鋼纖維混凝土力學(xué)性能影響因素的分析

崔小敬　許紹超

1 引言

目前，混凝土結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。混凝土具有材料來源方便等優(yōu)點。但是，隨著社會不斷高速發(fā)展，人們的物質(zhì)文化需求日益增長，社會資源日趨緊張?；炷量估瓘姸鹊?，自重大、消耗資源多等缺點已經(jīng)越來越突出，在一些多高層，大跨度結(jié)構(gòu)中，普通混凝土結(jié)構(gòu)由于其自身缺陷，已經(jīng)不再適用。因此，對鋼纖維混凝土的研究就顯得尤為必要。鋼纖維混凝土具有良好的抗彎、抗裂性能，具有良好的韌性。已經(jīng)越來越廣泛的被應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。本文對鋼纖維混凝土的受力性能做出分析。

2 鋼纖維混凝土增強機理

普通混凝土結(jié)構(gòu)的破壞往往是裂縫擴展的結(jié)果。在使用過程中，當(dāng)所承受的荷載較大時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受拉區(qū)產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)進(jìn)入帶裂縫工作階段，若荷載增大，裂縫寬度不斷加大，裂縫進(jìn)一步向上開展，混凝土受壓區(qū)高度減小，壓應(yīng)力和壓應(yīng)變迅速增大，當(dāng)受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變時，受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件失效，從而使結(jié)構(gòu)失去繼續(xù)承載的能力。

鋼纖維混凝土的增強機理，便是針對普通混凝土的破壞形式，進(jìn)行加強。目前有纖維間距理論和復(fù)合材料力學(xué)理論兩種。鋼纖維混凝土是在混凝土中加入少量亂向分布的鋼纖維，是一種復(fù)合材料。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)混合率法則，復(fù)合材料的強度和彈性模量等性能符合復(fù)合體內(nèi)各組分性能的疊加原理。因此，鋼纖維混凝土受荷時，由混凝土與鋼纖維共同承受荷載，受力性能為二者的疊加。并且鋼纖維具有良好的抗拉性能，一般能夠滿足其受力要求?；炷翗?gòu)件由于在澆筑混凝土?xí)r振搗不密實，不可避免的會產(chǎn)生內(nèi)部微裂縫。外力作用下，在混凝土內(nèi)部的微裂縫、孔隙和缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。為了改善這一現(xiàn)象，在混凝土基體中摻入亂向分布的短鋼纖維后，當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋、孔隙時，摻入的鋼纖維可以有效地阻止內(nèi)部的微裂縫的擴展，在微觀裂縫合并成宏觀裂縫以后，鋼纖維又起到約束裂縫發(fā)展，增加韌性和延性的作用。從而避免了與普通混凝土相同的破壞狀況，因此能夠承受更大的荷載。而且，在荷載過大時，混凝土產(chǎn)生宏觀裂縫后，帶裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)由于開裂區(qū)混凝土退出工作，主要由內(nèi)部的鋼纖維共同承受荷載，鋼纖維成為主要的受力體，而鋼纖維具有較好的性能，能夠滿足混凝土的受力要求?；谏鲜?，摻入鋼纖維后，混凝土的物理和力學(xué)性能都有了很大的提升。

3 影響因素

影響鋼纖維混凝土力學(xué)性能的因素，主要鋼纖維的摻量，鋼纖維的形狀，以及溫度等。

1.鋼纖維的摻量

試驗表明，不摻鋼纖維和鋼纖維含量為15kg/m3、30kg/m3、50kg/m3四種混凝土試件，其軸心抗壓強度24.1MPa、28.3MPa、29.7MPa、30.2MPa，抗彎強度為3.32MPa、3.40MPa、4.07MPa、6.21MPa。由此可見，混凝土中提高鋼纖維的含量，可以明顯提高抗壓強度，抗彎強度等力學(xué)性能。

2.鋼纖維的形狀

常見的變形短纖維有端部彎折型、端部扁平型和波浪型等。幾何形狀復(fù)雜的變形纖維在混凝土開裂被拔出的過程中能夠提供良好的錨固。當(dāng)纖維體積摻率在1.0%-3.0%時，波浪型纖維混凝土的抗壓強度比端部扁平型和端部彎折型纖維混凝土高約10-14MPa，但其抗彎強度、斷裂能和韌性最低。當(dāng)纖維體積摻率為1%-2.5%時，端部扁平型纖維混凝土的抗彎強度、斷裂能和彎曲韌度軍高于端部彎折型和波浪型混凝土。當(dāng)纖維體積摻率為2.0%時，端部扁平型纖維混凝土的施工性能和力學(xué)性能達(dá)到最佳。

3.溫度

鋼纖維具有良好的熱傳導(dǎo)性能，而且在混凝土中呈三維亂向分布且互相搭接，可使混凝土在高溫下更快地達(dá)到與內(nèi)部溫度的均勻一致，從而減少溫度應(yīng)力的產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，減少內(nèi)部損傷，并可抑制由于快速的溫度變化產(chǎn)生的混凝土的體積變化，從而減少材料內(nèi)部微缺陷的產(chǎn)生與發(fā)展，減緩了材質(zhì)的劣化。從而提高了混凝土的強度。但當(dāng)溫度達(dá)到一定程度，水泥凝膠體逐漸解體，與鋼纖維之間的粘結(jié)力逐漸喪失，使鋼纖維的增強作用急劇減小，表現(xiàn)為鋼纖維混凝土強度的顯著降低。具體表現(xiàn)為，鋼纖維混凝土的抗拉強度、抗壓強度和抗折強度均隨溫度的升高有所下降，抗拉強度的降幅較大。并且在400℃以內(nèi)，強度損失相對較小，超過400℃以后，各強度指標(biāo)都明顯降低。

4 結(jié)論

鋼纖維混凝土有著卓越的力學(xué)性能，主要受鋼纖維的摻量、形狀及溫度的影響，所以在使用鋼纖維混凝土?xí)r，應(yīng)在其影響因素范圍內(nèi)使用，以最大限度地發(fā)揮其性能。

參考文獻(xiàn)

[1]楊松霖、刁波，《超高性能鋼纖維混凝土力學(xué)性能》

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，武漢理工大學(xué)出版社

[3]趙軍、高丹盈、王邦，《高溫后鋼纖維高強混凝土力學(xué)性能研究》