钢纤维混凝土力学性能影响因素的分析

崔小敬　许绍超

1 引言

目前，混凝土结构在建筑结构中占据主导地位。混凝土具有材料来源方便等优点。但是，随着社会不断高速发展，人们的物质文化需求日益增长，社会资源日趋紧张。混凝土抗拉强度低，自重大、消耗资源多等缺点已经越来越突出，在一些多高层，大跨度结构中，普通混凝土结构由于其自身缺陷，已经不再适用。因此，对钢纤维混凝土的研究就显得尤为必要。钢纤维混凝土具有良好的抗弯、抗裂性能，具有良好的韧性。已经越来越广泛的被应用于工程结构领域。本文对钢纤维混凝土的受力性能做出分析。

2 钢纤维混凝土增强机理

普通混凝土结构的破坏往往是裂缝扩展的结果。在使用过程中，当所承受的荷载较大时，结构构件受拉区产生裂缝，结构进入带裂缝工作阶段，若荷载增大，裂缝宽度不断加大，裂缝进一步向上开展，混凝土受压区高度减小，压应力和压应变迅速增大，当受压区混凝土的压应变达到极限压应变时，受压区混凝土被压碎，构件失效，从而使结构失去继续承载的能力。

钢纤维混凝土的增强机理，便是针对普通混凝土的破坏形式，进行加强。目前有纤维间距理论和复合材料力学理论两种。钢纤维混凝土是在混凝土中加入少量乱向分布的钢纤维，是一种复合材料。根据复合材料力学混合率法则，复合材料的强度和弹性模量等性能符合复合体内各组分性能的叠加原理。因此，钢纤维混凝土受荷时，由混凝土与钢纤维共同承受荷载，受力性能为二者的叠加。并且钢纤维具有良好的抗拉性能，一般能够满足其受力要求。混凝土构件由于在浇筑混凝土时振捣不密实，不可避免的会产生内部微裂缝。外力作用下，在混凝土内部的微裂缝、孔隙和缺陷处产生应力集中，进而导致混凝土结构破坏。为了改善这一现象，在混凝土基体中掺入乱向分布的短钢纤维后，当混凝土内部产生微裂纹、孔隙时，掺入的钢纤维可以有效地阻止内部的微裂缝的扩展，在微观裂缝合并成宏观裂缝以后，钢纤维又起到约束裂缝发展，增加韧性和延性的作用。从而避免了与普通混凝土相同的破坏状况，因此能够承受更大的荷载。而且，在荷载过大时，混凝土产生宏观裂缝后，带裂缝的混凝土结构由于开裂区混凝土退出工作，主要由内部的钢纤维共同承受荷载，钢纤维成为主要的受力体，而钢纤维具有较好的性能，能够满足混凝土的受力要求。基于上述，掺入钢纤维后，混凝土的物理和力学性能都有了很大的提升。

3 影响因素

影响鋼纤维混凝土力学性能的因素，主要钢纤维的掺量，钢纤维的形状，以及温度等。

1.钢纤维的掺量

试验表明，不掺钢纤维和钢纤维含量为15kg/m3、30kg/m3、50kg/m3四种混凝土试件，其轴心抗压强度24.1MPa、28.3MPa、29.7MPa、30.2MPa，抗弯强度为3.32MPa、3.40MPa、4.07MPa、6.21MPa。由此可见，混凝土中提高钢纤维的含量，可以明显提高抗压强度，抗弯强度等力学性能。

2.钢纤维的形状

常见的变形短纤维有端部弯折型、端部扁平型和波浪型等。几何形状复杂的变形纤维在混凝土开裂被拔出的过程中能够提供良好的锚固。当纤维体积掺率在1.0%-3.0%时，波浪型纤维混凝土的抗压强度比端部扁平型和端部弯折型纤维混凝土高约10-14MPa，但其抗弯强度、断裂能和韧性最低。当纤维体积掺率为1%-2.5%时，端部扁平型纤维混凝土的抗弯强度、断裂能和弯曲韧度军高于端部弯折型和波浪型混凝土。当纤维体积摻率为2.0%时，端部扁平型纤维混凝土的施工性能和力学性能达到最佳。

3.温度

钢纤维具有良好的热传导性能，而且在混凝土中呈三维乱向分布且互相搭接，可使混凝土在高温下更快地达到与内部温度的均匀一致，从而减少温度应力的产生的内部应力，减少内部损伤，并可抑制由于快速的温度变化产生的混凝土的体积变化，从而减少材料内部微缺陷的产生与发展，减缓了材质的劣化。从而提高了混凝土的强度。但当温度达到一定程度，水泥凝胶体逐渐解体，与钢纤维之间的粘结力逐渐丧失，使钢纤维的增强作用急剧减小，表现为钢纤维混凝土强度的显著降低。具体表现为，钢纤维混凝土的抗拉强度、抗压强度和抗折强度均随温度的升高有所下降，抗拉强度的降幅较大。并且在400℃以内，强度损失相对较小，超过400℃以后，各强度指标都明显降低。

4 结论

钢纤维混凝土有着卓越的力学性能，主要受钢纤维的掺量、形状及温度的影响，所以在使用钢纤维混凝土时，应在其影响因素范围内使用，以最大限度地发挥其性能。

参考文献

[1]杨松霖、刁波，《超高性能钢纤维混凝土力学性能》

[2]混凝土结构设计原理，武汉理工大学出版社

[3]赵军、高丹盈、王邦，《高温后钢纤维高强混凝土力学性能研究》