浅谈钢纤维增强混凝土抗裂性能研究

浅谈钢纤维增强混凝土抗裂性能研究

陈劲

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 404100）

摘要：本文是通过混凝土裂缝产生的原因以及钢纤维增强混凝土抗裂性能的作用机理，分析钢纤维掺入后的作用效果以及影响。从钢纤维材料本身的类型、规格和性质出发，提出使用不同种类、不同尺寸钢纤维混掺复合增强混凝土抗裂性能的方案。纤维的混掺不仅解决普通混凝土开裂问题，而且从理论角度也可以实现材料相互协调作用实现钢纤维在混凝土中抗裂性能最大化。

关  键  词：混凝土；裂缝；钢纤维；混掺；抗裂

0  引 言

随着建筑、交通、水利等行业不断发展，混凝土材料的使用越来越广，混凝土结构物体积越来越大，建设需求也越来越多。由于大体积的混凝土存在的问题有体积大，成型后水化热散热缓慢的特点。在水化的过程中，各部分的混凝土热胀冷缩及相互约束，再加上作用在边界的约束条件使得混凝土内部的应力状态具有复杂性。一旦混凝土的温度应力达到并超过拉力极限值，混凝土的裂缝就会出现，影响结构的安全性、可靠性以及耐久性等。

目前，国内外学者们在如何提高混凝土抗裂性能方面做了许多的研究，其中将钢纤维作为改性材料加入混凝土中制成钢纤维混凝土成为了一个研究方向。研究结果也表面，钢纤维的掺入对混凝土的强度、韧性及耐久性都有着一定程度的提高。

综上，在大体积混凝土的选材上大多选用钢纤维混凝土作为浇筑材料，使用钢纤维混凝土浇筑的大体积混凝土，在做好早期温控后，其由于水化热而产生的早期收缩裂缝数量会大大减少。其原理主要是应用了混凝土的“桥接”作用，提高了混凝土表面的抗拉应力，避免了裂缝的产生。

1  钢纤维混凝土研究现状

合理地进行钢纤维的混凝土配合比设计可以避免钢纤维混凝土产生早期裂缝，同时保证经济性和工作性。2017年，潘慧敏、马云朝[1]自制落锤冲击试验装置研究了钢纤维对混凝土抗冲击性能的影响。提出了钢纤维能够显著提高了混凝土基体的延性和韧性的结论。2019年，钟晨、叶中豹、王颖[2]提出随着钢纤维体积率的增加，钢纤维对混凝土的抗拉、抗裂性能有明显增强。不同的钢纤维对混凝土抗拉性能的增强效果不同，2019年，叶艳霞、王宗彬等[3]在HLAC中分别掺入微细型、端勾型、波纹型钢纤维，研究了体积分数与钢纤维类型对钢纤维增强高强轻骨料混凝土（SFHLAC）的抗压、劈裂抗拉、抗折和抗剪强度等力学性能的影响，分析了SFHLAC的韧度因子和承载力变化系数等材料韧性指标的变化特点。2015年，李习波[4]提出将两种及两种以上的不同性能、不同品种、不同规格的纤维掺入混凝土中，既能发挥各自纤维优点，又能体现纤维之间协同工作效应。2016年，朱安标[5]提出混杂纤维掺入混凝土中能提高某些性能，混杂纤维的掺入相对比原有性能更好或比单一纤维更有益时，则称为“正混杂效应”；反之为“负混杂效应”。综上，钢纤维混凝土的研究正在不断的深入，不同种纤维的协同作用成为了研究的热点问题。

2  钢纤维增强混凝土抗裂性能   

2.1  混凝土的裂缝问题

目前，引起混凝土裂缝问题的因素较多，混凝土的裂缝也分别结构裂缝和非就够裂缝，就混凝土养护过程中的温度裂缝而言，其产生的原因主要使由于混凝土水化过程中放热，导致内外温差过大，热胀冷缩使得混凝土外部产生过大的拉应力而产生裂缝。而就混凝土板使用过程中的荷载应力而言，荷载反复作用在板的上部，使得混凝土板产生翘曲，上部受压下部受拉，当下部拉应力达到混凝土的极限时，便产生了破坏。且裂缝的产生可能会导致外界含杂质的水流入，使混凝土的结构产生破坏，所以提高混凝土的抗裂能力是目前需解决的问题。

2.2钢纤维对混凝土抗裂的作用机理

混凝土从浇筑完成后就有可能产生结构或者非结构裂缝，在养护过程中，由于水化反应导致内外温差过大而可能产生温度裂缝，在使用过程中由于荷载疲劳作用可能导致结构裂缝，而裂缝的产生将会使外界环境对混凝土结构安全性可靠性的影响进一步增大，导致混凝土结构破坏，因此钢纤维掺入混凝土，有利益提高混凝土的抗裂性能，其主要作用机理分析下：

1）混凝土具有强度高、脆性大的特点，钢纤维在混凝土中呈现出一种三维网络结构连接其各个部分，起到了混凝土增韧的作用。与普通混凝土相比，加入了钢纤维的混凝土，其破环时试件的整体性保持较好，不会因碎落而导致试件松散。

2）普通混凝土破坏时，往往产生一条宽度较小的裂缝，随着荷载的反复作用，裂缝慢慢发展，最后导致混凝土结构物破坏。而随着混凝土中掺入钢纤维后，在混凝土受力破坏时，钢纤维的“桥接”作用将混凝土连接在一起，最终钢纤维混凝土的破坏是以钢纤维被拔出而破坏的。由此可见，钢纤维的加入对混凝土起到了阻裂的作用，改善了混凝土结构的抗裂性能。

3）不同规格种类的钢纤维掺入，可以充分发挥不同种纤维的特性，从而提高混凝土结构的抗裂性能。其主要的作用机理是在混凝土破坏时，短纤维先产生作用，阻止裂缝的产生，当裂缝发展至一定趋势后，长纤维产生作用。通过不同长度纤维的协调作用充分发挥纤维的阻裂效果，提高混凝土抗裂性能，且保证了经济性。

2.3  碎石封层技术

同步碎石封层是一种有效的预防性养护措施，具有良好的密封效果，能有效阻挡道路裂缝产生，减少道路的水损害。施工工艺简单可行，施工过程对正常交通影响较小，不需要封闭交通，施工后能快速通车，提高路面防滑性能等。与其他密封技术相比，同步碎石封层技术具有防水性强、防滑性强的特点。非常适合我国许多地区的气候特点，比如降水量大、雨季长、山区广的地域。其同样也适用于一般城市公路和农村道路，并且不受各种气候、交通通行能力因素的影响。此外，同步碎石封层技术是一种低能耗的道路养护技术，可以覆盖更大的使用范围，且不需要花费大量的资金，这也是项目快速发展的基础，非常适合尚处于发展阶段的国家。

3  结论

普通混凝土脆性大，掺入钢纤维可增强混凝土抗裂性能。钢纤维的加入使混凝土破坏形态发生变化，混凝土材料的裂缝发展得到了限制，使其破坏时能够保持结构物的整体性。钢纤维按照不同种类和不同类型混掺可以实现不同类型钢纤维的协同作用，充分发挥不同类型钢纤维的作用效果，节约成本实现原材料经济型。

参考文献(References):

[1] 潘慧敏，马云朝. 钢纤维混凝土抗冲击性能及其阻裂增韧机理[J].建筑材料学报，2017，20（06）：956-961.

[2] 钟晨，叶中豹，王颖. 钢纤维混凝土增强增韧机理和力学分析[J].河北北方学院学报（自然科学版），2019，35（07）：37-42+49.

[3] 叶艳霞，王宗彬，谢夫林，付翠红，张志银. 钢纤维增强高强轻骨料混凝土的力学性能[J].建筑材料学报，2021，24（01）：63-70.

[4] 李习波. 混杂纤维高强混凝土动态损伤本构关系[D].2015.

[5] 朱安标. 钢—聚丙烯混杂纤维高强混凝土耐久性试验研究与评价方法分析[D]. 2016.

[6] 吴晓春，唐煜，李佳颖. 混杂纤维混凝土的力学与抗冲击性能试验研究[J]. 公路，2015，60（08）：226-229.

[7] Arel H, Shaikh FUA. Effects of silica fume fineness on mechanical properties of steel fiber reinforced lightweight concretes subjected to ambient and elevated temperatures exposure[J]. Structural Concrete, 2018 19(06): 1829-1837.