（西华大学土木工程与建筑学院，四川成都630001）
摘要：纤维混凝土作为一种高性能混凝土建筑材料，不仅有其突出的历史地位，如今在工程建设领域得到了非常广泛的应用。钢纤维的发展已趋于成熟，将两种或两种以上的纤维混合来增强混凝土的研究也越来越多，也是当前对纤维混凝土材料性能研究的一个热点。本文对钢纤维混凝土的性能做了综合介绍。
关键词：钢纤维混凝土；耐久性
1绪论
1.1前言
混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约10亿m³，钢筋用量约2500万t，规模庞大，耗资之高，位居世界前列[1]。因原料取材广泛、易成型、能耗低、价格低廉以及与钢材结合可制成各种承重构件等优点得到世界各国的广泛应用。但混凝土脆性大、自重大、抗拉强度低、韧性差等弱点也限制了它优点的进一步发挥，在混凝土中掺入纤维是解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差的一个好办法[2]。
然而在人为或者自然环境的作用下，混凝土结构内部将随着时间的变化发生材料老化与结构损伤，这种损伤累积的结果是结构承载力下降、耐久性降低。目前混凝土结构耐久性不足造成的破坏日渐突出[3]。美国学者曾用“五倍定律”形象地描述了建造与维修费用的关系[4]。
1.2国内外纤维混凝土的发展历程
纤维增强混凝土（FRC，FiberReinforcedConcrete）简称纤维混凝土，它是以水泥砂浆、砂浆或混凝土为基体，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料[5]。
利用纤维来改善脆性材料性能早已提出，1000多年前，先人们就用天然纤维作为某些无机材料的增强材料，以减少收缩裂缝，保持整体性并降低脆性。20世纪曾提出了石棉水泥的概念，并形成工业化生产[6]。但因为发现石棉粉尘具有致癌危险，一些国家开始限制石棉的开采和使用。
1910年首次提出了用钢纤维增强混凝土，但直到1963年J.P.Romualdi和J.B.Bstson发表了关于纤维混凝土增强机理研究报告，提出了“纤维间距理论”，才掀起了钢纤维混凝土的研究热潮，70年代一度出现了“纤维热”[3]。
欧洲在上世纪40年代开始研究玻璃纤维混凝土，采用的是普通中碱玻璃纤维，50年代末至60年代初中国前水泥工业研究院等单位探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆或混凝土，由于该玻璃纤维在混凝土的碱环境下很容易被腐蚀，从而丧失增强效果，因而玻璃纤维混凝土的发展一度受阻。20世纪60年代后期英国发明了耐碱玻璃纤维，但其耐久性能还是难以得到保证。20世纪70年代中期，中国建筑材料科学研究院自主开发了抗碱玻璃和低碱琉铝酸盐水泥。如今抗碱玻璃纤维和低碱水泥技术都有了新的发展，玻璃纤维增强混凝土的研究和应用也得以广泛展开[5,7]。
合成纤维能有效的控制水泥砂浆及混凝土的非结构裂缝，最早是用于建造美军工兵部队的防爆结构，1965年被提出，70年代得到了蓬勃发展。80年代在国外已经被广泛研究并大规模应用于新建工程和修补工程中。今天，在美国，合成纤维混凝土的使用量已经远远超过早期的钢纤维混凝土，被视为近代混凝土技术的新发展。但是，在我国这方面的研究起步很晚。目前应用较多的合成纤维有：聚丙烯、聚乙烯醇、聚酰胺类、芳族聚酰胺、聚酯类和碳纤维、聚乙烯、聚丙烯腈等[8]。
1.3本文内容
本文结合了国内外近20年研究，详细介绍了钢纤维混凝土的力学性能。具体内容如下：
钢纤维混凝土：
(1)钢纤维混凝土的抗拉性能；
(2)钢纤维混凝土的弯曲韧性；
(3)钢纤维混凝土的抗冲击性能及其阻裂增韧原理。
2钢纤维混凝土
2.1钢纤维混凝土的研究状况及其应用
将钢纤维掺入到高强混凝土中，使材料抗拉强度、抗剪强度、弯拉强度尤其是抗冲击能力起到明显的改善作用。在钢纤维混凝土技术的发展和应用过程中，已经有很多学者研究了其基本性能。
严少华[9]指出，在工艺可行的情况下增加钢纤维含量是提高钢纤维混凝土抗冲击性能的重要方法；钢纤维对混凝土的抗剪强度有较大影响，端勾型钢纤维对提高混凝土的强度较为有利[10]；随着钢纤维掺量的增大，混凝土抗剪强度与抗压强度均增大，抗剪强度与抗压强度之比有增大的趋势[11,12]。
钢纤维混凝土主要应用于以下几个领域[2,13-24]：(1)建筑结构及预制构件；
(2)铁路、公路路面、桥面、桥梁结构及交通隧道；(3)水工结构、输水隧洞及沟壑；
(4)机场道面；
(5)码头铺面和工业建筑地面；(6)修补加固及支护工程；
(7)军事工程。
2.2钢纤维混凝土抗拉性能试验研究
由于混凝土轴心抗拉试验较复杂困难，在实践工程中常常采用劈裂抗拉试验来代替轴心抗拉试验[25]，通过换算得到轴心抗拉强度，现行的钢纤维混凝土试验仍然采用了相同的方法来研究其抗拉性能[26]。试件采用边长为150mm的标准立方试件，试验在万能材料试验机上进行。
试验表明，钢纤维混凝土的轴心抗拉强度与基体混凝土的纤维含量和抗拉强度有关。钢纤维混凝土的轴心抗拉强度与钢纤维含量特征值呈现良好的线性增长关系。且两端大头型纤维对基体混凝土轴心抗拉强度的增强作用高于通长球型钢纤维。原因是前者增强了钢纤维与混凝土之间的锚固性能。
2.3钢纤维混凝土弯曲韧性试验研究
弯曲韧性是衡量钢纤维混凝土韧性的重要指标，各国标准评估均有区别[27]，但都需要计算梁荷载-挠度曲线下的面积来评估钢纤维混凝土的韧性。
美国材料协会标准（ASTM）：是北美较为广泛的用来评价和计算刚纤维混凝土韧性的标准，要求试验为位移控制，提出了第一条裂缝出现时韧性的测试方法。实际上准确确定第一条裂缝存在较大困难，因为梁受荷时先产生微裂缝，然后再发展为可视裂缝，因此该标准只适用于测试钢纤维掺量较高的混凝土梁。
德国纤维混凝土标准（DBV）：采用等效抗弯强度和变形能的概念来表述纤维混凝土的韧性及其能量吸收能力。与ASTM相比，DBV有以下优点：<1>有较详细的计算体系，引用了与经典强度理论相似的计算方法，不但给出了纤维混凝土静力计算的基础，还包括了不同龄期时纤维与混凝土的粘结、耐久性、抗渗性和安全系数等的计算方法；<2>避免了确定第一条裂缝时所产生的误差；<3>DBV可对不同纤维掺量的混凝土进行韧性评估。
当基体混凝土强度相同时，钢纤维混凝土的抗弯初裂强度随着纤维体积分数的增大而提高。纤维类型对弯曲韧性的影响：试验研究表明，能与混凝土有更好粘结作用的纤维类型其增韧效果更好。
2.4钢纤维混凝土抗冲击性能试验研究
钢纤维混凝土在破坏过程中的耗能机理[28]：由于弹性模量大，在拔出的过程中，主要靠与基体摩擦消耗能量，纤维受力后的伸长量相对拔出位移而言在裂缝扩展中所占的比重太小，可忽略不计。因此，钢纤维在材料中所起的耗能作用主要表现在裂缝扩展初期，其耗能效果与纤维与基体间粘结强度有很大关系。
阻裂效应：钢纤维发挥了桥接的作用。钢纤维的掺入降低了混凝土基体的脆性，改善了塑性特征，其优良的延性使混凝土开裂后仍可承受冲击荷载，延缓了裂缝的开展。
试验装置采用SHPB装置。纤维与基体弹性模量的比值对混凝土的力学性能产生了非常大的影响。纤维弹性模量的提高可以显著增加复合材料的破坏强度，材料延性也有一定提高；弹性模量较低的纤维使复合材料强度略有减小，但其延性得到了明显的增加。由此可见，高弹性模量纤维混凝韧性的提高是基于材料强度和延性两方面的增强所引起的，而低弹性模量纤维混凝土则主要通过提高材料延性来增加其韧性。
钢纤维的掺入显著提高了混凝土的延性和韧性[29]，韧性随掺量的增加呈现先增加后减小的关系。当钢纤维掺量为0.8%时，其延性比超过15%，此时基体延性最佳；当钢纤维掺量为1.0%时，其韧性系数达到最大值，接近普通混凝土的10倍；当掺量超过1.0%时，韧性有所降低，这是由于钢纤维比表面积增大，水泥砂浆无法完全包裹钢纤维，钢纤维与基体界面的粘结强度降低，混凝土内部产生大量初始微裂缝造成的。
3结论
本文通过对钢纤维混凝土和钢-聚丙烯纤维混凝土的一系列试验介绍，并做了简单分析，得出了以下结论：
(1)钢纤维混凝土的轴心抗拉强度与钢纤维含量特征值呈现良好的线性增长关系。且两端大头型纤维对基体混凝土轴心抗拉强度的增强作用高于通长球痕型钢纤维。
(2)钢纤维混凝土的抗弯初裂强度随着纤维体积分数的增大而提高，弯曲荷载-挠度曲线随着纤维体积分数的增大而趋于丰满，下降段由陡直渐趋平缓而能承受较大的荷载，呈现出更大的持荷变形能力，是混凝土的破坏形态由脆性破坏转变为塑性破坏。
(3)纤维弹性模量的提高可以明显增加复合材料的破坏强度，材料延性也有一定提高。
(4)钢纤维掺量为0.8%时，其延性比超过15%，此时基体延性最佳；当钢纤维掺量为1.0%时，其韧性系数达到最大值，接近普通混凝土的10倍；当掺量超过1.0%时，韧性有所降低，这是由于钢纤维比表面积增大，水泥砂浆无法完全包裹钢纤维，钢纤维与基体界面的粘结强度降低，混凝土内部产生大量初始微裂缝造成的。
参考文献
[1]赵国藩.混凝土及其增强材料的发展与应用[J].建筑材料学报,2000(01):8-13.
[2]杨萌.钢纤维高强混凝土增强、增韧机理及基于韧性的设计方法研究[D].大连理工大学,2006.
[3]杨成蛟.混杂纤维混凝土力学性能及耐久性能试验研究[D].大连理工大学,2007.[4]陈飞.冻融条件下引气混凝土多轴强度的试验研究[D].大连理工大学,2006.
[5]黄承逵．纤维混凝土结构．北京：机械工业出版社，2005
[6]沈荣熹，崔琪，李清海．新型纤维增强水泥基复合材料．北京：中国建筑工业出版社，2004
[7]杨楠．玻璃纤维及混杂纤维高性能混凝土的试验研究：(硕士学位论文)．大连：大连理工大学，2005
[8]伯.我国合成纤维发展现状[J].精细化工原料及中间体,2011(11):42-43.
[9]严少华,李志成,王明洋,尹放林.高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究[J].爆炸与冲击,2002(03):237-241.
[10]张云升,孙伟,秦鸿根,张亚梅,李丽.基体强度和纤维外形对混凝土抗剪强度的影响[J].武汉理工大学学报,2005(01):36-39.
[11]杨萌,黄承逵,刘毅.钢纤维高强混凝土抗剪性能试验研究[J].大连理工大学学报,2005(06):842-846.
[12]高丹盈,朱海堂,汤寄予.钢纤维高强混凝土的抗剪强度[J].硅酸盐学报,2005(01):82-86.
[13]郑军,张晓悦.钢纤维混凝土在水利工程中的应用及研究进展[J].科技经济导刊,2016(27):28-29.
[14]韦红专.钢纤维混凝土在房屋建筑工程中的应用[J].才智,2013(17):211.
[15]钱进,王冠.钢纤维混凝土在机场道面工程中的应用[J].公路,2013(03):50-52.
[16]徐智.钢纤维混凝土在道路工程中的应用研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2012,33(04):179-183.
[17]管品武,唐国斌,孟会英.钢纤维混凝土在桥梁工程中的应用与试验研究[J].公路工程,2007(04):79-81+86.
[18]李恩升.钢纤维混凝土在道路路面修复工程中的应用[J].上海建设科技,2006(04):55-56.[19]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(02):255-258.
[20]胡新民,李世秋.喷射钢纤维混凝土在隧道工程中的应用探析[J].筑路机械与施工机械化,2005(03):44-46.
[21]葛光华,孙军.钢纤维混凝土在旧混凝土路面修补工程中的应用[J].盐城工学院学报(自然科学版),2004(04):63-65.
[22]祁志,宋宏伟.钢纤维混凝土在地下工程中的应用与展望[J].混凝土,2003(11):48-50.
[23]杨卫东.钢纤维混凝土在建筑结构工程中的应用[J].科技情报开发与经济,2003(10):1-266.
[24]徐变,徐厚福,赵卫楚.钢纤维混凝土在桥梁工程中的应用[J].中外公路,2003(04):89-92.[25]中华人民共和国国家标准．GB／T50081--2002普通混凝土力学性能试验方法标准Es3北京：中国建筑工业出版社，2002
[26]韩嵘,赵顺波,曲福来.钢纤维混凝土抗拉性能试验研究[J].土木工程学报,2006(11):63-67.
[27]丁一宁,董香军,王岳华.钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准[J].建筑材料学报,2005(06):660-664.
[28]胡金生,杨秀敏,周早生,唐德高.钢纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土材料冲击荷载下纤维增韧特性试验研究[J].建筑结构学报,2005(02):101-105.
[29]潘慧敏,马云朝.钢纤维混凝土抗冲击性能及其阻裂增韧机理[J].建筑材料学报,2017,20(06):956-961.
作者简介：葛光易（1995-），男，四川成都人，硕士在读，研究方向：建筑隔震减震。