钢纤维混凝土的研究现状和发展动态

１前言

      随着1824年波特兰水泥的诞生，在1830年前后出现了混凝土，作为当时的一种新型建筑材料，就广泛地应用于土木和水利工程。尤其是在19世纪中叶以后，伴随着钢铁的发展，人们把钢筋和混凝土结合起来，诞生了钢筋混凝土(Reinforced Concrete)这种新型的复合建筑材料，大大提高了结构的抗裂性能、刚度、承载能力和耐久性，从而使建筑业经历了一场革命。尽管混凝土的固有优点是高抗压强度，然而它也有固有弱点——如构件的自重大、易于塑性干缩开裂、抗疲劳能力低、韧性差、抗拉强度低(一般仅为抗压强度的7%－14%)、易产生裂纹、抗冲击碎裂性差等，限制了在工程中的使用范围。这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出。因此，长期以来许多专家和学者不断探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增强耐久性)的各种方法和途径，于是，提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合材料——纤维混凝土。

2 纤维混凝土的发展和现状

      纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete，简称FRC)，是纤维增强混凝土的简称，通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，以金属纤维、无机纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料。它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀的分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。纤维在混凝土中限制混凝土早期裂缝的产生及在外力作用下裂缝的进一步扩展。在纤维混凝土受力初期，纤维与混凝土共同受力，此时混凝土是外力的主要承担者，随着外力的不断增加或者外力持续一定时间，当裂缝扩展到一定程度之后，混凝土退出工作，纤维成为外力的主要承担者，横跨裂缝的纤维极大的限制了混凝土裂缝的进一步扩展。由此可见，纤维有效地克服了混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷。

      与普通混凝土相比，FRC具有较高的抗拉、抗弯拉、抗冲击、抗阻裂、抗爆和韧性、延性等性能，同时对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋性等方面也有很大的贡献。

      鉴于FRC具有素混凝土不具有的优点，纤维混凝土尤其是钢纤维混凝土在实际工程中日益得到学术界和工程界的关注。1907年原苏联专家B.П.HekpocaB开始用金属纤维增强混凝土；1910年，美国H.F.Porter发表了有关短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短钢纤维均匀地分散在混凝土中用以强化基体材料；1911年，美国Graham曾把钢纤维掺入普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果；到20世纪40年代，美、英、法、德、日等国先后做了许多关于用钢纤维来提高混凝土耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等方面的研究；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表了关于钢纤维约束混凝土裂缝开展的机理的论文，提出了钢纤维混凝土开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的结论(纤维间距理论)，从而开始了这种新型复合材料的实用开发阶段。到目前，随着钢纤维混凝土的推广应用，因纤维在混凝土中的分布情况不同，主要有四类：钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、层布式钢纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土。

2.1 钢纤维混凝土

      钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete 简称SFRC)是在普通混凝土中掺入少量低碳钢、不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较均匀而多向配筋的混凝土。钢纤维的掺入量按体积一般为l－2%，而按重量计每立方米混凝土中掺70－100Kg左右钢纤维，钢纤维的长度宜为25－60mm，直径为0.25－1.25mm，长度与直径的最佳比值为50－700。

      与普通混凝土相比，不仅能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高结构的疲劳性能及其耐久性，尤其是韧性可增加l0－20倍。

       我国对SFRC与普通混凝土力学性能做了比较试验，当钢纤维掺入量为15－20%、水灰比为0.45时，其抗拉强度增长50－70%，抗弯强度增长120－180%，抗冲击强度增长10－20倍，抗冲击疲劳强度增长15－20倍，抗弯韧性增长约14－20倍，耐磨损性能也明显改善。
由此可以看出：与素混凝土相比，SFRC具有更优越的物理和力学性能：(1)较高的弹性模量和较高的抗拉、抗压、抗弯拉、抗剪强度；(2)卓越的抗冲击性能；(3)抗裂和抗疲劳性能优异；(4)能明显改善变形性能；(5)韧性好；(6)抗磨与耐冻融有改观；(7)强度和重量比增大，施工简便，材料性价比高，具有优越的应用前景和经济性。

2.2 混杂纤维混凝土

      鉴于钢纤维混凝土有许多正是我们需要而素混凝土又不及的优点，所以很受工程界的青睐。但有关研究资料表明，钢纤维对混凝土的抗压强度并无明显促进作用，甚至还有所降低；与素混凝土相比，对于钢纤维混凝土的抗渗性、耐磨性、耐冲磨性及对防止混凝土早期塑性收缩等还存在正反(提高与降低)两方面甚至居中的观点。此外，SFRC用量较大价格较高，有生锈问题，对由于火灾引起的爆裂几乎无效，这些问题都在不同程度影响了其应用。

      目前，尽管单一纤维混凝土有着自身的优点，但是低模量合成纤维混凝土由于模量低，变形大，乱向而松散地掺入混凝土中，对提高混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗折强度等很不显著，这些缺点限制了低模量合成纤维适用领域。近些年来，一些国内国外学者开始将目光投向混杂纤维混凝土(Hybrid Fiber Reinforced Concrete 简称HFRC)，试图把具有不同性能和优点的纤维混杂，取长补短，在不同层次和受荷阶段发挥“正混杂效应”来增强混凝土，以适应不同工程的需要。但是关于它的各种力学性能尤其是HFRC的疲劳变形及疲劳损伤、在静、动荷载以及等幅或变幅循环荷载作用下的变形发展规律和损伤特性、纤维的最佳掺配量、混杂比例、复合材料各组份的关系、增强效果及增强机理、抗疲劳性能、破坏机理、施工工艺、配合比设计等方面的研究还有待进一步进行。

2.3 层布式钢纤维混凝土

      由于整体式纤维混凝土不易搅拌均匀，在搅拌过程中纤维易结团，而且其纤维用量也较大，造价比较高，所以难以获得大面积的推广应用。通过大量的工程实际和理论研究，人们提出了一种新型钢纤维结构形式——上下层布式钢纤维混凝土(Layer Steel Fiber Reinforced Concrete 简称LSFRC)，它是将少量的钢纤维均匀撒布于路面板的上下两个表层，而中间仍为素混凝土层。LSFRC中的钢纤维一般由人工或机械撒布，钢纤维较长，长径比一般70—120之间，呈二维分布。

      在不影响力学性能的条件下，这种材料大大降低了钢纤维的用量，同时也避免了整体式纤维混凝土在搅拌时易出现纤维结团现象。试验研究表明：用体积率为0.12%的钢纤维，所配制的底面层布钢纤维混凝土的7d、28d抗折强度比同条件下的素混凝土的抗折强度分别增加了27%和26%，而与钢纤维混凝土（体积率为1.2%）的抗折强度相近，而钢纤维用量节约90%。此外，钢纤维在混凝土中的层布位置对混凝土的抗折强度影响很大，钢纤维层布在混凝土底部增强效果最佳，随钢纤维层布位置上移，其增强效果明显减弱，上下层布式钢纤维混凝土，比同配合比的素混凝土抗折强度提高35%以上，比整体式钢纤维混凝土略低，但上下层布式钢纤维混凝土可节约大量材料成本，也不存在搅拌难的问题。因此，上下层布式钢纤维混凝土是一种具有良好的社会经济效益和广阔的推广应用前景、值得在路面施工中推广的新材料。

2.4 层布式混杂纤维混凝土

      尽管LSFRC上下表面的一定厚度范围内得以加强，但是其中间的素混凝土层却成了薄弱环节。虽然其抗折强度和疲劳强度经试验证明都有很大提高，可其延性、韧性、抗渗性及耐久性却增长不大，一旦表层钢纤维磨出后将会存在安全隐患。

      层布式混杂纤维混凝土(Layer Hybrid Fiber Reinforced Concrete 简称LHFRC)是在LSFRC基础上掺入0.1%的聚丙烯纤维，把大量细而短，具有较高抗拉强度、高极限延伸率的聚丙烯纤维均匀分布在上、下层钢纤维混凝土和中间层的素混凝土中。可以理解为是混杂合成纤维混凝土和层布式钢纤维混凝土的融合。

      LHFRC在增强混凝土抗压强度方面的影响并不明显，与素混凝土相比，其对混凝土的强度提高仅为0.3%左右，且其抗压强度比层布式钢纤维混凝土低4%左右。

     LHFRC在增强混凝土抗折强度有明显的提高，与素混凝土相比，其对素混凝土的抗折强度提高20%左右，与层布式钢纤维混凝土相比，其对层布式钢纤维混凝土的抗折强度提高2.6%，但对混凝土的抗折弹性模量的影响不大，层布式混杂纤维混凝土的抗折弹性模量比素混凝土的高1.3%，比层布式钢纤维混凝土低0.3%。

      LHFRC在增强混凝土弯曲韧性有明显的提高，弯曲韧性指数是素混凝土8倍左右，是层布式钢纤维混凝土的1.3倍，明显提高了混凝土的韧性。

      在LHFRC中，由于两种或多种纤维在混凝土中的表现不同，我们可以根据工程的需要，利用合成纤维、钢纤维在混凝土中的正混杂效应，提高材料的延性、耐久性、韧性、初裂强度、抗折强度、抗拉强度等方面大幅度提高，延长材料的使用寿命和改善材料的质量。

3.理论支持

      尽管掺入混凝土基体中的高模量纤维(如钢纤维)主要起增强、增韧作用，然而纤维对基体的增强理论至今未能满意地解决，仍以复合理论和纤维间距理论并存。

      复合理论是研究脆性纤维增强延性基体材料(FRP)的增强理论时提出的，将复合材料基体的性能视为与复合前完全一样，此时按混合法则计算是可行的。

     纤维间距理论又称阻裂理论，是Rmualdi及其同事Batson等根据线弹性断裂力学而提出的，该理论认为纤维的增强作用仅与均匀分布的纤维间距(最小间距)有关。

      这两种理论并不能充分地解析纤维混凝土对基体增强，复合材料理论忽略了纤维对基体的阻裂作用，即忽略了复合带来的耦合效应；纤维间距理论最大缺点是忽略了纤维自身耦合作用，而片面地强调纤维的阻裂作用，并且起决定作用的纤维间距应为纤维理论间距。

4 总结

      各种结构形式的钢纤维混凝土都具有普通混凝土不具有的优点，也是工程界和学术界所期望的，但是不管是哪种结构形式的纤维混凝土还是哪种理论都有应用局限性，还有待更进一步的研究和探讨，使其在民用建筑楼地面、公路路面、预制构件、水利工程、机场跑道和停机坪、隧道以及各种构筑物的加固补强和保护方面得到更广阔的发展和应用。