摘要：钢纤维混凝土的机理受多种因素影响较为复杂，本文依据理论，结合试验进行了钢纤维增强混凝土的机理分析。试验中以钢纤维种类为研究变量，进行钢纤维材料的轴拉试验。试验及机理分析研究结果表明：钢纤维增强混凝土提高性能主要通过钢纤维的增强和增韧实现，增韧型钢纤维与增强型钢纤维的应力-应变曲线有所差异，增强型钢纤维具有机械抗拉，使得钢纤维受力拔出后继续通过弯钩传递力。
关键词：钢纤维；混凝土；增加机理；试验
1.引言
钢纤维混凝土是一种新型的高性能混凝土，通过在混凝土中加入钢纤维提高钢筋混凝土的抗拉性能达到抑制混凝土裂缝发展目的。目前，钢纤维混凝土的运用较为广阔，如道路、桥梁、隧道等项目，展现了巨大的优势[1]。国内多个研究部门及研究学者针对钢纤维技术进行了研究，如赵国藩等进行了乱向分布式的钢纤维混凝土的理论分析研究，借助于断裂力学基本分析理论对钢纤维增强混凝土的抗拉强度公式进行了推导，得到了考虑多种因素在内的抗拉强度计算公式，同时他还进行了钢纤维增强混凝土的机理及力学破坏模式分析[2]。尽管钢纤维混凝土发展迅速，但也存在诸多的问题，如钢纤维增强混凝土机理研究不够深入。目前钢纤维增加混凝土的机理仍旧以纤维间距学说和混合物法则为主，两种机理均不够完善，存在的争议较大。主要原因是受钢纤维混凝土本身材料性质限制，机理差异性较大，钢纤维混凝土中的钢纤维分布不具有规则性，而且钢纤维含量较少，因此难于进行深入机理分析。
本文针对钢纤维混凝土技术，借鉴现存的钢纤维混凝土技术手段，进行了钢纤维混凝土的技术性能分析，总结现存的钢纤维增强混凝土的机理解释，同时以钢纤维种类为研究变量，进行钢纤维材料的轴拉试验，进而进行钢纤维混凝土的作用机理分析。
2.钢纤维混凝土复合材料的系列理论
目前，钢纤维混凝土增强机理理论主要有[3]：1）复合材料力学理论，该理论认为钢纤维是强化混凝土的添加剂，同时也提出了钢纤维掺量等因素影响钢纤维混凝土力学性能的关系。2）纤维间距理论，由美国人提出，基于线弹性断裂力学，主要论述了钢纤维抑制混凝土裂缝发展的作用。3）界面效应理论：基于多个剪切滑移模型的系列理论。
2.1复合材料力学
复合材料力学理论主要内容为：将复合材料视为多相系统；假定钢纤维与混凝土基体间无横向变形产生，钢纤维混凝土开裂前有相同的弹体变形；采用混合原理求纤维混凝土应力、强度等；考虑了钢纤维混凝土在受拉方向上的钢纤维有效体积率比例及修正短纤维的长度、取向，同时考虑混凝土非均匀性。对于长钢纤维，在钢纤维分布方向施加拉应力时，采用下式进行钢纤维混凝土的应力计算。
（）
式中， 为钢纤维复合材料拉应力； 为基体拉应力； 钢纤维拉
应力； 为钢纤维体积率。
2.2钢纤维间距理论
钢纤维间距理论主要内容为：理论依据为线弹性断裂力学，解释了钢纤维抑制混凝土裂缝发展的过程；以减少混凝土内部缺陷尺寸，降低混凝土裂缝尖端应力强度，提高混凝土韧性为理论基础；总应力强度因子 、裂缝端部应力强度因子 、裂缝附近钢纤维混凝土间粘结应力产生的反向应力强度因子 ，具体关系式如下：
（）
钢纤维混凝土中钢纤维间距越小，钢纤维强度提高越明显，可得钢纤维混凝土抗拉强度与钢纤维间距 的关系式，如下：
（）
上式中， 为钢纤维混凝土复合材料与基体的抗拉强度比。
式（3）即为纤维间距理论的代表性计算公式。
3.钢纤维混凝土增强机理的试验研究
采用2种不同钢纤维预制钢纤维加固混凝土结构，进行钢纤维混凝土的轴拉试验，方便进行钢纤维混凝土增强机理分析。
（1）试验材料及相关说明
钢纤维种类：1）HAREX铣削型（增强型钢纤维），截面尺寸：32×0.4×0.4；2）浙萧型（增韧型钢纤维）：截面尺寸：30×0.5×0.5。
钢纤维掺量：1%；
水泥：普通硅酸盐水泥，标号42.5；
砂：细河砂，粒径小于5mm；
粗骨料：采用碎石，最大粒径20mm；
试件尺寸：100×100×100mm3，2组试件，每组试件各浇筑3个；
混凝土配比：水：砂：水泥：石=0.42:1.5:1:2。
（2）试验内容
制作试件，养护28天，切平试件端面后切平试件端面，采用环氧树脂对试件
两端与拉头连接，在试件上布置2个引伸计进行试件变形测试。加载控制以应变控制为主，初始加载阶段控制加载速率为 ，当应变达到1000 后加载速率提高到 。
（3）试验结果及分析
试验过程中捕捉拉伸-应变的峰值，试验结果如下表所示。
由上表可知，增强型钢纤维的应力-应变曲线不出现2个峰值，而增韧型钢纤维则出现2个峰值。但增韧类钢纤维混凝土提高强度较增强类钢纤维混凝土低10%左右。应力-应变曲线第二峰值出现可以大大提高钢纤维混凝土的韧性，对应的钢纤维应变较大，钢纤维的抗拉性能得到一定的利用，但第一峰值下的应变较小，基本上与素混凝土相当。
4.钢纤维作用机理分析
钢纤维混凝土中，钢纤维与混凝土的粘结作用决定了钢纤维发挥抗拉作用的效果，钢纤维混凝土一旦开裂，则开裂混凝土承担的力转移到钢筋及临近混凝土上，若外界荷载逐步增大，钢纤维受力也不断增大，一旦钢纤维承受的拉力超过钢纤维混凝土界面的粘结力及钢纤维造型形成的机械力之和后，就发生钢纤维与混凝土间的剥离破坏。显然，浙萧型（增韧型钢纤维）由于存在弯钩段，较HAREX铣削型（增强型钢纤维）更具有机械抗拉能力，因而展现了应力-应变曲线的2次峰值（第一次峰值为钢纤维与混凝土间的剥离，第二次峰值为钢纤维弯钩段被拔出。
通过2种不同类型钢纤维及造型试验可知，钢纤维强度及造型均影响钢纤维混凝土的力学性能，主要表现是增强和增韧两个方面，钢纤维混凝土抵抗开裂的能力提高，尤其是通过对钢纤维进行造型处理可以实现钢纤维混凝土钢纤维被拔出后的后续抵抗力的作用，因而增大了钢纤维混凝土的韧性。
5.小结
本文主要结论如下：
1）钢纤维增强混凝土主要通过增强和增韧实现，增强主要体现在钢纤维与混凝土的粘结界面抵抗力，增韧主要体现在钢纤维造型形成的机械力。
2）增韧型钢纤维与增强型钢纤维的应力-应变曲线有所差异，增强型钢纤维的应力-应变曲线不出现2个峰值，而增韧型钢纤维则出现2个峰值。但增韧类钢纤维混凝土提高强度较增强类钢纤维混凝土低10%左右。增强型钢纤维具有机械抗拉，使得钢纤维受力拔出后继续通过弯钩传递力。
参考文献：
[1]朱梦良，刘晔.层布式钢纤维混凝土在旧水泥路面改造中的应用[J].中外公 路，2013，33（1）:77-80.
[2]赵国藩，黄承逵，彭少民.钢纤维混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社，1999:47-99.
[3]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:大连理工大学，2006．
论文作者:吴鹏
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/29
标签：钢纤维论文; 混凝土论文; 应力论文; 机理论文; 峰值论文; 应变论文; 理论论文; 《基层建设》2017年第24期论文;