钢纤维对混凝土物理力学性能及耐久性研究综述

Review of Research on Physical Mechanical Properties and Durability of Concrete by Steel Fiber

摘要: 素混凝土结构由于延性不足，受压区混凝土易被压碎而使结构提前失效，所以在素混凝土结构受压区采用钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete, SFRC)替代素混凝土，合理利用钢纤维粘结的作用，非常有效地控制了混凝土裂缝的产生和发展。所以，钢纤维混凝土力学性能的研究对推广钢纤维混凝土结构的应用具有非常重要的意义。本文对钢纤维混凝土国内外研究现状和发展趋势做了相关陈述，对于不同掺量的钢纤维对混凝土力学性能的影响进行了讨论，得到比较合适的钢纤维掺量，对钢纤维的长度、长径比对混凝土的影响进行了探讨，得到较合适的钢纤维长度和长径比，对钢纤维分散、定向对混凝土的影响进行了研究，找到比较合适的钢纤维取向。深入探讨了钢纤维对混凝土耐久性性能的影响。

Abstract: Due to the insufficient ductility of plain concrete structure, the concrete in the compression zone is easy to be crushed and the structure fails in advance. Therefore, Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) is used to replace plain concrete in the compression zone of plain concrete structure, and the bonding effect of steel fiber is rationally utilized. It is very effective to control the generation and development of concrete cracks. Therefore, the study of the mechanical properties of steel fiber-reinforced concrete is very important to popularize the application of steel fiber-reinforced concrete structures. In this paper, the research status and development trend of steel fiber coagulation at home and abroad are stated. The influence of different dosages of steel fiber on the mechanical properties of concrete is discussed and the appropriate dosage of steel fiber is obtained. The influence of the length and length-diameter ratio of steel fiber on concrete is discussed and the appropriate length and length-diameter ratio of steel fiber is obtained. The influence of steel fiber dispersion and orientation on concrete is studied and the suitable orientation of steel fiber is found. The influence of steel fibers on the durability performance of concrete is explored in depth.

1. 引言

硅酸盐水泥自从发明以来到现在已经快有两百年的历史了，其制作成的混凝土具有高强度、高耐火性、取材方便、价格便宜、工法简单等一系列的优点，被广泛运用到现代的工程当中 [1] 。但是，混凝土在实际的使用中也存在许多缺点，比如自重大、脆性大、混凝土抗拉强度较低、易裂，因此，普通混凝土结构经常带裂缝工作，混凝土结构在设计中常忽略环境对其性能，尤其是耐久性能方面的影响，使得混凝土结构经常过早失效。

南疆地区的特殊气候环境对其南疆地区的混凝土结构的破坏是非常严重的，比如道路的变形问题、对道路盐–冻胀变形、对道路水稳层破坏效应 [2] [3] 。因此，对于南疆的特殊气候环境，提高其混凝土结构的韧性、延性、耐久性等性能是非常有必要的。一直以来也有大量的学者来研究，钢纤维混凝土在工程中的运用十分广泛，比如在结构工程、路面工程、水利电力以及其他工程 [4] 。钢纤维乱向分布时可以有效地阻止混凝土内部微裂缝的扩展，可以明显改善混凝土的力学性能，具有较好的延性 [5] 。

2. 不同掺量钢纤维对混凝土力学性能的影响

2.1. 钢纤维混凝土对韧性的影响

钢纤维混凝土对韧性的影响，樊俊江等 [6] 采用了钢、聚乙烯醇和聚丙烯等3种粗纤维，取比例0%、0.5%、1%、1.5%、2%掺入到混凝土进行对比试验，钢纤维对混凝土韧性的改善远高于其他两种粗纤维。陈立福等 [7] 通过对钢–聚丙烯混合纤维混凝土的抗裂性能进行研究，研究成果表明，混凝土中产生裂缝之后，发现裂缝端部与纤维相交后，因为有纤维的存在，所以裂缝的扩展将被抑制。张远鹏等 [8] 进行了相关试验研究，结果表明，钢丝纤维可以影响及改变试件的破坏方式，使得纤维混凝土在极限压应变情况下不至于像素混凝土那样发生脆性的突然性崩裂，而是表现出了一定的韧性，出现了许多裂缝与蜕皮现象。黄瑞源等 [9] 、柳艳杰等 [10] 的研究结果表明，当钢纤维掺入率为1.5%时，对抗压强度的影响达到最佳，显著提高了材料韧性，使抗压强度由64.2 MP提高到72.8 MPa，峰值压应力对应的应变由0.0049提高到0.0087。钟晨等 [11] 试验结果则表明，钢纤维掺入率分别取0.75%、3%时，抗压强度较普通混凝土能增加23%和55%，钢纤维掺入率的增大显著增加了受压韧性。杨松霖等 [12] 、张晓燕等 [13] 通过对不同钢纤维体积率、聚丙烯纤维掺量下研究，发现混凝土的弯曲初裂强度、等效弯曲强度、弯曲韧性比以及弯曲韧性指数都会随着钢纤维体积率的增加而得到显著的提高。胡锐等 [14] 通过钢纤维体积掺量对超高性能混凝土柱破坏形态的研究，发现随着钢纤维体积掺量的提高，混凝土的压碎剥落现象得到显著改善，减缓了受压钢筋屈曲现象的发生，因此提高了柱的延性。韩建平等 [15] 通过对钢-PVA混杂纤维增强混凝土轴心受压研究，发现延性破坏。

2.2. 钢纤维混凝土对拉压的影响

Khaloo等 [16] 认为，当混凝土强度增大，钢纤维对其抗压能力的增幅逐渐减小，增幅降低原因为混凝土密实性因为钢纤维的掺入而降低。Marar [17] 采用四种不同掺入率的钢纤维对混凝土进行了轴压试验，根据所得应力–应变曲线，他认为钢纤维的掺入率越高，混凝土的压缩变形的能力变得越强。Bencardino等 [18] 对钢纤维体积率为1%、1.6%和3%的混凝土圆柱体进行了试验，极限压应变都超过现行国外设计规范采用的0.0035，对后两种较高体积含量，极限压应变可达现行规范的3~5倍，且相应于压应变0.01的残余强度分别可达峰值应力的74%和78%，但对1%含量钢纤维混凝土，对受压软化段的影响不明显。崔涛等 [19] 研究了混杂纤维混凝土在单轴受压时的性能，纤维分为钢纤维、聚乙烯醇、聚丙烯纤维，能使残余应力达到峰值应力的27.2%~35.3%，峰值应变达到普通混凝土的2.5~4.4倍，通过与多种模型的拟合，建立了与试验结果吻合度最高的本构关系。张常安 [20] 对铣削型钢、玻璃、聚丙烯单丝、聚丙烯网状等纤维进行了受压试验，他认为钢纤维对抗压强度的增长优于另外三种纤维。蔡鹏飞等 [21] 、郑辉 [22] 掺入体积率为0.5%的PVA纤维和1.25%的钢纤维时，混杂纤维对基体的增强效果较好。张仓 [23] 研究发现，钢纤维体积率为0.5%时，混凝土劈裂抗拉强度提高14%，相对应的钢纤维混凝土试件力学性能表现越佳。杨艳敏等 [24] 通过研究钢纤维体积掺量为0、1%、2%时的全轻混凝土试块，进行力学性能实验，得到钢纤维能够有效地限制全轻混凝土试块裂缝的扩展。牛龙龙等 [25] 通过研究钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响，得到钢纤维体积掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的混凝土进行实验时，随着钢纤维掺量增加，混凝土力学性能显著提高。柳艳杰等 [10] 通过研究钢纤维掺入率得到，混凝土抗压、抗拉强度随钢纤维掺量增加而增大，钢纤维的掺入可以有效地提高混凝土的力学性能。

2.3. 钢纤维混凝土对劈裂的影响

张雪梅等 [26] 通过研究发现，当钢纤维掺量为4.0%时，试样的混合效应系数可以达到1.35，此时产生正混合效应可以提升高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度，所以，钢纤维的混合效应提升了试件的劈裂抗拉强度。张振雷 [27] 研究素纤维掺量为1.6 kg/m³时，其力学性能较普通混凝土分别提高了13.94%、35.46%、18.75%。谢雨霏等 [28] 研究发现，对抗压强度，钢纤维的最优体积掺量为0.8%。钢纤维体积掺量为0.5%时，劈裂抗拉强度比普通混凝土提高了15.56%，钢纤维的最优掺量为1.3%。

2.4. 钢纤维混凝土对冲击的影响

王贤栋 [29] 通过钢纤维的纤维掺入量进行了相关的实验研究，通过研究发现了混凝土试件的整体性得到了很好的改善，钢纤维混凝土的抗冲击性能得到了明显的改善；其中以混合纤维的抗冲击性能测试得到其抗冲击性能提高幅度最为显著。Wang等 [30] 通过研究用分离式Hopkinson压杆(SHPB)对圆柱形钢纤维混凝土进行了动态冲击试验，通过相关的实验研究得到的结果显示，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的破坏模式是由脆性进而向韧性慢慢发生改变。Yoo等 [31] 通过研究时采用准静态试验和落锤式冲击试验机进行了相关的测试研究，对钢纤维混凝土梁在准静态状态下进行了相关的冲击荷载作用下的受弯性能的测试，实验结果表明，冲击荷载下纤维含量和残余弯曲性能的影响。梁一鸣等 [32] 通过研究，分别对钢纤维掺量进行了相关的实验研究，钢纤维的掺量百分比分别为0、0.5%、1.0%，在不同掺量下进行了高强混凝土的冲击压缩试验研究，经过实验研究表明，钢纤维高强混凝土受冲击压缩作用后其展现出来呈脆性破坏特征，然后当钢纤维的掺量在1.0%时，在大气压为1.0 MPa下，动态的抗压强度值是可以达到180.9 MPa。

综上所述可以得出，钢纤维的掺量对混凝土是有影响的，钢纤维能够有效地增强钢纤维混凝土的力学性能。钢纤维的掺入率的提高对试件的抗压强度、极限压应变时的残余强度、变形能力等均能得到有效的提升等。掺入钢纤维是可以增加钢纤维混凝韧性的，其韧性也随钢纤维掺量的增大而有所提升；钢纤维的掺入可以有效地增强混凝土的力学性能，有效地提高了混凝土试块的抗劈裂、抗拉强度；钢纤维混凝土在受冲击压缩作用后其呈现出来的特征是呈脆性破坏特征等。

3. 钢纤维的长度、长径比对混凝土的影响

Lee等 [33] 通过对端钩型钢纤维混凝土受压性能的研究，他认为钢纤维长径比和纤维体积含量是影响峰值应力对应的应变以及软化阶段性能的主要因素。李川川 [34] 、李世超等 [35] 对钢纤维混凝土进行了轴压试验，二者均认为更短的纤维更能填补混凝土内部的间隙，增韧效果也是随着钢纤维掺入率的增加而有所提高。其中，比较短的钢纤维对混凝土抗压能力的提升更加明显。李悦等 [36] 通过试验研究，得到了与上述相反结论，他认为当钢纤维掺量提高时，钢纤维对混凝土抗压强度的影响比较小，更长的钢纤维对混凝土抗压能力的提升更明显。

张裕显 [37] 通过研究纤维长度为12 mm、体积掺量为0.1%时，得到透水混凝土抗压强度和抗折强度最大，分别为27.4 MPa、4.07 MPa。于晓伟等 [38] 研究在聚乙烯(PE)纤维体积掺量固定为1%时，钢纤维体积掺量分别为0、0.3%、0.6%、0.9% 4种工况下，较低的体积掺量可以有效提升试件的抗压强度，直径越小的钢纤维试件抗压性能越好。马恺泽等 [39] 通过研究发现，当钢纤维长度不一样时，在长、短钢纤维混掺比例合适时，钢纤维混凝土的抗劈裂、抗拉强度也有所增加。在不同长度的钢纤维，当长、短钢纤维混合相掺时，对钢纤维混凝土的韧性改善效果是非常的明显，当长钢纤维掺量为1.50%与短钢纤维掺量为0.50%时，两种不同钢纤维相互混掺时，可以达到很好的增韧效果。

戴涛 [40] 通过研究钢纤维混凝土受压试验，对钢纤维掺量、分布方向，其中包括乱向分布和定向分布情况，对试件进行了相关的研究。研究结果表明，试件的弯曲抗拉强度、韧性随着方向效应系数提高得到提高，构件的初裂性能决定于基体的本身强度。水胶比、钢纤维长度、掺量相同时，随着钢纤维长度的增加，构件的抗拉性能得到明显的提高。李悦等 [36] 通过研究发现，钢纤维混凝土的流动性随着钢纤维掺量的增加而降低，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的抗压强度、韧性、劈裂强度和抗冲击性都有提高。马煜东等 [41] 通过研究发现，短钢纤维主要起到对基体的增强作用，抑制裂缝的扩展，提高构件的抗裂能力。张亚芳等 [42] 研究不同尺寸的钢纤维在混凝土中产生协同作用，且当长、短纤维的混杂比例接近时，混杂性能达到最佳。

综上所述可以得出，直径越小的钢纤维试件抗压性能越好，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的力学性能均有不同程度的提高，当长、短纤维的混杂比例接近时，混杂性能最佳等。钢纤维的长度对混凝土也有一定的影响作用，短钢纤维能更好地增强混凝土力学性能，更好地抑制混凝土内部微裂缝的发展。

4. 钢纤维取向对混凝土的影响

Alberti等 [43] 的研究表明，当钢纤维长度越长、试模底部纤维占比越多时，钢纤维分散越不均匀。当长径比不变时，体积掺量越大，钢纤维之间越容易发生碰撞和机械互锁。钢纤维之间的碰撞会导致额外的能量损耗，降低拌合物的流动性，从而导致分散性更差。丁亚红等 [44] 通过试验测定掺入不同钢纤维量及不同掺入方式对混凝土力学性能及流动性的影响得出，掺入方式对混凝土流动性能的影响比力学性能更为显著。随着钢纤维掺量的增大至1%后，将钢纤维加入混凝土的方式改为钢纤维等体积取代骨料并改变砂率的方式得到的混凝土性能更佳。

田稳苓等 [45] 通过研究发现，定向钢纤维要明显高于相同掺量的乱向钢纤维，定向钢纤维构件的临界等效裂缝长度小于相同掺量的乱向钢纤维构件。魏磊磊等 [46] 通过研究发现，断裂过程损伤特性受纤维掺量影响较大。苟鸿翔等 [47] 研究发现，随着钢纤维掺量的增加，乱向分布钢纤维混凝土(L-UHPC)的抗压强度先增大后减小，定向分布钢纤维混凝土(D-UHPC)的抗压强度继续增大。

综上所述可以得出，钢纤维取向对混凝土有一定的影响作用钢纤维长度越长，试模底部纤维占比越多，分散越不均匀，效果越差，增加纤维掺量可有效改善定向钢纤维混凝土的损伤特性，乱向分布钢纤维混凝土的抗压强度先增大后减小等。定向分布的钢纤维混凝土力学性能要优于乱向分布的钢纤维混凝土。

5. 钢纤维对混凝土的耐久性性能影响

5.1. 抗盐腐蚀性及抗冻性

Kosa等 [48] 研究通过对加速腐蚀试验研究发现，钢纤维腐蚀程度对混凝土性能的影响，结果显示，腐蚀钢纤维的钢纤维混凝土的抗拉强度和抗弯强度都有所下降，但是对抗压强度的影响比较小。宫巍 [49] 通过研究发现了，纤维混合掺有利于增强混凝土的抗氯盐侵蚀性能。余红发等 [50] 研究发现，钢纤维的直径大小会因为腐蚀而减小，任何对钢纤维的环境腐蚀都会导致混凝土强度和韧性的下降。韩铁生 [51] 研究认为，对硫酸盐侵蚀的混凝土的加入钢纤维后混凝土性能有积极影响。纪泳丞等 [52] 研究发现，使用钢纤维可以限制化学侵蚀的扩展。Yoo等 [53] 研究发现，处于酸性环境中的建筑物加入钢纤维可以更好地抵抗酸性溶液侵蚀。

Nam等 [54] 通过研究，对PVA纤维和纤维增强水泥基复合材料进行了抗冻性能的研究，从试验结果显示，可以得到PVA纤维与FRCC的相互混合对抗冻性有一定的效果。姜锦磊等 [55] 通过研究了腐蚀后纤维混凝土的刚开始开裂的荷载和弯曲强度，实验结果表明，都有所下降。在腐蚀前后，也可得到的结果是PVA-钢混杂纤维混凝土的韧性普遍高于普通混凝土。杨全兵等 [56] 研究了钢纤维混凝土抗冻性能，结果表明，钢纤维对混凝土的流动性有负面影响，但可以提高混凝土的抗折强度，对抗压强度影响不大。牛荻涛等 [57] 研究表明，钢纤维混凝土比普通混凝土能更好抵抗冻融循环。姜磊 [58] 研究表明，钢纤维体积率对混凝土抗冻性能影响显著，当掺量为1.5%时，混凝土抗冻性能最好。

5.2. 抗渗性

Lawler等 [59] 通过研究纤维种类，特别是纤维几何形状，然后发现钢纤维对钢纤维混凝土渗透性有较明显的影响显，结果表明，短纤维掺入到混凝土中可有效改善混凝土渗透性能，但长纤维对渗透性的影响非常小。彭书成等 [60] 研究了高强改性聚酯合成纤维与屏蔽钢纤维混合纤维混凝土的抗裂、防渗性能。结果表明，混合纤维在混凝土中构成了均匀的支撑体系，减少了混凝土中的毛细管通道，提高了纤维混凝土的防腐防渗能力。周静海等 [61] 通过研究对聚丙烯纤维混凝土进行了相关的实验研究，然后发现了废弃的聚丙烯纤维是可以提高混凝土的抗渗性能的。在纤维长度达到19 mm，体积掺量达到0.16%时，构件的抗渗性能能够达到比较理想的状态。宋闻辉 [62] 研究表明，钢纤维轻骨料混凝土的抗渗能力的提高与钢纤维的掺量没有同步关系。冯虎 [63] 研究表明，对整体钢纤维混凝土试件，随着纤维体积率的增加，试件的渗透高度和相对渗透系数逐渐减小，混凝土的抗渗性略有提高。

综上所述可以得出，钢纤维混凝土对抗盐腐蚀性、抗冻性、抗渗性有一定的抑制效果，钢纤维的掺入对混凝土抗抗氯盐侵蚀、抗酸性溶液侵蚀都有一定的积极影响。钢纤维混凝的掺入对混凝土的抗冻性有一定的改善作用，钢纤维掺入抑制了混凝土剥落，降低了钢纤维混凝土冻融破坏损伤速率。钢纤维的掺入对混凝土的抗渗性有积极作用，钢纤维掺入率对混凝土抗渗性也有一定的作用，短纤维掺入可有效改善混凝土渗透性，但长纤维对渗透性的影响非常小等。

6. 结论

钢纤维作为增强水泥基材料在混凝土中的运用是非常广泛的，可以显著地改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。国内外对其做了很多研究，像钢纤维的掺量、分散、长径比、体积含量、类型等在其力学性能、耐久性、防震等方面的研究。还有钢纤维和其他材料组合成复合材料在混凝土中的研究，但在钢纤维在取向和钢纤维材料微观上的研究还较少。研究钢纤维取向、掺量在南疆地区对其混凝土力学性能的影响，能否运用到南疆的道路工程中，改善其混凝土的耐久性、延性等问题，使其道路使用得更久而不被破坏是非常重要的。