鋼纖維增強(qiáng)混凝土研究進(jìn)展*

李　娜，馮　琪，李　劍

(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 大連理工現(xiàn)代工程檢測(cè)有限公司，遼寧大連 116024；3 廣西南南鋁加工有限公司，廣西南寧 530031)

?

鋼纖維增強(qiáng)混凝土研究進(jìn)展*

李娜1，馮琪2，李劍3

(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 大連理工現(xiàn)代工程檢測(cè)有限公司，遼寧大連 116024；3 廣西南南鋁加工有限公司，廣西南寧 530031)

鋼纖維增強(qiáng)混凝土(SFRC)承載能力強(qiáng)，在建筑、交通、水利等方面應(yīng)用前景廣闊。近年來(lái)對(duì)SFRC的研究主要集中在增強(qiáng)機(jī)理、力學(xué)性能、腐蝕防護(hù)以及數(shù)值模擬等方面。SFRC的力學(xué)性能優(yōu)于普通混凝土，能有效防止脆性破壞的產(chǎn)生；SFRC腐蝕防護(hù)的研究未涉及到相關(guān)腐蝕機(jī)理分析，主要側(cè)重對(duì)腐蝕行為的觀察；SFRC的數(shù)值模擬貼近實(shí)際情況，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了宏觀與細(xì)觀的結(jié)合。然而，對(duì)鋼混雜纖維增強(qiáng)混凝土的研究尚處于初步階段，需在增強(qiáng)機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系以及耐久性研究等方面深入進(jìn)行，為鋼混雜纖維增強(qiáng)混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論與技術(shù)支持。綜合論述了目前SFRC各個(gè)方面的研究進(jìn)展，展望了鋼混雜纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用前景。

鋼纖維增強(qiáng)混凝土，增強(qiáng)機(jī)理，力學(xué)性能，腐蝕性能，數(shù)值模擬，混雜纖維

混凝土本身即是一種復(fù)合材料，在此“復(fù)合”的基礎(chǔ)上摻入不同種類、尺寸的纖維形成“雙復(fù)合”混凝土，工程中常用的纖維有聚丙烯纖維、碳纖維、鋼纖維等，鋼纖維由于其顯著的阻裂效應(yīng)以及對(duì)混凝土基體性能(抗拉、抗彎、抗沖擊及韌性)的增強(qiáng)效應(yīng)，鋼纖維增強(qiáng)混凝土(SFRC)在建筑、水利、交通主要用于承重結(jié)構(gòu)，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究不斷擴(kuò)大[1-3]。但SFRC也存在一些劣勢(shì)，比如鋼纖維對(duì)混凝土基體的抗壓強(qiáng)度促進(jìn)作用不明顯，甚至使該性能有所降低，對(duì)鋼纖維的抗?jié)B性、耐磨性存在升高和降低兩種觀點(diǎn)[4]，隨著纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展，鋼纖維的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。

1　SFRC的增強(qiáng)機(jī)理

將隨機(jī)分布的鋼纖維作為增強(qiáng)材料摻入以水泥、粗細(xì)集料或混凝土本身的基材中，即形成了SFRC，也可以認(rèn)為是由水泥、集料以及鋼纖維的界面或者混凝土基體與鋼纖維的界面組成。SFRC的增強(qiáng)機(jī)理理論主要存在以下三種理論：

(1)混合定律：該定律將SFRC中的鋼纖維和混凝土基體視為不同的兩相，SFRC的各項(xiàng)性能是這兩相的加權(quán)。該定律假設(shè)鋼纖維在基體中呈現(xiàn)連續(xù)均勻平行排列的特點(diǎn)，且與混凝土基體承受的載荷方向一致。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，摻入混凝土基體中的鋼纖維多數(shù)呈不連續(xù)亂向分布的特征，在計(jì)算混凝土強(qiáng)度時(shí)，需考慮鋼纖維的分布方向、長(zhǎng)度已經(jīng)其與混凝土基體界面粘結(jié)性等因素[5-6]。

(2)纖維間距理論：1963年Romualdi J P、Batson J B和Amamde J[7-9]在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上提出了該理論。該理論認(rèn)為將鋼纖維加入混凝土這一脆性基體中，可以提高基體的抗拉強(qiáng)度，裂縫源的尺度縮小、數(shù)量減少可以使裂縫尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)減弱，在SFRC形成和服役過(guò)程中，混凝土基體受力前后組織裂縫引發(fā)和擴(kuò)展的能力提高，從而達(dá)到鋼纖維對(duì)混凝土增強(qiáng)、增韌的目的，其增強(qiáng)效果與纖維間距有關(guān)。然而，纖維間距理論實(shí)質(zhì)是經(jīng)驗(yàn)型的鋼纖維增強(qiáng)基體強(qiáng)度的理論，存在一定的局限性，它只考慮鋼纖維之間間距對(duì)增強(qiáng)效果的影響，忽略了實(shí)際中不連續(xù)、非均勻分布、不同長(zhǎng)度的鋼纖維的復(fù)合效應(yīng)對(duì)增強(qiáng)效果的影響。

(3)界面應(yīng)力傳遞的剪滯理論：1952年，Cox H L[10]率先提出剪滯理論的概念，認(rèn)為鋼纖維與混凝土基體之間是理想粘結(jié)，鋼纖維受到的軸向應(yīng)力由其界面上的剪應(yīng)力來(lái)平衡。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，混凝土基體與鋼纖維界面之間會(huì)不是理想粘結(jié)存在相對(duì)滑動(dòng)，為此，Chua P S和Piggott M R[11]對(duì)Cox H L的剪滯模型進(jìn)行了改進(jìn)，將界面分為彈性粘結(jié)區(qū)和界面滑移區(qū)兩部分。隨后，Tripathi D等人[12]通過(guò)分析更加真實(shí)的SFRC界面應(yīng)力分布，將界面分為彈性粘結(jié)區(qū)、塑性粘結(jié)區(qū)和脫粘滑移區(qū)。

2　SFRC的力學(xué)性能

基于目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破和設(shè)備儀器的更新，可以完成SFRC在各種條件下的靜力加載實(shí)驗(yàn)[6，13]。相關(guān)研究者發(fā)現(xiàn)SFRC在動(dòng)態(tài)荷載下的力學(xué)行為與靜態(tài)下差異很大，并通過(guò)一系列動(dòng)態(tài)荷載實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)模型。

(1)動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能：嚴(yán)少華等[14]利用Φ74mm的分離式Hopkinson壓桿(SHPB)裝置對(duì)高強(qiáng)SFRC進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈線性增長(zhǎng)。巫緒濤[15]利用Φ100mm的SHPB裝置，發(fā)現(xiàn)C60、C80和C100三種SFRC在應(yīng)變率為64/s～86/s時(shí)，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度是靜態(tài)時(shí)的1.5～2.5倍。Lok T S[16]采用SHPB裝置對(duì)SFRC進(jìn)行了沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變與強(qiáng)度的關(guān)系，與靜態(tài)強(qiáng)度相比，動(dòng)態(tài)荷載作用下，除了強(qiáng)度提高，其變形性能也存在差異。劉永勝[17]開(kāi)展了超短SFRC動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和裂后韌性增強(qiáng)效應(yīng)明顯，且在低應(yīng)變率和高應(yīng)變率范疇都存在應(yīng)變率效應(yīng)，高應(yīng)變率時(shí)應(yīng)變效應(yīng)更明顯。

(2)動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型：由于本構(gòu)理論和分析方法的不同，SFRC的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型主要有三點(diǎn)：基于粘彈性理論的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型；基于粘塑性理論的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型；基于損傷理論的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。劉永勝[17]根據(jù)SFRC實(shí)驗(yàn)得到了應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，提出了包含鋼纖維增強(qiáng)效應(yīng)和應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)在內(nèi)的含損傷本構(gòu)模型。

3　SFRC的腐蝕防護(hù)

SFRC作為一種很好的承重材料廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在不同環(huán)境下服役過(guò)程中，人們對(duì)它關(guān)注的性能側(cè)重點(diǎn)不同，其在海水腐蝕下的工作性能直接關(guān)系到SFRC在海洋環(huán)境工程應(yīng)用的安全性。目前，主要側(cè)重鋼纖維在腐蝕環(huán)境下腐蝕行為的觀察，暫未涉及腐蝕機(jī)理的研究，基于SFRC實(shí)際服役情況，研究海水對(duì)鋼纖維混凝土的承載力及變形性能的影響機(jī)理意義重大。

(1)腐蝕行為：SFRC的耐蝕性優(yōu)于鋼筋混凝土[18-20]，但當(dāng)其長(zhǎng)期在海洋環(huán)境下服役時(shí)，鋼纖維會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，并隨著時(shí)間的增加而加劇，導(dǎo)致力學(xué)性能降低[21-23]，如果混凝土基體已經(jīng)發(fā)生開(kāi)裂，存在明顯裂縫，將會(huì)加速鋼纖維的腐蝕，從而導(dǎo)致混凝土基體承載能力和韌性降低。Mangat P S等[20，24]研究發(fā)現(xiàn)，SFRC預(yù)制裂縫寬度大于0.2mm臨界值后，腐蝕程度隨裂縫寬度增加而加劇，0.2mm之前，鋼纖維銹蝕甚微，對(duì)構(gòu)件性能幾乎無(wú)影響，但當(dāng)裂縫寬度達(dá)2mm時(shí)，腐蝕嚴(yán)重。

(2)防護(hù)措施：SFRC的腐蝕防護(hù)措施應(yīng)基于對(duì)其腐蝕機(jī)理的研究，其關(guān)鍵是防止混凝土基體碳化并抑制Cl-對(duì)鋼纖維的腐蝕，目前常用的SFRC腐蝕防護(hù)措施有主要有：加入阻銹劑法，包括陽(yáng)極型鋼材阻銹劑和陰極型鋼材阻銹劑；陰極防腐法；采用防腐性較好的材料制成鋼纖維；提高混凝土基體的密實(shí)度[25]。

4　SFRC的數(shù)值研究

SFRC的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)實(shí)際工程的分析和設(shè)計(jì)具有重要意義，根據(jù)鋼纖維的特征尺寸和研究方法，其數(shù)值模擬可分為三個(gè)層次的研究[26-27]，宏觀層次：將鋼纖維混凝土看作各項(xiàng)同性的均質(zhì)材料，從而在平均意義上獲得材料力學(xué)性能參數(shù)，預(yù)測(cè)混凝土基體在不同荷載的響應(yīng)，該層次的研究無(wú)法揭示混凝土內(nèi)部的變形以及內(nèi)在的破壞機(jī)制；細(xì)觀層次：建立SFRC中粗骨料、水泥漿以及二者粘結(jié)層單元的模型，賦予其不同的材料屬性，運(yùn)用相應(yīng)的考慮損傷的本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則模擬混凝土材料實(shí)際的裂縫形成和擴(kuò)展，最終反映混凝土損傷演變過(guò)程；微觀層次：在特征長(zhǎng)度在微米級(jí)別的尺度下，以具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的硬化水泥漿體為主要研究對(duì)象，模擬分析內(nèi)部形成的初始微裂紋對(duì)整個(gè)材料構(gòu)件整體力學(xué)性能的影響。

5　鋼混雜纖維混凝土

目前與鋼纖維進(jìn)行混雜的纖維主要以聚丙烯纖維為主，對(duì)于鋼-聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)混凝土的研究尚處于起步階段，且主要集中在其力學(xué)性能方面，主要包括強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能、疲勞性能等。

鋼-聚丙烯纖維混雜可以提高素混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能[28-32]，尤其對(duì)于韌性和抗裂性能[33]，對(duì)于鋼-聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究已從材料性能研究逐漸向結(jié)構(gòu)性能研究發(fā)展，但是對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗震性能還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，還沒(méi)有形成公認(rèn)的鋼-聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)混凝土本構(gòu)關(guān)系。

6　結(jié)語(yǔ)

SFRC的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，可為工程實(shí)踐提高可靠的技術(shù)指導(dǎo)。目前對(duì)SFRC研究大部分集中在其力學(xué)行為，對(duì)SFRC在各種條件下的靜力加載、動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)一系列動(dòng)態(tài)荷載實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)模型。對(duì)SFRC的腐蝕防護(hù)研究，未涉及到相關(guān)腐蝕機(jī)理分析，主要側(cè)重對(duì)腐蝕行為的觀察，只有從微觀結(jié)構(gòu)著手，分析鋼纖維腐蝕機(jī)理，才能采取有效措施對(duì)其進(jìn)行腐蝕防護(hù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SFRC的數(shù)值模擬技術(shù)建立更加貼近實(shí)際情況的細(xì)觀數(shù)值模型，研究相關(guān)力學(xué)性能，逐步實(shí)現(xiàn)了宏觀與細(xì)觀的結(jié)合。隨著單一鋼纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展，鋼混雜纖維其他纖維增強(qiáng)混凝土的越來(lái)越受到重視，然而，對(duì)鋼混雜纖維增強(qiáng)混凝土的研究尚處于初步階段，需在增強(qiáng)機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系以及耐久性研究等方面深入進(jìn)行，從而為鋼混雜纖維增強(qiáng)混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論與技術(shù)支持。

[1] 章文剛，程鐵生，張儒汴.鋼纖維混凝土的主要力學(xué)性能及工藝[J].混凝土與加筋混凝土，1984，14(4)：1-8.

[2] Otter D E，Naman A E. Properties of steel fiber reinforced concrete under cyclic loading[J]. ACI Materials Journal，1998，95(6)：740-746.

[3] 陳秀云，王嘉惠，費(fèi)建剛，等.鋼纖維混凝土溝蓋板承載能力試驗(yàn)研究[J]. 煤炭工程，2009(5)：97-99.

[4] 梅國(guó)棟，李繼祥，劉肖凡.混雜纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理研究綜述[J]. 建材世界，2009，30(3)：10-14.

[5] 祝云華.鋼纖維噴射混凝土力學(xué)特性及其在隧道單層襯砌中的應(yīng)用研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[6] 劉永勝. 負(fù)溫下鋼纖維混凝土的力學(xué)性能研究及其路面應(yīng)用[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2003.

[7] Romualdi J P，Baston G B. Meehanies of crack arrest in concrete，Proc. ASCE，VOI. 89，EM3，June 1963：147-169.

[8] Romualdi J P. Proc. Int. Conf. The structure of conerete. Brooks A.E. and K.Nemwna (eds)，London，1968：190-250.

[9] Romuadi J P，AMnadel J. Tensile strength of conerete Affected by uniformly distributed and closely spaced short length of wire reinforcement[J]. ACI Joumal，Proceeding. June 1964，6：567-670.

[10] Cox H L. The elasticity and strength of paper and other fibrous materials[J]. J. Appl. Phys.，1952：3-13.

[11] Chua P S，Piggott M R. The glass fiber polymer interface l：theoretical consideration of single fiber pullout tests[J]. Composites Sci. and Tech.，1985，22：33-42.

[12] Tripathi D，Jones F R. Measurement of the load-bearing capability of the fiber/matrix interface by single fiber fragmentation[J]. Composites Sci. and Tech.，1997，57(8)：925-934.

[13] 過(guò)鎮(zhèn)海.混凝土的強(qiáng)度和變形：試驗(yàn)基礎(chǔ)和本構(gòu)關(guān)系[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[14] 嚴(yán)少華，李志成，王明洋，等.高強(qiáng)鋼纖維混凝土沖擊壓縮特性試驗(yàn)研究[J].爆炸與沖擊，2002，22(3)：238-242.

[15] 巫緒濤.鋼纖維高強(qiáng)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[16] Lok T S，Asce M，Zhao J. Impact response of steel fiber-reinforced concrete using a split hopkinson pressure bar[J]. Jounral of Material in Civil Engineering，2004，16(1)：54-59.

[17] 劉永勝，王肖鈞，金挺，等.鋼纖維混凝土力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37(7)：717-723.

[18] Balouch S U，F(xiàn)orth J P. Granju J L. Surface corrosion of steel fibre reinforced concrete [J]. Cement and Concrete Research，2010，40(3)：410-414.

[19] Zhang J，Li V C. Simulation of crack propagation in fiber-reinforced concrete by fracture mechanics[J]. Cement and Concrete Research，2004，34(2)：333-339.

[20] Mangat P S，Gurusamy K. Permissible crack widths in steel fibre reinforced marine concrete[J]. Materials and structures，1987，20(5)：338-347.

[21] Mangat P S，Gurusamy K. Chloride diffusion in steel fibre reinforced marine concrete[J]. Cement and Concrete Research，1987，17(3)：385-396.

[22] 李建輝，鄧宗才.粗合成纖維混凝土抗氯離子腐蝕性試驗(yàn)研究[C].第十一屆全國(guó)纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

[23] 王海超，郭玉軍，趙甜甜. 鋼纖維混凝土腐蝕前后的彎曲韌性研究[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26(5)：30-35.

[24] Granju J L，Balouch S U. Corrosion of steel fibre reinforced concrete from the cracks[J]. Cement and Concrete Research，2005，35(3)：572-577.

[25] 孫敏.鋼纖維增強(qiáng)混凝土的腐蝕及防護(hù)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.

[26] 王寶庭.基于剛體-彈簧元法的全級(jí)配混凝土本構(gòu)行為模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，1997.[27] 盧海林，孫成訪，彭少民.鋼纖維混凝土的數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版，2005，22(3)：21-24.

[28] Qian C X，Stroeven P. Development of hybrid polypropylene-steel fibre-reinforced concrete[J]. Cement and Concrete Research，2000，30(1)：63-69.

[29] Qian C X，Stroeven P. Fracture properties of concrete reinforced with steel-polypropylene hybrid fibres[J]. Cement and Concrete Composites，2000，22(5)：343-351.

[30] 梅國(guó)棟.混雜纖維混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢工業(yè)學(xué)院，2010.

[31] 王凱，張義順，王信剛.低摻量S-P混雜纖維增強(qiáng)增韌的作用研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，5(10)：1209-1211.

[32] Sorelli L G，Meda A，Plizzari G A. Bending and uniaxial tensile tests on concrete reinforced with hybrid steel fibers[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2005，17(5)：519-527.

[33] 王艷，趙凱月，宋戰(zhàn)平，等.鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào)，2015，(07)：1885-1890.

Recent Progress of Steel Fibre Reinforced Concrete

LI Na1，F(xiàn)ENG Qi2，LI Jian3

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 Dalian Institute of Technology，Modern Engineering Detection Co. LTD，Dalian 116024，Liaoning，China；3 Alnan Aluminum Inc.，Nanning 530031，Guangxi，China)

Steel fiber reinforced concrete (SFRC) has broad application in architecture，transportation and irrigation works due to its more excellent bearing capacity. In recent years，the research of SFRC mainly focused on strengthening mechanism，mechanics behavior，corrosion resistance and numerical simulation. Brittle failure can be effectively prevented because of the better mechanical properties of SFRC. The research of SFRC primary focuses on the corrosion behavior and not related to the corrosion mechanism. The numerical simulation of SFRC is close to the reality and has gradually realized the macroscopic and microscopic combination. However，the research of steel hybrid fiber reinforced concrete is still at a preliminary stage and need deeply study on enhancement mechanism，constitutive relation and durability research. Thus，the applications of steel hybrid fiber reinforced concrete can be supported in theory and technology. The study and progress of SFRC at present were summed up，and the trends of SFRC were predicted.

steel fibre reinforced concrete，strengthening mechanism，mechanics behavior，corrosion resistance，numerical simulation，hybrid fiber

陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)課題(G2015-01)

TU 528.572