钢纤维混凝土试验研究综述

孙艳秋 曾志兴

(1.浙江工业职业技术学院建筑工程分院，浙江绍兴 312000; 2.华侨大学土木工程学院，福建泉州 362021)

0 引言

钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete简称SFRC)是在普通混凝土(Reinforced Concrete简称RC)中掺入适量的钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。与普通混凝土相比，它不仅能改善抗拉、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耐久性。钢纤维混凝土在工程中的实际应用始于20世纪70年代，由美国Battele公司开发的熔抽钢纤维技术为钢纤维混凝土的应用提供了条件。此后在加拿大、英国、瑞典、日本等国家也迅速进行这方面的应用研究。我国是从20世纪70年代着手对钢纤维混凝土进行材料力学性能的实验研究，1989年颁布CECS 13∶89钢纤维混凝土试验方法。直到1992年颁布了CECS 38∶92钢纤维混凝土结构设计与施工规程，才使钢纤维混凝土在桥梁工程、道路工程、地下结构及其他特种结构工程等领域得到了比较广泛的应用［1］。

目前，我国学者开展钢纤维混凝土试验研究的主要依据是:CECS 13∶89钢纤维混凝土试验方法、GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准、GB 50152-92混凝土结构试验方法标准、CECS 38∶2004纤维混凝土结构技术规程、RilemTC 162-TDF国际材料与结构试验联合会关于纤维混凝土的弯曲韧性的实验方法等。研究重点主要集中在:抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比、配合比、工作性、韧性等方面。

1 抗压强度

抗压强度的试验研究主要集中在纤维体积率、纤维长径比、纤维形状、纤维掺入类型、混凝土强度等级，以及外加剂的加入等因素对抗压强度的影响情况。焦楚杰等［2］研究表明:SFRHSC的抗压强度随着Vf增大而增大，当Vf从1%增到3%，SFRHSC立方抗压强度较基体增长4.48%～30.54%，轴心抗压强度增长11.76%～40.57%。杨松霖等［4］用端部弯折型、端部扁平型和波浪型3种钢纤维，纤维体积掺率分别为1.0%，2.0%，2.5%和3.0%配制抗压强度大于100 MPa的超高性能纤维混凝土，纤维体积掺率为1.0%～3.0%时，波浪型钢纤维超高性能混凝土的抗压强度最高，但抗弯强度和断裂性能最低。郑敬宾等［7］研究表明:对于单一钢纤维混凝土，其抗压强度随钢纤维体积含量的增加而增加;对于混杂钢纤维混凝土而言，长径比大的纤维比长径比小的纤维发挥着更为有利的作用;在保持纤维含量不变下，随着大长径比纤维含量的增加，钢纤维混凝土的抗压强度变化较小。卫明山等［12］研究表明:混杂钢纤维的掺入对混凝土的抗压强度影响不大。张庆芳等［13］研究表明:加入减水剂后，抗压强度增幅降低，即随着钢纤维掺量的增加，抗压强度增加的幅度很小，一般小于6%。朱海堂等［14］研究结果表明:耐碱剂的加入对普通混凝土的抗压强度几乎没有影响，对钢纤维混凝土抗压强度的影响在10%以内，与未掺加耐碱剂的钢纤维混凝土相比，掺有耐碱剂的钢纤维混凝土抗折强度有所提高，且其提高幅度随基体混凝土抗压强度的提高而降低，耐碱剂可以有效提高混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度比，平均增幅约为8.8%。

2 抗拉强度

抗拉强度的试验研究主要集中在纤维体积率、纤维掺入类型，以及外加剂的加入等因素对劈拉强度的影响情况。焦楚杰等［2］的研究表明，当Vf从1%增到3%，SFRHSC的劈裂抗拉强度较基体增长36.9%～113.2%。卫明山等［12］的研究表明混杂钢纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度影响较大，较基体混凝土劈拉强度增长了1倍以上，较单一钢纤维混凝土对基体混凝土的增强有明显的提高。张庆芳等［13］的研究表明:加入减水剂后，抗拉强度增幅有较大增加，如钢纤维掺量为1.4%时，增幅最大值达到33.3%。

3 抗弯、抗剪强度

抗弯和抗剪强度的试验研究主要集中在纤维体积率不同时，初裂抗弯强度、最大抗弯强度、纯剪强度和压剪强度等的变化情况。焦楚杰等［2］的研究表明，当Vf=2%和3%时，SFRHSC初裂抗弯强度分别较基体增长44.5%和72.2%，最大抗弯强度增长79.0%和134.8%。卫明山等［12］的研究表明混杂钢纤维的掺入对混凝土的抗弯强度影响程度较单一钢纤维混凝土有一定的提高，约为2%～8%。王志亮等［3］利用楔形剪切仪对纤维体积含量分别为0，1.5%和3.0%，边长为7.0 cm的立方体试块开展了压剪破坏试验，试验结果表明，当接近极限荷载时，钢纤维混凝土试件裂而不散、整体性好，而素混凝土试块立即剪断为两部分。王志杰［9］试验研究了不同钢纤维掺量对纯剪和压剪强度的影响，研究表明随着纤维掺量增加，抗剪强度有所提高;随着轴压的增加，抗剪强度增强系数在逐步减小，当轴压达一定值时，抗剪强度增强系数增大;纯剪状态下，适宜的钢纤维掺量与素混凝土相比，抗剪强度可提高80%以上。

4 弹性模量、泊松比

弹性模量和泊松比的试验研究主要集中在混凝土强度、纤维体积含量，以及水泥浆体含量等对二者的影响情况。焦楚杰等［2］的研究表明，SFRHSC的弹性模量和泊松比均是不敏感的材料参数，前者随材料抗压强度的提高而缓慢增加，后者随Vf的加大而略微减小。郑敬宾等［7］的研究表明，随钢纤维体积含量的增加，弹性模量基本不变。高丹盈等［8］的研究表明，弹性模量随水泥浆体含量的提高有降低的趋势，随钢纤维的增加基本保持不变。

5 配合比与工作性能

在进行基本力学性能试验研究的同时，部分学者开展了钢纤维混凝土砂率、流动性以及配合比的研究。张庆芳［5］采用常规工艺配制CF40混凝土，通过对比法对试验数据进行了分析，确定了CF40混凝土在钢纤维掺量为1.0%～2.0%时的合理砂率为45%～48%。杨九俊等［6］研究了钢纤维体积分数对大流动度超高强钢纤维混凝土流动性、力学性能的影响，结果表明:超高强钢纤维混凝土的流动性随着钢纤维体积分数的增加而显著降低，当钢纤维体积分数不大于0.75%时，其坍落度可维持在200 mm以上。高丹盈等［8］试验研究了钢纤维高强混凝土配合比的设计方法，研究表明:水泥砂浆含量和钢纤维体积率均是影响高强混凝土拌合物工作及力学性能的重要因素，拌合物坍落度与水泥浆体含量成正比，与钢纤维体积率成反比。陈秀云等［10］结合有关混凝土配合比设计规范和钢纤维混凝土教程，以实例介绍了钢纤维混凝土最优配合比的确定。

6 韧性研究

对钢纤维混凝土韧性的研究主要是断裂韧性研究和弯曲韧性研究。

6.1 断裂韧性

断裂韧性的试验研究主要集中在研究纤维体积率和相对切口深度等对普通混凝土、高强混凝土和二级配骨料混凝土等断裂韧度和断裂性能的影响情况。石国柱等［15］研究表明:钢纤维的掺入明显提高了二级配混凝土的断裂性能，对其有较大的增韧效果，与基体混凝土相比，钢纤维混凝土的断裂韧度可提高8%～43%，断裂性能可提高514%～991%。张廷毅等［16］研究表明:随着钢纤维体积分数的增加，钢纤维高强混凝土断裂韧度增益比呈线性增加;随着切口深度的增加，断裂韧度略有降低;高强混凝土断裂韧度服从威布尔分布。邓宗才等［17］研究表明:钢纤维混凝土的断裂韧度较普通钢纤维混凝土增大约30%，随着试件裂缝相对深度的增大，断裂韧度略有增加。

6.2 弯曲韧性

弯曲韧性的试验研究主要集中在研究基体混凝土强度、钢纤维体积分数、钢纤维类型、纤维长度、最大骨料粒径等对高强钢纤维混凝土弯曲韧性的影响。朱海堂等［18］根据实验得到的荷载挠度曲线，按照我国现行的CECS 13∶89钢纤维混凝土实验方法计算了弯曲韧度指数和承载能力变化系数，其计算值随着钢纤维体积率的增大而增大，且大于与初裂点相对应的理想弹塑性材料的相应值。实验表明:以理想弹塑性体的承载能力变化系数为基准来评定钢纤维高强混凝土的弯曲韧性是否合适还有待于进一步的研究。姚武等［19］研究表明:相比于纤维掺量，纤维长度与最大骨料粒径之比l/Dmax对纤维混凝土的增强增韧作用有着同等重要的影响。该参数直接影响着纤维在混凝土中的三维分布状况。因而也影响纤维混凝土中诸多因素，如纤维长度有效因子、纤维取向因子、临界纤维体积等。如果l/Dmax匹配合理，即使较低纤维掺量的长纤维也能达到较高纤维掺量短纤维的增韧效果。管品武等［20］通过三点弯曲梁韧性试验，分别用 ASTM C1018［21］特征点法和JCI SFRC［22］韧度指数法计算了相应的弯曲韧性指标，同时依据CECS 38∶2004纤维混凝土结构技术规程计算相应的弯曲韧度比，分析表明:钢纤维混凝土试件的初裂荷载和抗弯强度都随基体混凝土强度等级和钢纤维体积率的提高而增大;ASTM韧性指数法计算表明，钢纤维混凝土具有良好的塑性性能，但受试验水平限制，很难精确确定初裂点的位置，导致弯曲韧性指数离散性较大，很难比较不同钢纤维混凝土试件的弯曲韧性。JCI韧性指数法计算表明，基体混凝土等级一定时，等效平均弯拉强度随着钢纤维体积率提高而明显增大。当混凝土强度等级一定时，钢纤维混凝土的弯曲韧度比Re随着钢纤维体积率增大而提高;当钢纤维体积率一定时，C50的钢纤维混凝土弯曲韧度比Re小于C40的钢纤维混凝土。赵顺波等［23］研究表明，钢纤维使高强混凝土的受弯破坏形态由脆性转变为韧性，持荷变形能力随着纤维体积分数的增加而增大，弯曲韧性指数接近理想弹塑性材料值;钢纤维类型对高强钢纤维混凝土弯曲韧性有一定的影响，弓形钢纤维与混凝土基体有更好的粘结锚固作用，增强增韧效果明显;钢纤维本身的抗拉强度可能是影响其对高强钢纤维混凝土增强增韧的一个主要因素，钢纤维与混凝土之间的粘结强度应具有一定的匹配关系，且是防止钢纤维被拉断的关键因素。

7 结语

钢纤维混凝土较普通混凝土在很多性能方面有了较大的提高，成为目前的一个研究热点问题，我国学者开展钢纤维混凝土试验研究的主要依据是CECS 13∶89钢纤维混凝土试验方法、GB 50152-92混凝土结构试验方法标准、CECS 38∶2004纤维混凝土结构技术规程等;主要研究内容是:抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比、配合比、工作性、韧性等;主要结论是:随着钢纤维掺量的增加，抗压强度提高幅度不大，抗拉、抗弯和抗剪强度提高较大，弹性模量和泊松比基本不变，工作性降低，韧性明显提高。

［1］王 萱，赵星明，王建君.钢纤维混凝土在房屋建筑工程中的应用［J］.山东农业大学学报(自然科学版)，2006，37(2):255-258.

［2］焦楚杰，孙 伟，高培正，等.钢纤维高强混凝土力学性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2005(3):35-38.

［3］王志亮，杨文敬，吴立朋.超短钢纤维混凝土压剪破坏机理研究［J］.铁道建筑，2011(4):145-148.

［4］杨松霖，刁 波.超高性能钢纤维混凝土力学性能［J］.交通运输工程学报，2011，11(2):8-13.

［5］张庆芳.大掺量钢纤维混凝土砂率的研究［J］.四川建筑科学研究，2011，37(1):204-206.

［6］杨九俊，刘俊霞，韩静宜，等.大流动度超高强钢纤维混凝土力学性能研究［J］.建筑材料学报，2010，13(1):1-6.

［7］郑敬宾，王志亮.单一和混杂钢纤维混凝土压缩特性研究［J］.混凝土，2010(4):61-68.

［8］高丹盈，汤寄予，朱海堂.钢纤维高强混凝土的配合比及基本性能研究［J］.郑州大学学报(工学版)，2004，25(3):46-51.

［9］王志杰.钢纤维混凝土的剪切性能［J］.施工技术，2004，33(4):50-51.

［10］陈秀云，费建刚，孟会英.钢纤维混凝土配合比设计试验研究［J］.混凝土，2009(7):111-112.

［11］焦楚杰，孙 伟，周 云.钢纤维混凝土准静态单轴受压力学性能［J］.重庆建筑大学学报，2006，28(2):56-58.

［12］卫明山，李利莎，丁巧爱，等.混杂钢纤维混凝土力学性能试验研究［J］.四川建筑科学研究，2006，32(6):170-172.

［13］张庆芳，姬新建.减水剂对钢纤维混凝土技术性能的影响［J］.山东农业大学学报(自然科学版)，2010，41(4):636-639.

［14］朱海堂，范向前，李金章.耐碱剂对钢纤维混凝土强度的影响研究［J］.郑州大学学报(工学版)，2011，32(1):5-8.

［15］石国柱，徐晓勇.二级配骨料钢纤维混凝土断裂性能研究［J］.混凝土，2010(8):82-87.

［16］张廷毅，高丹盈，朱海堂.钢纤维高强混凝土的断裂韧度［J］.建筑材料学报，2007，10(5):577-582.

［17］邓宗才，杨秀元.钢纤维高强混凝土的断裂韧度［J］.工业建筑，1995，25(10):36-38.

［18］朱海堂，高丹盈，谢 丽，等.钢纤维高强混凝土弯曲韧性的研究［J］.硅酸盐学报，2004，32(5):656-660.

［19］姚 武，蔡江宁，吴科如，等.钢纤维混凝土的抗弯韧性研究［J］.混凝土，2002(6):31-33.

［20］管品武，唐国斌，孟会英，等.钢纤维混凝土弯曲韧性试验研究［J］.工业建筑，2007，37(7):63-65.

［21］ASTM C1018，ASTM Standards for Concrete and Mineral Aggregates，V.04.02，Standard Designation C1018，Apr.1989.

［22］JCI-SF4，JCI Standards for Test Methods of Fiber Re-inforced Concrete［S］.

［23］赵顺波，孙晓燕，李长永，等.高强钢纤维混凝土弯曲韧性试验研究［J］.建筑材料学报，2003，6(1):95-99.