鋼纖維對高性能混凝土材料的影響

劉建猛

摘要：鋼纖維是一種新、高性能的鋼纖維品種，目前鋼纖維主要用于制造鋼纖維混凝土，任何方法生產的鋼纖維都能起到強化混凝土的作用。本文就鋼纖維對高性能混凝土材料的影響作出研究，以供同仁參考。

關鍵詞：鋼纖維；高性能混凝土材料；影響

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

鋼纖維混凝土是一種新型的多相復合材料，它在工程領域特別是建筑領域里得到廣泛的應用。 鋼纖維對高性能混凝土的工作性、劈裂抗拉強度和以及心抗拉強度等都有影響。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。

一、鋼纖維的主要性能

1、鋼纖維的高強硬度

無論哪一種加工方法制造的鋼纖維，在加工過程中都遇到高熱和急劇冷卻，相當于淬火狀態。因此鋼纖維的表面硬度都較高。用于混凝土補強進行攪拌時很少發生彎曲現象。如果鋼纖維過硬過脆，攪拌時也易折斷，影響增強效果。

2、變性處理改善力學性能

鋼纖維按其制造方式分為切斷鋼纖維、剪切鋼纖維、切削鋼纖維和熔抽鋼纖維四種。鋼纖維抗拉強度高,但與水泥沙漿的界面粘結性較差。對鋼纖維外表進行變形處置,制成外表有刻痕的末端帶鉤的波紋形的鋼纖維,或者圓截面與扁平截面交替的呈規律性變化的鋼纖維可以改善其力學性能。

3、耐腐蝕性

關于鋼纖維混凝土耐腐蝕試驗的介紹可知，開裂的鋼纖維混凝土構件在潮濕的環境中，裂縫處的混凝土碳化，碳化區的鋼纖維銹蝕，碳化深度和銹蝕程度隨時間增長而發展，對鋼纖維混凝土來說，主要是利用裂后弧度和裂后韌性，雖然裂縫寬度比鋼筋混凝土小，但是終究是有裂縫的，故此應對在潮濕環境中，特別是在海濱使用的鋼纖維混凝土采取防防銹蝕措施. 試臉證明，在保證鋼纖維混凝土構件具有同等承載能力的前提下，采用直徑較大的鋼纖維，能提高耐腐蝕性， 采用涂復環氧樹脂或鍍鋅的鋼纖維，將能提高耐腐蝕性，如果施工工藝許可的話，可只在混凝土表層1-2cm采用這種鋼纖維，必要時也可以采用不誘鋼纖維。

4、鋼纖維能夠增強機理

鋼纖維混凝土增強機理的研究在理論上有兩種定義：一是復合力學理論，二是纖維間距理論。從不同角度出發，兩種理論分別解釋了鋼纖維的增強作用，其最終結果是相同的。

①鋼纖維的復合力學理論

在復合力學理論中，鋼纖維混凝土被看成是一種纖維強化作用體系。鋼纖維混凝土的應力、彈性模量和強度是根據混合原理推算而出的。根據纖維在鋼纖維基體中的分布與取向引入纖維方向系數，正確選擇纖維方向系數是取決纖維增強效果的主要因素之一。

②鋼纖維的纖維間距理論

在鋼纖維間距理論中，是根據線彈性斷裂力學原理來解釋鋼纖維對混凝土裂縫的產生或抑制的作用?；炷潦且环N脆性材料，要想增強其抗拉強度，而多方向加入鋼纖維后，使鋼纖維與混凝土裂縫兩邊之間的粘應力對裂縫混凝土的擴展有抑制作用。

二、鋼纖維對高強混凝土彎曲性能的影響

纖維高強混凝土是纖維與高強混凝土的有機結合,它合理利用了兩種材料各自的特點,是一種較為理想的高性能混凝土。隨著新型結構形式及特殊環境對混凝土材料提出的更高要求,纖維高強混凝土被逐漸應用于實際工程。

當鋼纖維混凝土強度一致時，它的極限強度和抗彎強度大小與纖維體積的變化有關， 一 般來說，彎曲荷載和撓度曲線隨著鋼纖維的體積分數的的大小而發生變化，而達到峰值荷載的 變形能力也在陸續增加，在荷載-撓度曲線的下降段由陡直漸趨平緩而能夠繼續承受較大的荷 載時，即呈現出大的持荷變形的能力，那么，鋼纖維混凝土產生的破壞形態由脆性破壞轉為韌性破壞。

三、鋼纖維對高強混凝土強度的影響

為使鋼纖維混凝土具有良好的力學性能，要求鋼纖維具有一定的抗拉強度。改進和優化鋼纖維的外形對提高鋼纖維對混凝土的增強效應具有十分明顯的作用。為了從根本上改善混凝土這種優良建筑材料在阻裂和延性等方面的先天不足，在混凝土中摻入亂向分布,彈 性模量較高的短細鋼纖維是改善混凝土性能的有效措施。 鋼纖維高強混凝土是在高強混凝土基體中摻入適量鋼纖維和外加劑所形成的一種混凝土復合材料，它兼具高強混凝土的高強度和普通鋼纖維混凝土的延性和韌性好的特征。

鋼纖維的摻入改變了高強混凝土的破壞形態,使脆性材料表現出延性性能，擴大了混凝土的應用范圍。鋼纖維對高強混凝土的力學性能的改善存在一個最佳摻量范圍，鋼纖維體積率為2.0%時，對鋼纖維高強混凝土的增強效果最顯著。隨著混凝土強度等級的提高,高強混凝土和鋼纖維高強混凝土的抗拉強度均有提高。

四、鋼纖維對高強混凝土抗剪韌性的影響

1、鋼纖維自密實高性能混凝土

鋼纖維自密實高性能混凝土是具有高工作度和高韌性的結構材料。鋼纖維對鋼筋鋼纖維自密實混凝土梁的剪切初裂荷載、裂縫寬度擴展、剪切破壞形態、箍筋應變、荷載-撓度曲線、極限承載能力和抗剪韌性都有影響。鋼纖維可改善混凝土基體的抗剪強度,顯著提高基體的剪切韌性；隨著纖維摻量增加,鋼纖維對自密實高性能混凝土的增強增韌效果也相應增加。

2、鋼纖維對高強混凝土抗剪韌性的影響

抗剪強度和剪切韌性是梁、板、柱等構件受力分析的重要參數。當鋼纖維摻量增加時,通過微調高效減水劑用量可以得到滿足工作度要求的鋼纖維自密實高性能混凝土。

由于鋼纖維自身的特性，對鋼纖維混凝土有著一定的抗剪強度。鋼纖維的自身特性主要包括鋼纖維的類型、形狀、長徑比以及自身強度等等。

在鋼纖維抗剪破壞的過程中，鋼纖維會對混凝土的抗剪強度有明顯的影響，因此截面剛度和等效直徑對鋼纖維高強混凝土抗剪強度的影響變得更加顯著。鋼纖維的截面剛度和自身強度都比較高，另外銑削型纖維與基體的粘結非常牢固。再加上該纖維的兩端有彎鉤，都使銑削型鋼纖維能大大提高混凝土的抗剪強度。

對鋼纖維混凝土抗剪強度的影響主要取決于鋼纖維的橫斷面性質。還包括鋼纖維的其他自身性質，如鋼纖維的自身長度或兩端的變形、纖維自身強度、纖維表面的粗糙程度的變化也會 引起鋼纖維混凝土的抗剪強度的變化。隨著鋼纖維體積摻率的增加，鋼纖維混凝土的抗剪強度 逐步增高。但在混凝土基體強度較高時，提高鋼纖維摻量對鋼纖維高強混凝土抗剪強度的改善作用反而減弱。

結束語

在復合材料中，鋼纖維增強混凝土是近年來迅速發展的一種新興的建筑材料，在建筑業發展歷史上它是一個必然的科學研究成果。目前在工程領域特別是建筑領域里得到廣泛的應用。

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