钢纤维混凝土的性能及其应用
关键词：混凝土 钢纤维 应用 科学技术 复合材料 中国论文 职称论文
【摘要】钢纤维混凝土作为新兴的建筑复合材料，是科学技术和建筑业发展的必然产物。本文对钢纤维混凝土的增强机理进行了阐述，对钢纤维混凝土的应用作了简单的介绍。
一、引言
1824年出现波特兰水泥之后，人类便开始了应用混凝土建造建筑物的历史。随后于1850年和1928年分别出现了钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土，混凝土才得到了广泛的应用。20世纪20年代，随着结构计算理论及施工技术水平的相对成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用，应用的领域也越来越广阔。目前它已是世界上用量最大、使用最广泛的建筑材料。
混凝土是一种优良的建筑材料，但是由于其抗弯、抗拉、抗冲击韧性差，严重的影响其被广泛使用。于是便考虑是否可以在混凝土中加入抗拉强度高、韧性好、短而细的纤维来改善混凝土的性能。
在1901年，美国Porter就发表了有关钢纤维混凝土的第一篇论文。1911年，美国的Graham则提出将钢纤维加入普通钢筋混凝土中。到四十年代，由于军事工程的需要，英、美、法、德、日都相继开展了研究，发表了一些专利，但进展并不大，因为这些研究和专利几乎都没能说明钢纤维对于混凝土的增强机理。纤维混凝土真正进入实用化研究是在六十年代初。1963年，美国的Romualai发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告，才使这项研究真正进入一个新的发展时期。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。
二、钢纤维混凝土的增强机理
钢纤维混凝土增强机理的研究主要有两种理论：复合力学理论和纤维间距理论。这两种理论从不同角度，解释钢纤维对混凝土的增强作用，其结果是一致的。
（一）复合力学理论
复合力学理论将钢纤维增强混凝土看作是一种纤维强化体系，应用混合原理推导钢纤维混凝土的应力、弹性模量和强度等，并引入纤维方向系数，考虑在拉伸应力方向上有效纤维体积率的比例和非连续性短纤维应力沿纤维长度的非均匀分布。
（二）纤维间距理论
纤维间距理论根据线弹性断裂力学原理解释钢纤维对裂缝发生和发展的约束作用。该理论认为，要想增强混凝土这种本身带有内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能地减小内部缺陷的尺寸，降低裂缝尖端的应力场强度因子。对于混凝土这样的脆性材料，由于其内部的水泥浆-细骨料界面区，砂浆-粗骨料界面区薄弱环节的存在，尽管各组分材料都有较高的抗拉强度，但混凝土一般均发生断裂破坏，宏观抗拉强度很低。钢纤维的加入能跨越裂缝的两边，使钢纤维与裂缝两边混凝土之间的粘结应力起着约束裂缝开展的作用。
三、钢纤维混凝土的应用
（一）水利水电工程
目前，20ZLB一70型轴流泵是农用泵站中应用较多的一种泵型。22时(管内径55cm，壁厚3cm)钢纤维混凝土泵管就是为这种泵型配套用的，以解决目前其它泵管在工程造价、建没周期及管理维修等方面存在的问题。江苏省泗阳混凝土制品厂对钢纤维混凝土泵管采用的主要技术标准为:当应用扬程达7.5m，管内工作压力达0.075MPa时、室内检验压力达到0.15MPa时不破裂，0.1MPa时无渗漏。安全系数值取3。采用的混凝土配比为水泥，黄砂，石子，水=l：2.06：
1.12：0.5。钢纤维体积含量1.5%，纤维长径比60一100。关于钢纤维混凝土泵管的使用价值，该厂曾将这种泵管与同类型的铸铁泵管、钢板泵管、自应力水泥泵管和钢筋混凝土泵管等作了比较，结果发现钢板管、铸铁管耗钢量最大，钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管次之；钢丝网水泥管和自应力管较小；而新研制的钢纤维管耗钢量只有8kg，为最小。以生产管理方面来说，钢板管、铸铁管易生锈瘤，接头螺栓及止水填料易腐蚀，维修费用高。钢筋混凝土管及预应力钢筋混凝土管维修费用虽小，但体积大，运输及安装不方使。钢丝网水泥管、自应力水泥管在用钢量和自重上较前者虽有减少，但要具备特殊的生产工艺与设备。而钢纤维混凝土管则可弥补上述6类管的不足。泵管性能方面各类泵管都能满足强
度要求。 （二）桥梁工程
重庆交通学院等单位对钢纤维混凝土肋拱桥进行了动态性能分析，并局部地利用钢纤维混凝土成功地设计了一座60m净跨、拱圈高1.55m的肋拱桥。竣工后对该桥进行了自频振率、模态及冲击性能等试验，结果认为:钢纤维混凝土肋拱桥不仅造价低，而且地震作用明显小于普通混凝上肋拱桥
（三）房屋工程
节点是框架梁柱的传力枢纽，也是框架的薄弱环节。国内外几次大地震表明，不少钢筋混凝土框架节点在地震作用下发生了不同程度的破坏，节点的抗震问题引起了工程界的重视。按照传统的方法，为提高钢筋混凝土节点的抗震强度和延性，需要在节点配置多而密的箍筋，而节点箍筋施工比较困难。节点中钢筋过于拥挤也影响了混凝土的浇筑质量。在框架节点部分用钢纤维配筋取代部分箍筋，能有效地解决这个问题。
最早由哈尔滨建工学院樊承谋教授提出，经试验室试验后应用于工程。应用最早的是吉林省1661电台办公楼(1988年5月)及黑河市建委试验楼(1989年5月)。以上两项工程施工地点的年温差和昼夜温差都较大。为使防水层脱离找平层以便减少收缩和温度应力的影响，在钢纤维混凝土中掺有一定数量的膨胀剂，取得了良好的效果。每m3钢纤维混凝土的材料用量是水泥：砂：碎石：钢纤维：水：减水剂：膨胀剂=450：720：720：72：198：4.5：63。减水剂采用上海产高效减水剂，减水率15%。膨胀剂采用合肥产品，自由膨胀值小于0.1%。刚性防水屋顶采用分仓设计，每个分仓均为3×6m。各分仓之间以及与四周墙壁之间均设置分仓缝。分仓缝用PVC防水油膏充填。分仓木条尺寸为20×30mm，施工24小时后取出。防水层厚度为40mm。
钢纤维混凝土应用的领域非常广泛，在此不再枚举。
综上所述，钢纤维混凝土由于一系列突出的优点和巨大的技术发展潜力，可以预见在未来21世纪必将取得更大的技术进步和广阔的应用前景。
【参考文献】
[l]谢晓鹏．钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能研究[C]．郑州：郑州大学博士论文，2007，（5）.
[2]樊承谋，赵景海，程龙保．钢纤维混凝土应用技术[M]．黑龙江科技出版社，1986．
[3]赵国藩，黄承逵．纤维混凝土的研究与应用[M]．大连理工大学出版社，1992．
[4]王璋水，陆惠棠，高强钢纤维混凝土的性能及应用[M]．北京:空军设计研究局，1986．
[5]大连理工大学土木系结构研究室．钢纤维混凝土增强机理及其结构设计理论研究课题研究总结．
[6] 孙伟，高建明。路用钢纤维混凝土抗折疲劳特性研究[J]。东南大学学报，1993，21(2). [7] 鞠杨，樊承谋。钢纤维混凝土轴压疲劳性能研究[A]。第五届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文');
[8] 邓宗才，钱在兹。低周循环加载历史对碳纤维混凝土断裂特性影响的试验研究[J]。中国公路学报，2000，13(2).
钢纤维混凝土的性能及其应用
关键词：混凝土 钢纤维 应用 科学技术 复合材料 中国论文 职称论文
【摘要】钢纤维混凝土作为新兴的建筑复合材料，是科学技术和建筑业发展的必然产物。本文对钢纤维混凝土的增强机理进行了阐述，对钢纤维混凝土的应用作了简单的介绍。
一、引言
1824年出现波特兰水泥之后，人类便开始了应用混凝土建造建筑物的历史。随后于1850年和1928年分别出现了钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土，混凝土才得到了广泛的应用。20世纪20年代，随着结构计算理论及施工技术水平的相对成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用，应用的领域也越来越广阔。目前它已是世界上用量最大、使用最广泛的建筑材料。
混凝土是一种优良的建筑材料，但是由于其抗弯、抗拉、抗冲击韧性差，严重的影响其被广泛使用。于是便考虑是否可以在混凝土中加入抗拉强度高、韧性好、短而细的纤维来改善混凝土的性能。
在1901年，美国Porter就发表了有关钢纤维混凝土的第一篇论文。1911年，美国的Graham则提出将钢纤维加入普通钢筋混凝土中。到四十年代，由于军事工程的需要，英、美、法、德、日都相继开展了研究，发表了一些专利，但进展并不大，因为这些研究和专利几乎都没能说明钢纤维对于混凝土的增强机理。纤维混凝土真正进入实用化研究是在六十年代初。1963年，美国的Romualai发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告，才使这项研究真正进入一个新的发展时期。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。
二、钢纤维混凝土的增强机理
钢纤维混凝土增强机理的研究主要有两种理论：复合力学理论和纤维间距理论。这两种理论从不同角度，解释钢纤维对混凝土的增强作用，其结果是一致的。
（一）复合力学理论
复合力学理论将钢纤维增强混凝土看作是一种纤维强化体系，应用混合原理推导钢纤维混凝土的应力、弹性模量和强度等，并引入纤维方向系数，考虑在拉伸应力方向上有效纤维体积率的比例和非连续性短纤维应力沿纤维长度的非均匀分布。
（二）纤维间距理论
纤维间距理论根据线弹性断裂力学原理解释钢纤维对裂缝发生和发展的约束作用。该理论认为，要想增强混凝土这种本身带有内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能地减小内部缺陷的尺寸，降低裂缝尖端的应力场强度因子。对于混凝土这样的脆性材料，由于其内部的水泥浆-细骨料界面区，砂浆-粗骨料界面区薄弱环节的存在，尽管各组分材料都有较高的抗拉强度，但混凝土一般均发生断裂破坏，宏观抗拉强度很低。钢纤维的加入能跨越裂缝的两边，使钢纤维与裂缝两边混凝土之间的粘结应力起着约束裂缝开展的作用。
三、钢纤维混凝土的应用
（一）水利水电工程
目前，20ZLB一70型轴流泵是农用泵站中应用较多的一种泵型。22时(管内径55cm，壁厚3cm)钢纤维混凝土泵管就是为这种泵型配套用的，以解决目前其它泵管在工程造价、建没周期及管理维修等方面存在的问题。江苏省泗阳混凝土制品厂对钢纤维混凝土泵管采用的主要技术标准为:当应用扬程达7.5m，管内工作压力达0.075MPa时、室内检验压力达到0.15MPa时不破裂，0.1MPa时无渗漏。安全系数值取3。采用的混凝土配比为水泥，黄砂，石子，水=l：2.06：
1.12：0.5。钢纤维体积含量1.5%，纤维长径比60一100。关于钢纤维混凝土泵管的使用价值，该厂曾将这种泵管与同类型的铸铁泵管、钢板泵管、自应力水泥泵管和钢筋混凝土泵管等作了比较，结果发现钢板管、铸铁管耗钢量最大，钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管次之；钢丝网水泥管和自应力管较小；而新研制的钢纤维管耗钢量只有8kg，为最小。以生产管理方面来说，钢板管、铸铁管易生锈瘤，接头螺栓及止水填料易腐蚀，维修费用高。钢筋混凝土管及预应力钢筋混凝土管维修费用虽小，但体积大，运输及安装不方使。钢丝网水泥管、自应力水泥管在用钢量和自重上较前者虽有减少，但要具备特殊的生产工艺与设备。而钢纤维混凝土管则可弥补上述6类管的不足。泵管性能方面各类泵管都能满足强
度要求。 （二）桥梁工程
重庆交通学院等单位对钢纤维混凝土肋拱桥进行了动态性能分析，并局部地利用钢纤维混凝土成功地设计了一座60m净跨、拱圈高1.55m的肋拱桥。竣工后对该桥进行了自频振率、模态及冲击性能等试验，结果认为:钢纤维混凝土肋拱桥不仅造价低，而且地震作用明显小于普通混凝上肋拱桥
（三）房屋工程
节点是框架梁柱的传力枢纽，也是框架的薄弱环节。国内外几次大地震表明，不少钢筋混凝土框架节点在地震作用下发生了不同程度的破坏，节点的抗震问题引起了工程界的重视。按照传统的方法，为提高钢筋混凝土节点的抗震强度和延性，需要在节点配置多而密的箍筋，而节点箍筋施工比较困难。节点中钢筋过于拥挤也影响了混凝土的浇筑质量。在框架节点部分用钢纤维配筋取代部分箍筋，能有效地解决这个问题。
最早由哈尔滨建工学院樊承谋教授提出，经试验室试验后应用于工程。应用最早的是吉林省1661电台办公楼(1988年5月)及黑河市建委试验楼(1989年5月)。以上两项工程施工地点的年温差和昼夜温差都较大。为使防水层脱离找平层以便减少收缩和温度应力的影响，在钢纤维混凝土中掺有一定数量的膨胀剂，取得了良好的效果。每m3钢纤维混凝土的材料用量是水泥：砂：碎石：钢纤维：水：减水剂：膨胀剂=450：720：720：72：198：4.5：63。减水剂采用上海产高效减水剂，减水率15%。膨胀剂采用合肥产品，自由膨胀值小于0.1%。刚性防水屋顶采用分仓设计，每个分仓均为3×6m。各分仓之间以及与四周墙壁之间均设置分仓缝。分仓缝用PVC防水油膏充填。分仓木条尺寸为20×30mm，施工24小时后取出。防水层厚度为40mm。
钢纤维混凝土应用的领域非常广泛，在此不再枚举。
综上所述，钢纤维混凝土由于一系列突出的优点和巨大的技术发展潜力，可以预见在未来21世纪必将取得更大的技术进步和广阔的应用前景。
【参考文献】
[l]谢晓鹏．钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能研究[C]．郑州：郑州大学博士论文，2007，（5）.
[2]樊承谋，赵景海，程龙保．钢纤维混凝土应用技术[M]．黑龙江科技出版社，1986．
[3]赵国藩，黄承逵．纤维混凝土的研究与应用[M]．大连理工大学出版社，1992．
[4]王璋水，陆惠棠，高强钢纤维混凝土的性能及应用[M]．北京:空军设计研究局，1986．
[5]大连理工大学土木系结构研究室．钢纤维混凝土增强机理及其结构设计理论研究课题研究总结．
[6] 孙伟，高建明。路用钢纤维混凝土抗折疲劳特性研究[J]。东南大学学报，1993，21(2). [7] 鞠杨，樊承谋。钢纤维混凝土轴压疲劳性能研究[A]。第五届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文');
[8] 邓宗才，钱在兹。低周循环加载历史对碳纤维混凝土断裂特性影响的试验研究[J]。中国公路学报，2000，13(2).