鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

1、鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 1 前言 隨著1824年波特蘭水泥的出生，在1830年前后消失了混凝土，作為當(dāng)初的一種新型建造材料，就廣泛地應(yīng)用于土木和水利工程。尤其是在19世紀中葉以后，陪同著鋼鐵的進展，人們把鋼筋和混凝土結(jié)合起來，出生了鋼筋混凝土(Reinforced Concrete)這種新型的復(fù)合建造材料，大大提高了結(jié)構(gòu)的抗裂性能、剛度、承載能力和耐久性，從而使建造業(yè)經(jīng)受了一場革命。盡管混凝土的固有優(yōu)點是高抗壓強度，然而它也有固有弱點如構(gòu)件的自重大、易于塑性干縮開裂、抗疲憊能力低、韌性差、抗拉強度低(一般僅為抗壓強度的7%-14%)、易產(chǎn)生裂紋、抗沖擊碎裂性差等，限制了在工程中的使用

2、范圍。這些弱點隨著混凝土強度的提高顯得尤為突出。因此，長期以來很多專家和學(xué)者不斷探究改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增加耐久性)的各種方法和途徑，于是，提出了一種以傳統(tǒng)素混凝土為基體的新型復(fù)合材料纖維混凝土。 2纖維混凝土的進展和現(xiàn)狀 纖維混凝土(Fiber Reinforced Concrete，簡稱FRC)，是纖維增加混凝土的簡稱，通常是以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基體，以金屬纖維、無機纖維或有機纖維增加材料組成的一種水泥基復(fù)合材料。它是將短而細的，具有高抗拉強度、高極限延長率、高抗堿性等良好性能的纖維勻稱的凝聚在混凝土基體中形成的一種新型建造材料。纖維在混凝土中限制混凝土早期裂縫的產(chǎn)

3、生及在外力作用下裂縫的進一步擴展。在纖維混凝土受力初期，纖維與混凝土共同受力，此時混凝土是外力的主要擔(dān)當(dāng)者，隨著外力的不斷增強或者外力持續(xù)一定時光，當(dāng)裂縫擴展到一定程度之后，混凝土退出工作，纖維成為外力的主要擔(dān)當(dāng)者，橫跨裂縫的纖維極大的限制了混凝土裂縫的進一步擴展。由此可見，纖維有效地克服了混凝土抗拉強度低、易開裂、抗疲憊性能差等固有缺陷。 與平凡混凝土相比，F(xiàn)RC具有較高的抗拉、抗彎拉、抗沖擊、抗阻裂、抗爆和韌性、延性等性能，同時對混凝土抗?jié)B、防水、抗凍、護筋性等方面也有很大的貢獻。 鑒于FRC具有素混凝土不具有的優(yōu)點，纖維混凝土尤其是鋼纖維混凝土在實際工程中日益得到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。1

4、907年原蘇聯(lián)專家B.HekpocaB開頭用金屬纖維增加混凝土；1910年，美國H.F.Porter發(fā)表了有關(guān)短纖維增加混凝土的研究報告，建議把短鋼纖維勻稱地凝聚在混凝土中用以強化基體材料；1911年，美國Graham曾把鋼纖維摻入平凡混凝土中得到了可以提高混凝土強度和穩(wěn)定性的結(jié)果；到20世紀40年月，美、英、法、德、日等國先后做了很多關(guān)于用鋼纖維來提高混凝土耐磨性和抗裂性、鋼纖維混凝土制造工藝、改進鋼纖維樣子以提高纖維與混凝土基體的粘結(jié)強度等方面的研究；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson發(fā)表了關(guān)于鋼纖維約束混凝土裂縫開展的機理的論文，提出了鋼纖維混凝土開裂強度是由對拉伸

5、應(yīng)力起有效作用的鋼纖維平均間距所確定的結(jié)論(纖維間距理論)，從而開頭了這種新型復(fù)合材料的有用開辟階段。到目前，隨著鋼纖維混凝土的推廣應(yīng)用，因纖維在混凝土中的分布狀況不同，主要有四類：鋼纖維混凝土、混雜纖維混凝土、層布式鋼纖維混凝土和層布式混雜纖維混凝土。 2.1 鋼纖維混凝土 鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete 簡稱SFRC)是在平凡混凝土中摻入少量低碳鋼、不銹鋼和玻璃鋼的纖維后形成的一種比較勻稱而多向配筋的混凝土。鋼纖維的摻入量按體積一般為l-2%，而按分量計每立方米混凝土中摻70-100Kg左右鋼纖維，鋼纖維的長度宜為25-60mm，直徑為0.25

6、-1.25mm，長度與直徑的最佳比值為50-700。 與平凡混凝土相比，不僅能改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增加混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，顯著提高結(jié)構(gòu)的疲憊性能及其耐久性。尤其是韌性可增強l0-20倍，美國對鋼纖維混凝土與平凡混凝土力學(xué)性能比較的實驗結(jié)果見下表： 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 平凡混凝土 SFRC 極限抗彎拉強度 2-5.5MPa 5-26 MPa 極限抗壓強度 21-35 MPa 35-56 MPa 抗剪強度 2.5 MPa 4.2 MPa 彈性模量 2104-3.5104 MPa 1.5104-3.5104 MPa 熱膨脹系數(shù) 9.9-10.8m/mk 10.4-

7、11.1 m/mk 抗沖擊力 480Nm 1380 Nm 抗磨指數(shù) 1 2 抗疲憊限值 0.5-0.55 0.80-0.95 抗裂指標(biāo)比 1 7 韌性 1 1020 耐凍融破壞指標(biāo)數(shù) 1 1.9 我國對SFRC與平凡混凝土力學(xué)性能做了比較實驗，當(dāng)鋼纖維摻入量為15-20%、水灰比為0.45時，其抗拉強度增長50-70%，抗彎強度增長120-180%，抗沖擊強度增長10-20倍，抗沖擊疲憊強度增長15-20倍，抗彎韌性增長約14-20倍，耐磨損性能也顯然改善。 由此可以看出：與素混凝土相比，SFRC具有更優(yōu)越的物理和力學(xué)性能：(1)較高的彈性模量和較高的抗拉、抗壓、抗彎拉、抗剪強度；(2)卓越的

8、抗沖擊性能；(3)抗裂和抗疲憊性能優(yōu)異；(4)能顯然改善變形性能；(5)韌性好；(6)抗磨與耐凍融有改觀；(7)強度和分量比增大，施工簡便，材料性價比高，具有優(yōu)越的應(yīng)用前景和經(jīng)濟性。 2.2 混雜纖維混凝土 鑒于鋼纖維混凝土有很多正是我們需要而素混凝土又不及的優(yōu)點，所以很受工程界的青睞。但有關(guān)研究資料表明，鋼纖維對混凝土的抗壓強度并無顯然促進作用，甚至還有所降低；與素混凝土相比，對于鋼纖維混凝土的抗?jié)B性、耐磨性、耐沖磨性及對防止混凝土早期塑性收縮等還存在正反(提高與降低)兩方面甚至居中的觀點。此外，SFRC用量較大價格較高，有生銹問題，對因為火災(zāi)引起的爆裂幾乎無效等，這些問題都在不同程度影響了

9、其應(yīng)用。 目前，盡管單一纖維混凝土有著自身的優(yōu)點，但是低模量合成纖維混凝土因為模量低，變形大，亂向而松散地摻入混凝土中，對提高混凝土的抗壓、抗拉、抗彎、抗折強度等很不顯著，這些缺點限制了低模量合成纖維適用領(lǐng)域。近些年來，一些國內(nèi)國外學(xué)者開頭將目光投向混雜纖維混凝土(Hybrid Fiber Reinforced Concrete 簡稱HFRC)，試圖把具有不同性能和優(yōu)點的纖維混雜，取長補短，在不同層次和受荷階段發(fā)揮正混雜效應(yīng)來增加混凝土，以適應(yīng)不同工程的需要。但是關(guān)于它的各種力學(xué)性能尤其是HFRC的疲憊變形及疲憊損傷、在靜、動荷載以及等幅或變幅循環(huán)荷載作用下的變形進展邏輯和損傷特性、纖維的最佳

10、摻配量、混雜比例、復(fù)合材料各組份的關(guān)系、增加效果及增加機理、抗疲憊性能、破壞機理、施工工藝、協(xié)作比設(shè)計等方面的研究還有待進一步舉行。 2.3 層布式鋼纖維混凝土 因為整體式纖維混凝土不易攪拌勻稱，在攪拌過程中纖維易結(jié)團，而且其纖維用量也較大，造價比較高，所以難以獲得大面積的推廣應(yīng)用。通過大量的工程實際和理論研究，人們提出了一種新型鋼纖維結(jié)構(gòu)形式上下層布式鋼纖維混凝土(Layer Steel Fiber Reinforced Concrete 簡稱LSFRC)，它是將少量的鋼纖維勻稱撒布于路面板的上下兩個表層，而中間仍為素混凝土層。LSFRC中的鋼纖維一般由人工或機械撒布，鋼纖維較長，長徑比一般

11、70120之間，呈二維分布。 在不影響力學(xué)性能的條件下，這種材料大大降低了鋼纖維的用量，同時也避開了整體式纖維混凝土在攪拌時易消失纖維結(jié)團現(xiàn)象。實驗研究表明：用體積率為0.12%的鋼纖維，所配制的底面層布鋼纖維混凝土的7d、28d抗折強度比同條件下的素混凝土的抗折強度分離增強了27%和26%，而與鋼纖維混凝土（體積率為1.2%）的抗折強度相近，而鋼纖維用量節(jié)省90%。此外，鋼纖維在混凝土中的層布位置對混凝土的抗折強度影響很大，鋼纖維層布在混凝土底部增加效果最佳，隨鋼纖維層布位置上移，其增加效果顯然削弱，上下層布式鋼纖維混凝土，比同協(xié)作比的素混凝土抗折強度提高35%以上，比整體式鋼纖維混凝土略低

12、，但上下層布式鋼纖維混凝土可節(jié)省大量材料成本，也不存在攪拌難的問題。因此，上下層布式鋼纖維混凝土是一種具有良好的社會經(jīng)濟效益和寬闊的推廣應(yīng)用前景、值得在路面施工中推廣的新材料。 2.4 層布式混雜纖維混凝土 盡管LSFRC上下表面的一定厚度范圍內(nèi)得以加強，但是其中間的素混凝土層卻成了薄弱環(huán)節(jié)。雖然其抗折強度和疲憊強度經(jīng)實驗證實都有很大提高，可其延性、韌性、抗?jié)B性及耐久性卻增長不大，一旦表層鋼纖維磨出后將會存在平安隱患。 層布式混雜纖維混凝土(Layer Hybrid Fiber Reinforced Concrete 簡稱LHFRC)是在LSFRC基礎(chǔ)上摻入0.1%的聚丙烯纖維，把大量細而短，

13、具有較高抗拉強度、高極限延長率的聚丙烯纖維勻稱分布在上、下層鋼纖維混凝土和中間層的素混凝土中?？梢岳斫鉃槭腔祀s合成纖維混凝土和層布式鋼纖維混凝土的融合。 LHFRC在增加混凝土抗壓強度方面的影響并不顯然，與素混凝土相比，其對混凝土的強度提高僅為0.3%左右，且其抗壓強度比層布式鋼纖維混凝土低4%左右。 LHFRC在增加混凝土抗折強度有顯然的提高，與素混凝土相比，其對素混凝土的抗折強度提高20%左右，與層布式鋼纖維混凝土相比，其對層布式鋼纖維混凝土的抗折強度提高2.6%，但對混凝土的抗折彈性模量的影響不大，層布式混雜纖維混凝土的抗折彈性模量比素混凝土的高1.3%，比層布式鋼纖維混凝土低0.3%。

14、 LHFRC在增加混凝土彎曲韌性有顯然的提高，彎曲韌性指數(shù)是素混凝土8倍左右，是層布式鋼纖維混凝土的1.3倍，顯然提高了混凝土的韌性。 在LHFRC中，因為兩種或多種纖維在混凝土中的表現(xiàn)不同，我們可以按照工程的需要，利用合成纖維、鋼纖維在混凝土中的正混雜效應(yīng)，提高材料的延性、耐久性、韌性、初裂強度、抗折強度、抗拉強度等方面大幅度提高，延伸材料的使用壽命和改善材料的質(zhì)量。 3理論支持 盡管摻入混凝土基體中的高模量纖維(如鋼纖維)主要起增加、增韌作用，然而纖維對基體的增加理論至今未能滿足地解決，仍以復(fù)合理論和纖維間距理論并存。 復(fù)合理論是研究脆性纖維增加延性基體材料(FRP)的增加理論時提出的，將復(fù)合材料基體的性能視為與復(fù)合前徹低一樣，此時按混合法則計算是可行的。 纖維間距理論又稱阻裂理論，是Rmualdi及其同事Batson等按照線彈性斷裂力學(xué)而提出的，該理論認為纖維的增加作用僅與勻稱分布的纖維間距(最小間距)有關(guān)。 這兩種理論并不能充分地解析纖維混凝土對基體增加，復(fù)合材料理論忽視了纖維對基體的阻裂作用，即忽視了復(fù)合帶來的耦合效應(yīng)；纖