机理纤维混凝土增强机理

摘要：钢纤维是一种新型的水泥基复合材料，其抗拉，抗剪，抗弯能力优于普通的混凝土。因而被广泛应用与工程中。本文从抑制原始裂缝的发展和阻止微裂缝发展两个方向对钢纤维混凝土的增强原理进行了详细的阐述，得出部分结果可为工程实践提供参考。
关键词：钢纤维混凝土；增强；微裂缝；强度
1 引言
钢纤维增强混凝土（steel fiber reinforced concrete,RC）又简称为钢纤维混凝土，是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以钢纤维为增强材料组成的一种复合材料。水泥石、砂浆和混凝土的主要缺点是抗拉强度低、极限延伸率小、性脆，掺加抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的钢纤维可以克服上述缺点。
钢纤维混凝土虽然问世时间不久，但应用领域越来越广泛。在国外钢纤维混凝土被广泛应用于公路路面、桥面、码头铺面、机场道面、刚性防水屋面、工业建筑地面、地下室刚性防水、框架节点等领域。在我国，钢纤维混凝土的研究和应用开始于20世纪70年代，近20多年，发展非常迅速。相应规范的颁布和实施进一步推动钢纤维混凝土在我国工程建设领域的应用。

2 钢纤维混凝土工作机理及影响因素

2.1 工作机理

钢纤维混凝土的工作机理与一般的复合材料机理相似。在混凝土中掺入适量的高性能钢纤维后，水泥砂浆作为主要的胶凝材料，在包裹住砂，石等骨料的同时，握裹住大量的钢纤维。钢纤维相互搭接形成大量散乱分布的网状结构，衬托了骨料，减小了骨料的离析和水分的沁出，提高了混凝土的粘结性与保水性，从某种程度上太高了混凝土的抗拉强度和韧性。试验研究表明，当钢纤维的体积率为1-2%之间时，钢纤维混凝土抗拉强度和抗弯强度较普通混凝土的强度提高了40-80%，抗剪强度提高了50%以上，但对抗压强度提高幅度不大。

2.2 影响钢纤维混凝土的因素

大量的试验研究表明，影响钢纤维混凝土强度的因素主要有以下几种：1混凝土材料强度2钢纤维材料本身性质3 钢纤维混凝土的施工方法。
混凝土材料对于钢纤维混凝土强度的影响很大。混凝土的强度越高，钢纤维混凝土的抗拉强度和抗压强度越大。钢纤维的掺入对于钢纤维混凝土的抗压强度的影响不大，因此混凝土材料的强度越高，钢纤维的混凝土的抗拉抗压能力越强。
钢纤维材料本身的影响可以分为两个部分。第一，钢纤维的体积率（钢纤维混凝土中钢纤维所占的体积百分比）；第二，钢纤维的粘结及在混凝土的取向。一般说来钢纤维混凝土发生破坏时主要是钢纤维拔出而破坏，

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并不是因为钢纤维的拉断而破坏。因此钢纤维与混凝土基材之间的粘结强度是钢纤维混凝土性能的主要因素。已有研究表明：当钢纤维的掺量达到1%-2%范围内时，抗拉强度提高约40-50%。钢纤维的材料也不宜过多，过多钢纤维提高工程造价，影响钢纤维混凝土施工。由于钢纤维对混凝土具有很好的阻裂作用，使得钢纤维混凝土具有比素混凝土更好的软化性能和抗疲劳性能。当掺有2%的钢纤维混凝土抗压疲劳寿命可以达到2*10次，应力水平可以达到0.92，但普通混凝土的应力水平只有0.56.钢纤维混凝土的施工主要分为浇筑钢纤维混凝土，喷射钢纤维混凝土和灌浆钢纤维混凝土。目前采用湿喷钢纤维混凝土应用的较为广泛。

3 钢纤维混凝土增强机理

在混凝土当中掺入钢纤维，由于钢纤维的强度远远高于混凝土的强度。因此钢纤维的掺入能够有效的抑制和延缓混凝土中微裂缝的萌发和扩展。

3.1抑制原始裂纹的发展

混凝土在浇筑之后，由于掺有水的缘故，在混凝土的内部会形成许多的毛细孔。混凝土试件的表面外露，表面的水分的散发速度远大于内部水分的蒸发速度，水会顺着毛细孔由内向外表传输，形成由内及表的失水的趋势。水表面的张拉会沿着毛细孔方向的孔壁形成拉应力。这种拉力抑制了混凝土试件的微裂缝的产生。钢纤维的掺入不但使得混凝土失水面积减小，降低毛细孔失水收缩形成表面张力降低；此外钢纤维与水泥基之间良好的吸附能力，咬合力等增加了材料抵抗开裂的抗拉强度，从而减小材料原始的微裂缝的形成。

3.2 阻止微裂缝的扩展

当微裂缝的长度大于纤维的间距的时候，纤维将跨越裂缝传递荷载，使得混凝土内的应力场更加连续和均匀，微裂缝纹尖的应力集中得以钝化，裂纹的发展受到约束。当微裂缝的长度小于纤维的间距的时候，微裂缝的发展前方将会遇到纤维的阻挠作用，迫使微裂缝改变其扩展的方向或者跨越纤维生成更多更细的微裂缝，这显著增大了微裂缝扩展的能力的消耗，阻止了微裂缝的扩散。在混凝土中掺入钢纤维，穿越原始微裂纹的的钢纤维将依靠它和混凝土基体之间界面的粘结力，在混凝土基体裂缝周围施加一个与集中应力方向相反的应力场，减小了裂纹尖端应力集中，有效阻止了微裂缝的扩展。
4 结语
钢纤维混凝土是一种具有许多优于素混凝土材料的新型的混凝土材料，其在施工和生产之中还需要进一步规范和完善。本文基于目前应用较多的复合材料定律，从不同的角度分析了钢纤维混凝土的增强机理，并从抑制原始裂缝的发展和阻止微裂缝发展两个方向对钢纤维混凝土的增强原理进行了详细的阐述。
参考文献
赵国藩, 彭少民, 黄承逵. 钢纤维混凝土结构[M]. 北京:中国建筑工业出版社
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
[3]徐斐，朱海琦.钢纤维混凝土的增强阻裂机理研究[J].技术研发