素就是粘結(jié)作用。通過拉拔試驗(yàn)測(cè)試鋼纖維與基體的粘結(jié)，由拔出荷載-滑移曲線，評(píng)價(jià)粘結(jié)效果。

4.2 鋼纖維混凝土力學(xué)性能研究

復(fù)合材料的物理性能和力學(xué)性能體現(xiàn)了鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)化程度及其機(jī)理。通過力學(xué)性能試驗(yàn)可測(cè)得主要性能包括抗壓性能、拉伸性能、抗折性能等等。力學(xué)性能試驗(yàn)是一種重要的研究鋼纖維增強(qiáng)機(jī)理的手段，主要通過荷載作用測(cè)試力學(xué)指標(biāo)。

4.3 鋼纖維合理化用量研究

通過分析外荷載作用下，基體與鋼纖維界面的黏附功作用效果等于基體自身的內(nèi)聚力作用效果時(shí)鋼纖維的長(zhǎng)度與基體的用量之比，達(dá)到復(fù)合材料界面理想的破壞形態(tài)，脫黏和基體破壞同時(shí)發(fā)生，通過黏附較多水泥砂漿的鋼纖維確定在鋼纖維增強(qiáng)基體中，鋼纖維的最佳長(zhǎng)度與最佳用量。

5 結(jié)語與展望

鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，不僅能有效的延長(zhǎng)道路的使用壽命，而且大幅度改善了道路路用性能，因此其使用空間更加廣泛。雖鋼纖維的加入增加了修筑成本，但綜合比較性價(jià)比高。同時(shí)鋼纖維混凝土雖已進(jìn)行了大量研究，但對(duì)試驗(yàn)參數(shù)大部分依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而得，缺乏詳細(xì)的理論作為依據(jù)，因此對(duì)鋼纖維混凝土的研究具有很大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]程鐵生，章文綱.鋼纖維混凝土在剛性道面上的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，1983，12：12-17.

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[3]陳輝國(guó)，劉盈豐，等.鋼纖維摻量對(duì)混凝土高溫力學(xué)性能的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，4：552-554.

[4]潘慧敏，馬云朝.鋼纖維在混凝土沖擊斷面的分布與統(tǒng)計(jì)分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，11：3817-3822.

[5]黃文金，盛葉，張正賓，等.鋼管-鋼纖維活性粉末混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2017，S1：502-507.