谈论钢纤维混凝土的性能及其应用

　摘要：钢纤维混凝土是一种新型的复合建筑材料，其物理和力学性能优于普通混凝土，通过介绍钢纤维增强混凝土的基本理论，阐述钢纤维混凝土在多个领域工程中的应用。

    　　关键词：钢纤维；混凝土；增强理论；应用

    　　钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简写为SFRC）是在普通混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。它是近些年来发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。其中所掺的钢纤维是用钢质材料加工制成的短纤维，常用的有：切断型钢纤维、剪切型钢纤维、铣削型钢纤维、熔抽型钢纤维等。钢纤维在混凝土中主要是限制混凝土裂缝的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度较普通混凝土有显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性有较大改善，使原本属于脆性材料的混凝土变成具有一定塑性性能的复合材料。

    　　一、钢纤维增强混凝土的基本理论

    　　（一）复合力学理论复合力学理论是以连续纤维复合材料理论为基础，结合钢纤维在混凝土中的分布特点形成的。该理论是将复合材料视为以纤维为一相，基体为另一相的两相复合材料。

    　　（二）纤维间距理论。纤维间距理论又称纤维阻裂理论，是1963年由J.P.Romualdi和J.B.Batson提出来的。该理论根据线弹性断裂力学理论解释纤维对裂缝发生和发展的约束作用，认为欲增强混凝土这种本身带内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能地减少内部缺陷的尺寸，提高韧性，降低裂缝尖端的应力强度因子、减少裂缝尖端的应力集中作用，故在裂缝处用纤维连接，受拉时跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的上下表面，使裂缝处材料仍能继续承载，这样，因裂缝的出现孔边应力集中程度就缓和，随着桥接裂缝纤维数目的增多，纤维间距越小，缓和裂缝尖端应力集中程度越大，对裂缝尖端产生的反向应力场也越大，当纤维数量增加到密布于裂缝时，应力集中就会消失，进一步表明纤维的阻裂效应，即在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，有效地提高了复合材料受力前后阻裂引发与扩展的能力，达到钢纤维对混凝土增强与增韧目的。

    　　（三）界面应力传递的剪滞理论。钢纤维混凝土中钢纤维周围的水泥基体结构与自身结构是不相同的，即在钢纤维与基体之间存在着界面层。钢纤维混凝土的性能主要取决于混凝土基体性能、钢纤维含量以及它们之间的界面特性。假定界面是一层厚度可以忽略的薄层，但具有一定的力学性能。当荷载作用于钢纤维混凝土时，荷载一般先施加于低弹性的基体，然后通过纤维-基体的界面，把一部分荷载传递给高弹模的纤维，使纤维和基体共同承担荷载，从而起到增强的作用。

    　　二、钢纤维混凝土的应用

    　　钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，以其优良的抗拉、抗弯、阻裂、耐冲击、耐疲劳、高韧性等物理力学性能，目前已被广泛应用于建筑工程、水利工程、公路桥梁工程、公路路面和机场道面工程、铁路公程、管道工程、内河航道工程、防暴工程和维修加固工程等各个专业领域。

    　　（一）水利工程钢纤维混凝土在水利工程中的应用比较广泛，主要将其用于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孔、有压疏水道、消力池、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大坝防渗面板及护坡等。这些部位对硅粉混凝土材料自身的抗拉强度、抗剪强度以及抗裂性能的要求都比较高，也正发挥了钢纤维混凝土的自身优势。我国在实际工程中应用的有：三峡工程、小浪底水利枢纽工程、三门峡泄水排砂底孔等工程。以上工程都获得了较为满意的效果，并取得了较好的经济效益。

    　　（二）建筑工程。钢纤维混凝土在建筑工程中的影响越来越广泛，一般应用于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等工程领域中。如抗震框架节点中使用钢纤维混凝土，能代替箍筋满足节点对强度、延性、耗能等方面的要求，而且还能提供类似于箍筋约束混凝土的作用，并解决节点区钢筋挤压使混凝土难于浇注的施工问题；钢纤维混凝土还具有良好的抗裂性，可使构件在标准荷载下处于弹性阶段而不裂，不出现应力的重分布；用钢纤维混凝土制成的自防水预应力屋面板，不仅提高了自防水预应力屋面板的抗裂性能，同时也减少了纵向预应力筋的配筋率，提高了结构的耐久性。钢纤维混凝土在建筑中的应用实例有：福州东方大厦、沈阳市急救中心站综合楼、江苏省丹阳市中医院、辽阳市食品公司办公楼等工程。

    　　（三）道路和桥梁工程。钢纤维混凝在道路和桥梁工程方面，主要广泛应用于路面、桥梁、机场跑道等工程中，包括新建及修补工程。钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的韧性，抗冲击、抗疲劳性。它可使面层厚度减少，伸缩缝间距加长，使用性能提高，维修费用减低，寿命延长。面层较普通混凝土可减少30-50%，公路伸缩缝间距可达30-100m，机场跑道的伸缩缝间距可达30m。用于路面及桥面修补时，其罩面厚度仅为3-5cm。在实际工程中有：北京东西环路立交桥、沪杭高速公路成渝公路、大足朱溪大桥、广州解放大桥等工程中都采用了钢纤维混凝土解决工程难题，使用效果较好，经济效益显著。

    　　（四）铁路工程。在铁路工程方面，钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕及抢修铁路桥面防水保护层中。铁路工程承受较大的荷载、较高的速度和数万次的振动，所以要求混凝土必须具有较高的强度、较高的抗冲击性及较大的塑性。这正好利用了钢纤维混凝土的抗冲击性及较好的塑性。建成的工程有：沈阳铁路局长达线维修工程、柳州铁路局黔桂铁路铺设工程、南昆铁路隧道工程和西安安康铁路椅子山隧道等工程土。钢纤维混凝土的应用，使维修工作量大为减少，并提高了线路的使用寿命，效果良好。

    　　（五）港口及海洋工程。钢纤维混凝土在海洋工程中的使用主要是钢纤维混凝土的腐蚀问题，所以有待进一步研究，但在日本和挪威的使用经验是令人鼓舞的。日本钢铁俱乐部采用钢纤维混凝土作钢管桩防腐层，在海水中浸泡10年，钢纤维混凝土防腐完好，钢管表面无锈蚀，仍有金属光泽。挪威将钢纤维混凝土用于北海海底输气管道的隧道衬砌、Forsmark核电站海底核废料库的支护、海洋平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补等。我国江苏石舀港码头的轨道梁工程中也使用了钢纤维混凝土。

    　　除了上述领域外，还有很多钢纤维混凝土的应用的实例，如承受重级工作制造工业厂房和仓库地面、薄壁蓄水结构、预制板、离心管、污水井、游泳池、耐火混凝土和耐火材料、抗爆结构、各类建筑物和构筑物的修补、补强加固、抗震加固等。

    　　三、结束语

    　　钢纤维混凝土具有普通混凝土不具有的优点，且具有良好的经济效益，其在民用建筑楼地面、公路路面、预制构件水利工程、港口码头、机场跑道和停机坪、桥梁隧道以及各种构筑物等方面的应用前景将是十分广阔的前景。

    　　参考文献：

    　　[1]J.P.Romualdi and G.B.Batson. Mechanics of Crack Arrest in Concrete，Proc.ASCE， Vol.89，EM3，Junal 1963（pp.147-168）

    　　[2]高丹盈，刘建秀。钢纤维混凝土基本理论[M].北京：科学技术文献出版社。1994