鋼纖維混凝土研究進展

摘要：鋼纖維混凝土因鋼纖維在混凝土基體亂向分布與基體有效粘結，共同變形，抗拉強度、抗折強度、耐沖擊、耐磨性等性能優良，在工程中廣泛應用是為了強力普及的新型建筑材料。本文回顧了鋼纖維混凝土的研究現狀，對鋼纖維混凝土的研究進展進行了總結，介紹了鋼纖維混凝土力學性能的影響因素和鋼纖維混凝土數值分析以及鋼纖維隨機分布模擬研究的現狀。

關鍵詞：鋼纖維混凝土;數值模擬;蒙特卡洛;細觀模型

0 引言

根據相關工程單位的統計，我國建國后建設的60多座混凝土水庫出現了超過70米的裂縫。根據大量的研究結果，混凝土結構性能惡化的速度很大程度上取決于水、二氧化碳、氯離子等有害離子侵入混凝土內部的速度，因此無法有效控制混凝土裂縫的發展這些有害介質的侵入大幅加速，最終會發生混凝土結構的早期劣化和安全上的潛在危險。也就是說，混凝土結構的易碎特征直接影響結構的耐久性和使用年限[1]。

1 鋼纖維混凝土研究進展

二十世紀80年代，王煥德[2]、朱安能、章國彥等開創了將鋼鐵纖維混凝土應用于水利事業的先河。鋼纖維混凝土由于其不腐蝕，不需要修理，不易開裂，在水利界得到了很大的發展和應用。

大連理工大學的關麗秋和趙國藩[3]等，通過鋼筋混凝土板的拉伸試驗和理論研究，討論了對鋼筋纖維混凝土基體的強化機構，從破壞力學的觀點出發，導出了復合材料相一致的亂向鋼纖維混凝土的拉伸強度公式。混凝土內部有缺陷和微裂紋，應力集中，裂縫擴大，裂縫擴展到臨界值后，急速發展的裂縫破裂就會擴大，產生破壞。防止破壞的重點在于減少或除去材料內部的應力集中，混在混凝土中的鋼纖維發揮了這個效果，鋼纖維束縛了裂縫的擴散，減輕應力集中的應力場提高混凝土的拉伸強度。測試結果表明，當鋼纖維的摻雜量不同時，鋼纖維混凝土可以分為多縫破壞和單縫破壞。

鄭州大學高丹盈、謝曉鵬、趙軍等做了大量的鋼纖維混凝土的力學性能的研究：指出鋼纖維體積率和混凝土的強度等級是影響其軸拉初裂強度的主要因素，提出了鋼纖維混凝土軸拉初裂強度的計算公式[4];提出與鋼筋混凝土深梁統一的鋼筋鋼纖維混凝土深梁關于斜截面抗剪承載力的計算方法，將鋼筋混凝土深梁視為鋼筋鋼纖維混凝土深梁的特殊情況。

東南大學的孫偉、高建明等鋼纖維混凝土的疲勞性能、流動性、耐磨性、耐爆性等方面進行了很多研究。提出了鋼纖維混凝土疲勞方程，指出鋼纖維混凝土的疲勞破壞主要是由于內部微裂紋在疲勞負荷的影響下逐漸擴大，鋼纖維對混凝土基板有抵抗作用，疲勞性能顯著改善。指出鋼纖維混凝土的流動性主要取決于鋼纖維的體積添加量和單位混凝土的使用水量，實際工程應用應采用最大直徑為20mm的粗骨料。影響鋼纖維混凝土耐磨性的因素主要有成分材料的耐磨性、水灰比和界面強化度，其中砂石骨料是影響耐磨耗性的最主要因素，鋼纖維的混入具有顯著的耐磨性強化效果，高效率的減水劑、低水灰比、將適量的硅酮灰和聚合物混合，是提高鋼纖維混凝土耐磨性的有效措施。鋼纖維混凝土的防爆性能隨著纖維體積率的增加和厚度明顯提高，但鋼纖維體積率的影響大于厚度的影響，爆炸坑的深度和直徑可以明顯降低。

東南大學孫偉、高建明等對鋼纖維混凝土的疲勞性能、流動性、耐磨性、抗爆性能等方面進行了大量研究。提出了鋼纖維混凝土疲勞方程，指出鋼纖維混凝土的疲勞破壞主要是因為內部微裂縫在疲勞荷載的作用下慢慢擴展所致，由于鋼纖維對混凝土基體具有阻裂效應，顯著改善了其疲勞性能[5];指出鋼纖維混凝土的流動性主要取決于鋼纖維的體積摻量和單位混凝土用水量，在實際工程應用中宜采用最大直徑為20mm的粗骨料;發現影響鋼纖維混凝土耐磨性的因素主要有組成材料的耐磨性、水灰比和界面強化程度，其中砂石骨料是影響耐磨性的最主要的因素，鋼纖維的摻入對耐磨性增強效果顯著，摻入高效減水劑、降低水灰比、摻入適量硅灰和聚合物都是提高鋼纖維混凝土耐磨性的有效舉措;鋼纖維混凝土抗爆性能隨著纖維體積率的增加和厚度而明顯提高，但鋼纖維體積率的影響大于厚度的影響，能明顯減小爆坑的深度和直徑。

2 鋼纖維混凝土數值模擬研究進展

田礫等[8]從細觀角度出發，將混凝土視為纖維、水泥漿、孔隙、裂縫組成的分散的二相符合材料，利用蒙特卡洛法模擬多邊形骨料的隨機分布，并利用數值計算進行有限元網格的自動劃分，生成了二維隨機混凝土模型。

張劍等根據骨材級聯曲線和面積的比例，利用Monte Carlo法生成與實際骨材分布相似度高的二維骨料分布，并提供基礎技術支持分析混凝土的收縮、徐變、裂縫等。

馬懷發等建立隨機骨料分布混凝土梁，進行三分點梁彎拉試驗數值模擬，直觀的展示了加載過程中微裂縫的產生、擴展乃至失穩的過程，用瓦拉文公式驗證了隨機骨料數量的合理性。

李運成等針對水庫混凝土的高骨材要求生成隨機骨材模型，形成了三維隨機凸出多面骨材模型。

王宗敏和邱志章根據蒙特卡羅的隨機取樣原理，使用“取”和“放”生成有限元模型，利用ANSYS以高品質的三角形單元分割網格在混凝土微觀分析中，界面帶的模擬接近實際的混凝土。

3 力學影響因素

Su &Bang發現，當鋼纖維的分布非常不均勻并且垂直于負載方向取向時，鋼纖維對混凝土基體的增強效應幾乎為零。

丁慶軍和耿雪飛等發現，在混凝土基板上嵌入多個纖維有利于形成致密的三維網絡結構，提高了界面結合的強度和工作性能，具有高沖擊和耐沖研磨性能。在鋼纖維的定向檢查中，Su采用圖像處理技術，采用三維剖面切割的方法，對單位面積內鋼纖維的數量、分布系數、鋼纖維的取向等進行統計并定量評估，建議損害原結構。Miletic & Kravchuk等建議使用微計算機斷層掃描（micro-computed tomography，micro-CST）和醫學上檢測骨折的聲輻射（AE）技術等，進行鋼纖維分布的無損檢查。

鋼纖維混凝土的抗壓能力遠比抗拉能力強，主要原因在于鋼纖維的表面比較光滑，與混凝土基體的粘接力較弱。鋼纖維混凝土材料在發生拉伸或彎曲破壞時，不是斷裂而是被拔出破壞。因此，改善纖維和基底的粘結性能也是影響機械性能的重要影響因素。例如，如果改變鋼纖維的幾何形狀（例如彎曲、端鉤等），界面連接性能和機械鎖定能力就會明顯改善，機械性能也會提高。

4 結語

本文回顧了鋼纖維混凝土的研究現狀，總結了鋼纖維混凝土的研究進展介紹了鋼纖維混凝土機械性能的影響因素和鋼纖維混凝土的數值分析以及鋼纖維隨機分布模擬研究的現狀。

參考文獻

[1]趙亮平，高丹盈，朱海棠.鋼纖維對混凝土強度和韌度的影響[J].華北水利水電學院學報，2012，33，（06）：29-32

[2]王煥德，鋼纖維混凝土. 水利水電出版社，1985年.

[3]關麗秋，趙國藩. 鋼纖維混凝土在單向拉伸時的增強機理與破壞形態的分析[J].水利學報，1986（09）：34-43.

[4]高丹盈，徐磊，李趁趁. 鋼纖維混凝土軸拉初裂強度的計算方法[J].鄭州大學學報（工學版），2002（01）：31-33.

[5]高建明，孫偉. 鋼纖維混凝土疲勞性能的研究[J].混凝土與水泥制品，1989（01）：10-12.

作者簡介：楊燕珍（1996-），女，湖南婁底人，碩士，研究方向：結構工程。

同濟大學 上海市 楊浦區 200092