钢纤维混凝土研究与应用

钢纤维混凝土研究与应用

田世清

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摘要：相较于普通混凝土材料，钢纤维混凝土更具优势，如性能良好、应用范围广。同时钢纤维可以减少混凝土的裂缝情况，不论是在抗剪强度还是抗拉性能等方面，都远优于普通混凝土，在抗冲击能力、耐久性能上也不断改善。近些年，我国和其他国家的学者对钢纤维混凝土的结构、力学性能等进行了大量研究，这一新型复合材料也广泛应用到了建筑工程、桥梁工程等领域。

关键词：钢纤维混凝土；复合材料；应用现状；研究

引言：随着各类工程的发展，混凝土成为应用最为广泛的施工材料，不同于其他类型材料，混凝土材料的来源较广、施工工艺简单、具有较强的适应性，而且有利于施工人员的操作。不过，混凝土材料也存在一些弊端，如收缩和脆性较大，容易开裂且断裂韧性低，这也极大程度地制约了混凝土材料的发展与使用。如今，水泥与材料抗压强度要求不断升高，怎样提高混凝土的抗裂性、抗冲击与延性等性能，成为业界最为关注的问题。

1、钢纤维混凝土分析

相较于普通混凝土材料，钢纤维混凝土在其基础上添加了适量的短钢纤维。随着各工程行业的发展，钢纤维混凝土因性能佳、应用范围广，所以具有极佳的应用前景。钢纤维的材质是短纤维，其涉及很多种类，如熔抽型、切断型等。通过将钢纤维掺入普通混凝土拌合物中，可以起到防裂的作用，混凝土内部的裂缝情况能得到改善，其材料的抗剪强度与各种性能也能提高。

2、钢纤维混凝土的性能及强度

相较于普通混凝土材料，钢纤维混凝土的工作性能、强度等更具优势。在钢纤维混凝土中，其纤维体积率达到2%左右，抗拉强度、抗弯强度大幅提升，通常比普通混凝土高出45%、67%以上。相较于抗拉强度与抗弯强度，抗压强度的增幅相对较小，基本在24%内，但其抗压韧性得到了很大程度的提高。

2.1抗拉强度

普通混凝土的脆性大，实际应用时很可能发生脆性破坏，且无征兆性。而且普通混凝土的弹性模量偏低，应用期间容易扩大裂纹，如果大量使用普通混凝土材料，也会对周边的环境造成影响。因混凝土裂缝的出现会使其耐久性大幅降低，所以将钢纤维加入混凝土中可以提高其抗拉强度，还能保证混凝土的延展性。

2.2抗弯强度

对于钢纤维混凝土而言，如果其钢纤维含量不断增多，混凝土的抗弯强度、抗拉强度也会增强。同时钢纤维混凝土的工作力学性能还易受到纤维长径比的影响，但因此类混凝土材料的性能特殊，其增强程度无法随纤维含量的增加进行大幅度提升，所以在钢纤维混凝土混合物中，钢纤维达到一定数量后如果存在搅拌不均匀或者振捣困难等问题，在很大程度上会对混凝土的抗弯强度、抗拉强度造成影响，其力学性能也会大幅度降低而无法满足实际使用需求。

2.3抗裂性能

在钢筋混凝土结构设计中，断裂能、特征长度等都是十分重要的断裂准则参数。其中，断裂能可在混凝土27-29龄期测得，通过构建单位面积裂纹表面，可以结合表面的载荷—位移曲线测量并计算需要的能量[1] 。和普通混凝土不一样，钢纤维混凝土在掺入钢纤维原材料后，可以增长多倍断裂能。并且基于特征长度可以了解混凝土的脆性情况，也会受到结构和材料的影响。一般而言，钢纤维混凝土的特征长度以及断裂能是正比关系，合理增加钢纤维含量可以提高混凝土材料的韧性，也能推动其延展性的发展。

3、钢纤维混凝土的增强机理研究

3.1复合力学理论

基于复合力学理论，钢纤维增强混凝土是一种纤维强化体系，结合混合原理综合分析，可以进一步明确钢纤维混凝土的应力和强度等。期间，借助纤维方向系数深入推导，还要考量拉伸应力方向的有效纤维体积率的比例。

3.2纤维间距理论

该理论主要是指线弹性断裂力学原理强调的钢纤维对裂缝产生与扩展所起到的约束作用[2]。在此理论中，若想提高混凝土自身的抗拉强度，需要减小其内部缺陷尺寸，还要降低裂缝尖端的应力场强度因子。针对混凝土这一脆性材料，混凝土内部的水泥浆—细骨料界面区等存在薄弱之处，虽然其组分材料均有较佳的抗拉强度，但混凝土很容易出现断裂破坏，整体抗拉强度相对较低。而随着钢纤维的加入，其可跨越裂缝两端，在钢纤维和裂缝两端混凝土的粘结应力的作用下，可以有效限制混凝土裂缝的扩展。

4、钢纤维混凝土的应用现状

4.1混凝土抗压强度的提高程度低

和钢管混凝土不同，钢纤维没有约束作用，如果结构轴压被破坏，很容易提高抗压承载力。不过钢纤维具有一定的阻裂作用，正因如此，在混凝土发生裂缝后，加入适量的钢纤维可以防止结构变形。

4.2配合比设计相对复杂

在钢纤维混凝土配合比设计的过程中，不仅要合理控制各原材料的成分及比例，还应尽可能满足设计抗折强度以及施工的和易性要求。通常伴随钢纤维含量的增多，其抗折强度不断加大，但混凝土的和易性不断降低，所以应合理增强其含砂率[3]。同时，配合比设计容易受到很多因素的影响，其中包括水灰比、钢纤维掺入量等，基于国家颁布的《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》等内容，再进行试配对比实验，可以确定C40钢纤维混凝土的配合比是水泥：碎石：砂：水：钢纤维=1：2.3：1.9：0.4：0.2，具体配合比如下表所示。

表1 钢纤维混凝土的配合比

5、钢纤维混凝土的实践应用

5.1在水利工程中的应用

水利工程施工中，为达到工程要求，很多施工单位加大了对钢纤维混凝土的应用力度，通常此类混凝土材料被应用到水流作用强且受力相对复杂的工程位置，如水利工程的输水管道子工程或者支护子工程等。同时，钢纤维混凝土还是工程内部腐蚀环境下的构件以及应力复杂部位的主要材料。因为这一材料的抗渗性良好，且能耐腐蚀，所以可以更好保护钢筋构件不被水流侵蚀，正因如此，钢纤维混凝土的应用前景极佳。

5.2在道路与桥梁工程中的应用

钢纤维混凝土材料也常被用于道路与桥梁工程施工中，如在路面、桥梁以及补修工程中的应用。对比普通混凝土材料，钢纤维混凝土材料的抗疲劳性更佳，且其韧性强，不但能减小面层厚度，还能增加伸缩缝的间距，从整体角度看，钢纤维混凝土的使用性能较高，而且维修成本低，所以可以更好延长工程项目的使用寿命，其工程效益也能最大程度的提升。

5.3在建筑工程中的应用

散乱分布下的钢纤维，不论在哪一方向都有良好的阻裂作用，其不仅能提高混凝土强度，还能增强其韧性。如在建筑厂房以及梁柱节点等位置的使用，可以提高建筑屋面的延性与抗裂性，这是纤维混凝土具备的一大优势，也是其广阔应用前景的一种保障。通常情况下，借助钢纤维混凝土进行建筑工程施工，其抗剪强度、抗弯强度以及抗扭强度都能得到大幅提高。如某一制造工业厂房便是使用钢纤维混凝土材料，其防水屋面在经1年多雨雪侵袭后，没有出现漏雨、裂痕等问题，而且投入使用后的一年半时间里很少需要维修，其使用寿命较长，经济效益也良好。

结束语：

总而言之，随着各类工程的施工与发展，人们对其材料性能有了更高的要求，因为钢纤维混凝土具备很多优势，所以在建筑工程、水利工程以及道路和桥梁等工程中都得到了广泛的应用。尽管当下钢纤维混凝土的生产成本相对较高，但其具备的良好性能也使得钢纤维混凝土的应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]黄卫林. 钢纤维混凝土研究与应用[J]. 广东建材,2020,36(6):75-78.

[2] 李九阳,罗靖炜,范辛美,等. 钢纤维混凝土研究热点与前沿趋势的可视化分析[J]. 辽宁师专学报（自然科学版）,2023,25(2):55-63.

[3] 刘亮,张澳,黄祎晨,等. 国内外废旧轮胎钢纤维混凝土研究进展[J]. 节能,2023,42(6):86-89.