钢纤维混凝土的发展与抗火性研究现状综述

郑照东 叶维强 孟 亮

钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC)是一种在混凝土基体中掺入钢纤维[1，2］、是近年来研究和应用最广的复合材料之一。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯强度，尤其使韧性提高的幅度显著[3］。由于钢纤维均匀地乱向分布在混凝土内共同参与工作，显著地提高了混凝土的抗拉强度和抗变形能力，并相应地提高了混凝土的抗剪、抗扭、抗裂和抗疲劳强度[4］。本文主要从钢纤维混凝土在国内外的应用与发展及其抗火性研究现状等方面进行简述。

1 钢纤维混凝土的发展概况

钢纤维混凝土是20世纪70年代发展起来的新型复合建筑材料[5］，在混凝土基体中掺入适量钢纤维的一种水泥基复合材料，为解决混凝土的强度和延性问题提供了一种新途径。

钢纤维喷射混凝土首次于1973年在美国爱达荷州得到应用，其后将其成功应用于隧道衬垫、斜坡稳定、涵洞、水库等其他结构工程[6］。近些年，国内已成功地将钢纤维混凝土应用到高层建筑中，如福州华福大厦在8层顶采用结构转换层，该转换层大梁全部采用钢纤维混凝土。

2 抗火性研究现状与研究方法

对于钢纤维抵抗混凝土高温爆裂性能目前尚存在争议。Lie等人[7］研究表明42 kg/m3掺量的钢纤维对普通混凝土的热性能没有影响，随着钢纤维掺量的增多对普通混凝土热性能的影响越来越大。钢纤维提高了普通混凝土的力学性能[7，8］，钢纤维对混凝土高温热性能的影响主要包括以下几个方面[9］:在混凝土中掺加钢纤维，在40℃ ～1 000℃时导热系数不变，限制了裂纹扩展;提高了0℃～600℃时混凝土的比热，因而在温度较低时钢纤维控制了混凝土的裂纹扩展;在低于800℃温度下，对试件的热膨胀没有显著影响。

我国对钢纤维混凝土抗火性能的研究开始得比较晚，主要从20世纪80年代起，我国学者先后对高温中普通混凝土的力学性能和构件内部的温度分布等抗火性能进行了较为系统的试验和理论研究，积累了大量原始资料。同济大学，北方交通大学，中南大学等还对高温下钢纤维混凝土的一些性能进行了测定，但是对钢纤维混凝土高温后的力学性能以及高温下的温度变化研究还较少，20世纪70年代以前基本上是空白，现今只能收集到少量的试验数据和研究成果。中南大学的张彦春[10］通过测试尺寸分别为100 mm×100 mm×400 mm，100 mm×100 mm×300 mm纤维体积率为0.87%的钢纤维混凝土试块的抗弯及抗剪强度得出如下结论:

1)残余抗折强度。试验结果见图1。由图1可知，抗折强度随温度升高基本呈下降趋势，且高于100℃快速下降且较均匀。主要原因在于:构件受弯时，截面下部受拉，上部受压，高温作用后的混凝土内产生大量微裂纹，受拉区在拉应力作用下，裂缝横切于应力方向，试件每一裂缝的存在和产生都降低了有效面积，而且此应力状态下比压应力状态下抑制裂缝的可能性要小得多，故中和轴不断上移造成破坏。另外，在受力至破坏过程中，钢纤维是逐渐被拔出的，而不是整个截面上钢纤维的整体拔出，因而钢纤维在高温后对抗折强度的改善作用不明显。

图1 高温对残余抗折强度（率）的影响

2)残余抗剪强度。钢纤维的掺入使混凝土的抗剪强度大大提高，因此钢纤维混凝土可用于结构框架节点、结构转换层等承受剪力较大的部位。

试验结果见图2。

图2 高温后钢纤维混凝土的抗剪强度

由图2可以看出，在最高温度不超过500℃时，抗剪强度损失很小，而后随温度升高损失加大，这与混凝土基体在高温作用下的强度下降是分不开的。但总的来说，高温后的抗剪性能较好，经900℃高温后，其残余强度率仍在40%以上。

北方交通大学的赵莉弘[11］对一组100 mm×100 mm×300 mm采用铁片预埋切口深度不大于50 mm的两种不同水胶比纤维体积率为1%的钢纤维混凝土简支梁进行高温残余断裂性能试验并与普通混凝土作出比较，试验结果见图3，图4，并得出如下结论。

图3 普通混凝土断裂能及断裂韧性

图4 钢纤维混凝土断裂能及断裂韧性

钢纤维混凝土的残余断裂能和断裂韧性都呈现先增加后降低的趋势。在200℃混凝土的残余断裂能和断裂韧性都达到最大值，200℃是钢纤维混凝土残余断裂能和断裂韧性的转折点，并且，与未掺纤维混凝土相比，钢纤维对混凝土残余断裂能的增长比断裂韧性要高出很多，即钢纤维对残余断裂能的影响要大于对残余断裂韧性的影响。

3 结语

以往研究表明掺加钢纤维的混凝土可以保持较高的残余力学性能，防止混凝土力学性能的劣化，然而关于在混凝土中加入钢纤维以防止高温爆裂，国内外的实验研究有限，且尚未得出统一的结论。Maria de LurdesB.C.Reis也在一篇研究报道中指出在混凝土中掺加一定规格的钢纤维可有效的抑制混凝土的爆裂。而也有实验研究指出掺加钢纤维只是推迟了混凝土在高温下发生爆裂破坏的时间，甚至在另一些试验中钢纤维则加剧了高温爆裂。所以钢纤维是否可以防止混凝土发生高温爆裂还没有形成统一的观点。

4 高温下钢纤维混凝土抗火性有待解决的问题

目前，虽然已经对钢纤维混凝土高温抗火性能进行了大量的研究分析，但是还只停留在一个定性的水平上。对于钢纤维混凝土破坏发生的离散性，还没有合理的解释与预测。由于缺乏统一的规范，阻碍抗火性研究的发展，对于掺加钢纤维的方法对抗火性的影响也还没有进一步的深入。

[1]Hasan Ahmad，Dimitris C.Lagoudas.Effective elastic properties of fiber reinforced concrete with random fibers[J］.Engineering Mechanics，1991，117(12):2931-2938.

[2]Sanders，David H，Wu Qiudong.Dynamic response of steel fiber reinforced concrete[A］.Proceedings of the structures congress[C］.ASCE，1994:833-838.

[3]程庆国，徐蕴贤，卢祖文.钢纤维混凝土本构理论的研究、工程应用及发展[J］.中国铁道科学，1999，20(2):1-9.

[4]罗 章，李启月，凌同华.钢纤维混凝土的工程应用研究[J］.江西有色金属，2003(2):12-15.

[5]张 洁.钢纤维混凝土管片力学性能试验与抗火性能预测[D］.上海:同济大学硕士学位论文，2006:2-5.

[6]周欣竹，郑建军，张 弥.钢纤维混凝土在秦岭隧道衬砌中的应用研究[J］.北方交通大学学报，1998，22(4):50-52.

[7]Lie，T.T，Kodur，V.K.R.Thermal and mechanical properties of steel-fibre-reinforced concrete at elevated temperatures，Can.J.Civ.Engrg，Ottawa，1996，23(2):511-517.

[8]Lie，T.T，ed.Structurak fire protection:Manual of practice，ASCE manual and reports of engineering practice，No.78，ASCE，New-York，1992.

[9]V.K.R.Kodur，M.A.Sultan.Effect of temperature on thermal properties of high-strength concrete，Jourmal of materials in civil engineering，March/Apirl，2003:101-107.

[10]张彦春，胡晓波，白成彬.钢纤维高性能混凝土高温后力学强度研究[J］.混凝土，2001(9):50-53.

[11]赵莉弘.纤维增韧高性能混凝土的高温残余力学性能特征[D］.北京:北京交通大学硕士学位论文，2004:67-69.