浅析钢纤维混凝土的现状研究及展望

打开文本图片集

摘要：随着当今社会对混凝土的性能的要求越来越高，纤维混凝土越来越普遍，其中钢纤 维在混凝土中的性能较为为优秀，应用也最为普遍。正文首先讲述了当前钢纤维混凝土的 研究现状。然后，提出了改良钢纤维混凝土的制作方法和优劣性，对未来钢纤维混凝土的 可持续研究和发展提供了一个方向。

关键词：钢纤维；混凝土；钢纤维混凝土； 改良钢纤维混凝土

引 言

在当今的土木工程领域中，混凝土结构也扮演着越来也重要的角色。混凝土结构所使 用的材料大多可就地取材，水泥基质具有良好的流动性，结构造型灵活多变，具有良好的 实用性，但它的缺点在于抗拉性极差、 劈裂强度低、脆性明显，导致结构整体容易开裂，导致混凝土结构出现局部甚至是整体性的损伤，影响结构耐久性，极大限制了自身的发 展。但若在混凝土中加入钢纤维可以改善混凝土的脆性行为，进一步增强其吸能的特性[1- 2]。钢纤维混凝土因其高强与吸能特性以及耐久性优秀等特性，因此，它被广泛应用于建筑 上的各种领域。

一、钢纤维混凝土目前研究状况

目前对于钢纤维混凝土的应用和发展，传统的钢纤维混凝土已经不再满足我们日益发 展的工程建设需要，因此已经有学者对混凝土中将不同性质的纤维混杂在一起和对钢纤维 进行单向定向化研究并对其进行基本的力学性能试验，研究其力学性能的变化。

武汉工程大学的吴正发采用电磁感应定向法研究混凝土钢纤维定向发现，抗压、劈 裂、 抗拉性能会随着纤维掺量的增加，定向钢纤维混凝土梁试件的抗弯韧性性能显著提 升。当纤维掺量达到 1.5%之后，抗压性能和劈裂抗拉性能增长缓慢[3]； 温州大学的林一苇 等 [4]等研究发现在纤维体积掺量为 1.5%时，定向分布钢纤维混凝土试件比普通的钢纤维混 凝土试件承载能力提高 46.06%～118.68%，韧性指数有大幅提高； 广西大学的董伟光等[5]等 对钢-PVA 混杂纤维混凝土研究发现，钢纤维掺量达到 2%与 PVA 纤维掺量为 0.15%时，混凝 土抗压强度达到最大，劈裂强度最大能提高至 103%； 长安大学的吴涛，杨雪，刘喜等研究 发现：两种纤维混合掺入可显著提高自密实轻骨料混凝土的抗压、 拉与劈裂强度，是混杂 纤维可在混凝土中形成三维纤维网，极大增强了纤维的阻裂效果，共同产生正协同作用[6- 7]； 李名义研究中发现，在高性能混凝土中，在钢纤维与 NiTi 合金纤维混掺组合中，0.25% 钢纤维+0.75%NiTi 合金纤维混掺的增强效果最佳，其劈裂、抗折、抗压强度都略胜于 NiTi 合金纤维单掺[8]。

目前为止，众多学者对钢纤维混凝土的研究成果非常丰富，无法在本文中进行一一列举，不难发现，在众多的相关研究中，不同种类钢纤维混凝土的力学性能都产生了不同的 变化，同时也获得了不同条件或要求下的最佳的纤维配合比，但是对于定向之后的混杂钢 纤维的组合多样化混凝土研究还是相对缺乏。

二、改良钢纤维混凝土

不同种类的钢纤维混凝土当今在国内的研究已经相对比较成熟，无论是混杂钢纤维还 是定向钢纤维混凝土都无法解决在提高钢纤维的利用率的同时也提高混凝土在各个方向上 的力学性能的问题，而且钢纤维还存在造价高、 易腐蚀、密度高等缺点。

因此，基于众多学者对钢纤维的研究发现，当前还存在比钢纤维更好的改性材料纤维，例如仿钢纤维是一种模仿钢纤维的替代品，具体形状如下图1所示。它以合成树脂为原材料，具有密度低、耐腐蚀、分散性好、易施工等特点，可明显改善混凝土的抗拉强度和 弯曲韧性，改善混凝土的抗裂性能，同时其综合成本较低，具有钢纤维所无法比拟的优 势，可拓宽纤维混凝土的应用范围[9- 10]。除了仿钢纤维外，NiTi合金纤维也是一种强度较 高的金属纤维，不仅具有比钢纤维更高强度的特性，而且还具有高延性、 高回弹、 优异的 形状记忆效应等优点，但仿钢纤维和NiTi合金纤维 （弱磁性）都是不具有被磁化性质的材 料，因此，可以考虑在纤维制作过程中，在其内部添加少量的铁粉或磁粉或是表面镀上一 层带有铁粉或磁粉的涂层，使它能够充分发挥它自己的性能的同时也能够很好地在混凝土 中被定向。以此原理来制作出定向的NiTi合金纤维混凝土和定向的钢纤维与NiTi合金纤维 混掺混凝土，使纤维混凝土在单方向的力学性能进一步提升。

除此之外，还可以利用其他纤维无磁性的特性来弥补定向钢纤维混凝土在非增强方向 上力学性能下降的缺点。其中，可以通过使用仿钢纤维或是NiTi合金纤维替换部分钢纤维 混凝土中钢纤维，从而实现混凝土的纤维混掺，再运用磁场定向装置，基体置于磁场中可 实现钢纤维的定向操作。这样使混凝土内部的颗粒处于多向纤维网之中，使混凝土内部连 接更为紧密，既可以实现定向钢纤维混凝土在单向上力学性能上的提升，又可以弥补混凝 土在非钢纤维增强方向的力学性能的衰减。还可以考虑同时掺入细短的钢纤维与长的端头 钢纤维混掺，然后通过定向使其性能在单向同时提升钢纤维混凝土初裂时与裂缝开展后的 力学性能，进一步提高钢纤维的利用率。文中尚未其他纤维，也可以通过以上两种方向对 钢纤维混凝土实现在性能上不同程度的提升。

但是，多种纤维的添加无疑是混凝土的流动性与基本力学性能是有负影响的，因此在 保证混凝土在满足要求的条件下，必须要限制纤维种类与数量的添加。

改良钢纤维混凝土的制作对设备有特殊的要求，对于现场浇筑制作有较高的要求，存 在局限性，因此在工程应用上，还需要不断地优化改良。

三、结 论

通过对目前钢纤维混凝土研究内容及特性描述及总结，得出如下结论：

1.目前研究的不同种类的钢纤维混凝土 （混杂钢纤维和定向钢纤维混凝土）在部分的 力学性能上相比传统的钢纤维混凝土有不同程度上的提升。

2.提出了磁化非磁性纤维与钢纤维混掺和不磁化非磁性与钢纤维混掺以及互异尺寸钢 纤维掺入的改良定向钢纤维混凝土的制作方法和优势。但还需不断改进和优化。

参考文献：

[1]KALPANA M，TAYU A.Light weight steel fibre reinforced concrete：a review[J].Materials Today：Proceedings，2020，22：884-886.

[2]ZHANG J，REN H，HAN F，et al.Spall strength of steel-fiber-reinforced concrete under one-dimensional stress state[J].Mechanics of Materials，2020，141：1-9.

[3]吴 正 发 .定 向 钢 纤 维 增 强 大 流 态 混 凝 土 制 备 与 性 能 研 究 [D].武 汉 工 程 大 学，2022.DOI：10.27727/d.cnki.gwhxc.2022.000423.

[4]林一苇 ，杨克家 ，李坤坤 .定向钢纤维活性粉末混凝土受弯及受剪力学性能试验研究[J].新型建筑材 料，2022，49（12）：11- 16+21.

[5]童伟光，范银波，王怀亮.钢-PVA混杂纤维混凝土力学性能研究[J].混凝土，2022（04）：86-88.

[6]LI Y，TAN K H.YANG E H Synergistic effects of hybrid polypropylene and steel fibers on explosive spalling prevention ofultra high performance concrete at elevated temperature [J].Cement and Concrete Composites，2019，96：174— 181.

[7]吴涛，杨雪，刘喜.钢-聚丙烯混杂纤维自密实轻骨料混凝土性能[J].建筑材料学报，2021，24（02）：268-275+282.

[8]李 名 义 .NiTi 合 金 纤 维 高 性 能 混 凝 土 力 学 性 能 及 微 观 结 构 研 究 [D].中 南 林 业 科 技 大 学，2022.DOI：10.27662/d.cnki.gznlc.2022.000229.

[9]常洪雷，金祖全，任鹏程.有机仿钢纤维增强混凝土断裂韧性及抗裂性能研究[J].混凝土，2013 （2）：46-49.

[10]张鹏 ，王响 .钢纤维与仿钢纤维增强混凝土性能研究[J].水泥，2022（06）：16- 19.DOI：10.13739/j.cnki.cn11- 1899/tq.2022.06.005.