钢纤维混凝土力学性能报告
作者：波尔派丝吴
前言
现如今在建筑行业中使用最为广泛的材料就是混凝土，它是由骨料、水泥和水组成的，在实际应用当中能够表现出具有良好的抗压效果。

在构件受力时利用自身的抗压性能抵抗荷载消除形变。

根据混凝土的抗压强度可划分混凝土的等级，混凝土强度是结构设计和施工的重要依据。

但由于普通混凝土力学性能上的缺陷，抗弯拉强度小、弯曲韧度低、易开裂，导致其在工程作业中的应用受到很大限制。

我们通常的解决办法是配筋，随着施工技术的革新，钢纤维问世，现今钢纤维改变混凝土性能已成为混凝土改性的重要途经之一。

钢纤维混凝土是指将规定尺寸、不连续的金属短纤维（即钢纤维）均匀、乱向地分散于混凝土中，形成一种可浇筑、可喷射的新型复合材料。

因其在实际应用中表现出的抗拉、抗弯、抗剪、耐冲击性能优异，所以在建筑、公路、水工等领域中得到广泛应用。

同时钢纤维混凝土相比于配筋混凝土具有更好等效弯曲强度与施工流水节拍。

I.钢纤维混凝土的基本组成
钢纤维混凝土是由粗骨料（石子）、细骨料（砂）、水泥、水、钢纤维以及适用工程状况的外加剂（无特定情况可不加）组成的一种非均质集合体复合材料。

按设计配合比配制，经过立模、浇筑、振捣、整平、养护、拆模，形成具有设计强度的钢纤维混凝土构件。

II.钢纤维混凝土的基本力学性能
为了对钢纤维混凝土的力学性能分析，我们选用C30混凝土、SF80/50BP钢纤维（长径比80、长度50mm的冷拉端钩钢纤维）分别制作了6组样块，每组分别做6个样块，为了保证钢纤维的分散率采用成排钢纤维（在不使用外界设备干扰时成排钢纤维分散效果会优于散纤维），掺量分别为0kg/m3、5kg/m3、10kg/m3、15kg/m3、20kg/m3、25kg/m3，在恒温箱养护
28d后拆模进行试验。

A.抗压强度
龄期28d钢纤维混凝土试块与同等养护条件下龄期28d的普通混凝土试块相比较，在弹性形变阶段弹性模量与泊松比可视为基本相同；
实验数据表明，钢纤维对基体的抗压强度增强效果并不明显。

在基体中加入钢纤维后，当钢纤维体积率的增加时基体的抗压强度略有提升，但增量很小，提升在0%~10%（前期工作者的大量实验也印证了此观点）。

同时为了保障钢纤维在混凝土基体中的方向效能系数与粘接强度，钢纤维的长度需满足混凝土最大粒径的1.5~2.0倍，否则容易造成钢纤维的局部结团，相当于构成了薄弱截面，此时加入钢纤维反而会产生不利影响，造成钢纤维与混凝土界面粘结性状变差，其抗压强度甚至会比同配比的普通混凝土有所下降。

B.抗劈裂强度
实验结果表明，钢纤维对混凝土抗劈拉性能的增强效果与对抗压性能的增强效果相比显著很多。

龄期28d的钢纤维混凝土的抗劈拉强度远高于龄期28d的基准混凝土，并且在一定范围内，基体性能随着钢纤维体积率的增加而提升。

参考前期实验数据，当钢纤维掺量在1%~2%体积率的范围内时，相应的混凝土抗拉强度提高40%~80%，并且不同等级的混凝土均呈现类似的规律。

C.抗弯强度
与普通水泥混凝土相比钢纤维混凝土的极限抗弯强度高出很多，同时钢纤维混凝土的初裂应力要远大于普通水泥混凝土，且构件开裂后受拉区的裂缝宽度随着荷载的增加而扩展，到达构件的极限强度后，会随着裂缝宽度的继续扩大而缓慢卸载。

相比于普通水泥混凝土突然的脆性断裂大大的提高了构件的安全系数。

前期学者的大量研究都指出影响钢纤维混凝土极限抗弯强度的因素有以下四个:
1.钢纤维混凝土的基体强度（f c）；
2.钢纤维的体积率(ρ)；
3.钢纤维的长径比( l/d)；
4.钢纤维与基体间的粘结应力（τ）。

D.抗冲击性能
钢纤维混凝土有着良好的延性和控制混凝土裂缝的能力，其韧性远远大于相应素混凝土的韧性。

从钢纤维混凝土及其相应素混凝土泊松比的实测资料来看，钢纤维混凝土的泊松比要比其相应素混凝土大7%左右。

随着钢纤维含量的增加，钢纤维混凝土的抗冲击性能大幅度提高。

当
钢纤维含量为1.5%时，其抗冲击能力提高近7倍。

E.其他性能
构件进入塑性形变阶段时韧性作为重要衡量指标，在通常的纤维掺量下，其抗压韧性可提高2倍~7倍，抗弯韧性可提高几倍到几十倍，弯曲冲击韧性可提高2倍~4倍，板式试件落球法击碎试验所测得的冲击韧性可提高几倍到几十倍。

III.钢纤维混凝土配合比
F.配合比设计原则
钢纤维混凝土的配合比设计与普通水泥混凝土的配合比设计基本相同，应在兼顾经济性的同时满足下列3项技术经济要求：
1.弯拉强度要求
本项目钢纤维混凝土设计强度要求为：28d抗压强度40Mpa，28d抗折强度5.5 Mpa
2.工作性要求
短路段距离短，施工工作面小，根据施工现场要求，坍落度控制为20mm左右。

3.耐久性要求
a）钢纤维混凝土满足耐久性要求最大的水灰比为0.47（高速公路），最小单位水泥用量为360kg/m3。

b）钢纤维混凝土严禁采用海水、海砂，不得掺加氯盐及氯盐类早强剂、防冻剂等外加剂。

G.配合比参数的确定
1.水灰比的确定
根据规范提供公式与钢纤维混凝土的设计抗折强度5.5MPa，计算得出水灰比为0.41。

2.钢纤维的掺量
本设计钢纤维的设计掺量拟为40kg/m3（体积率约为0.5%）。

3.砂率
经过多次试拌，在满足强度和和易性的情况下，选择砂率在44~46%最为合理。

4.用水量
根据规范要求，初选单位用水量为160kg/m3。

5.水泥用量
根据水灰比和初选单位用水量，得出单位水泥用量为380 kg/m3。

IV.工程案例
上海虹桥机场高架车道钢纤维混凝土道面的应用七十年代以来，美、日等国曾分别将钢纤维混凝土应用于路面、桥面。

实践表明，它对于提高路面、桥面的抗裂性和耐久性，减少维修次数等均产生明显技术经济效益和社会效益。

1991年我所与上海隧道公司四处合作，在上海虹桥机场高架桥行车道路面应用钢纤维混凝土获得成功。

[引]
H.工程概况
:上海虹桥机场高架桥行车道系新国际候机楼配套工程，是上海市1991年二号重点工程。

全桥总长约490m，呈“门”型。

其中正桥部分长约375m，为一现浇钢筋混凝土梁板结构，桥底板厚约40cm，临近候机楼正桥部分道面总宽21.6m.，两侧人行道宽分别为1.6m和1.0m。

进入两端弯道后桥面总宽为11.5m，路幅宽为7.0m，两侧人行道宽分别为3.5m和1.0m。

该道面铺装层原设计为9.0cm厚的沥青混凝土，后经虹桥机场扩建工程指挥部研究决定，道面改用10cm厚的钢纤维混凝土来取代沥青混凝土，以增强高架车道道面的抗裂性和耐久性，1991年10月21日开始施工至11月15日全部完工。

浇筑钢纤维混凝土道面共6400m，实际浇筑厚度视底层平整情况为10~25cm，其工程量在国内同类工程中尚属最大。

V.结语
钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量乱向分布的短钢纤维而形成的一种多相、多组分水泥基体新型复合材料。

它克服了混凝土的多项弱点，改善了混凝土的物理、力学性能，已在建筑、路桥、水工、海洋等工程领域得到应用。

钢纤维混凝土的研究和应用仍然有多方面问题有待解决。

其中，如何最大限度地降低其使用成本，建立和完善生产、施工程序，构建合理的结构理论体系，是需要重点研究的方向。