钢纤维增强水泥基复合材料的研究进展唐猛（材料科学与工程学院，无机非金属材料专业，12材1,201214030116）摘要：纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材,以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。
和钢材、木材等其它的建筑材料比较，社会上应用范围最大的建筑材料是水泥砂浆、混凝土等水泥复合材料，具有耐久耐磨、不易燃烧、成本低廉、抗压能力强、稳定安全等优点，但水泥复合材料也有着严重的缺点，例如：容易断裂外、加剂影响混凝土质量、自重大、抗拉强度低、对基础要求高、养护周期长、影响建筑速度、施工过程对结构影响较大、韧性差等等。
目前，掺加一定的纤维在水泥复合材料中，是在建筑工业界逐渐推广的水泥复合材料的增强手段。
而钢纤维水泥基复合材料的影响现在抗拉、抗弯、抗剪强度和耐久性等方面，对抗压强度的提高效果不明显。
钢纤维混凝土是将一种由短的不连续的且有一定长径比的钢纤维均匀乱向地分散于普通水泥混凝土中所构成的复合材料。
与普通水泥混凝土相比，强度和重量的比值增大；另外，抗裂性、抗变形性、抗剪切性、抗疲劳性等都有明显的提高。
关键词：水泥基复合材料;钢纤维；混杂纤维;增强作用。
1.钢纤维在水泥基复合材料中的作用及其增强机理1.1钢纤维在水泥基复合材料中的作用纤维加入水泥基材有三个主要作用[1]：（1）使水泥基材抗拉强度得以保证或提高；（2）在水泥基材中有阻断作用；（3）水泥基材的形变能力得到提高因为水泥基材的极限延伸率远小于纤维增强材料,所以在拉力作用下,水泥基材在达到其极限延伸率时发生开裂。
在纤维增强水泥基复合材料中纤维的主要作用在于吸收水泥基材开裂时释放的能量,并因而阻止基材中裂缝的扩展。
水泥基材中出现裂缝后,纤维可以与基材脱黏而从基材中拔出、或在应力达到最大值时拉断、或跨越裂缝承受拉力，使复合材料的抗拉强度得到提高。
1.2钢纤维混凝土增强机理的基本理论[2]主要有两种思想对纤维增强复合材料产生重要影响：一种是复合力学理论；另一种是纤维间距理论(或称为纤维阻裂理论)。
1.2.1 纤维间距理论纤维间距理论是由线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用，这个理论认为要想使混凝土这样本身带有内部缺陷的脆性材料提高抗拉强度，内部缺陷的尺寸必须尽可能地减少，提高韧性。
1.2.2 复合力学理论由于混凝土自身具有多尺度层次、多相、多组分的非均质结构特征，使复合材料构成的混杂原理是其理论出发点，将纤维增强混凝土当作是纤维强化体系，推求纤维混凝土的弹性模量、强度、应力等，在拉伸方向上还要考虑复合材料非连续性短纤维的长度和取向修正及混凝土的非均匀和有效纤维体积率的比例特性。
根据复合力学理论可得乱向短钢纤维混凝土抗拉强度的计算公式为：2．钢纤维的不同因素对增强水泥基复合材料性能的影响2.1纤维体积率研究表明：高强混凝土基体开裂后，试件的拉伸变形主要来自于初始裂缝的不断扩张；在断裂处，通过纤维继续把荷载传递给未开裂的混凝土基体部分，钢纤维高强混凝土的力学性能取决于纤维与基体界面的粘结强度。
随裂缝不断张开，桥联纤维也不断被拔出或拉断，其拔出阻力主要取决于纤维基体界面粘着力及纤维异性引起的机械抗力等。
在钢纤维高强度混凝土中，钢纤维与高强度混凝土基体的紧密结合，增大了纤维对水泥基体的影响范围，纤维进一步缓和了缝端应力集中程度，从而更有效地阻止和限制了裂缝的开裂和扩展。
钢纤维横贯裂缝，可提高抵抗裂纹进一步发展的抗力，使得断口变得相对粗糙。
粗糙的断口形貌在某种程度上反映了钢纤维对断裂韧性的改善。
高强混凝土试件不仅峰值载荷较小，且达到峰值载荷后，事件破坏，绝大部分试件被劈为两半。
在钢纤维高强度混凝土试件的试验中，可以清晰地听到纤维拔出或拉断声，除极少数小体积率钢纤维高强度混凝土试件有个被劈为两半外，绝大部分试件没有完全裂开，钢纤维高强度混凝土断面内仍有钢纤维相连。
由于钢纤维的存在，钢纤维混凝土裂缝的上升路径不同于高强度混凝土时的直线上升，而是不断的改变方向，裂缝数量也不是高强度混凝土的一条，而是呈现多点开裂。
毕巧巍、汪辉[3]等通过在轻骨料混凝土中掺入适量钢纤维，研究了钢纤维掺量对轻骨料混凝土抗压强度、抗折强度及抗碳化性能的影响。
并从试验结果发现：随着钢纤维掺量的增加，对轻骨料混凝土的抗压强度提高作用有限，而对抗折强度贡献较大。
试件的抗碳化能力随着钢纤维含量的增大而增加，当钢纤维体积含量由0． 5％提高到 1.2％时，其碳化深度由8唧降低至5 mm ，降低了近40％。
可见钢纤维对提高轻骨料混凝土的抗碳化能力效果比较显著。
2．2纤维的长径比由实验可得，当纤维的长径比为70时，对混凝土试件的效果最明显，这是因为钢纤维在试件中是三维乱向分布的。
长径比为80、100的钢纤维长度相对较大，长径比为40、60的相对较短，产生的边壁效应相对较强。
钢纤维沿粗骨料界面分布起不到阻裂作用。
而长径比为70的钢纤维边壁效应较弱，即使有一定数量的钢纤维与脚和骨料界面相交，一旦平衡与界面的初始微裂纹有发展的趋势，这部风钢纤维能很好地阻止其发展，推迟了初始裂纹的产生，有效的提高了混凝土的抗压强度。
尹久仁、刘小根[4]等研究了钢纤维的长径比对层布式钢纤维混凝土的力学性能和断裂性能的影响研究结果表明：钢纤维长径比对其抗压强度影响甚微，层布式钢纤维混凝土的抗压强度仍取决于混凝土基材本身的性能。
劈裂强度随钢纤维长径比的增长而增长，在相同体积掺量下(P， =1．5％ ) ，W／C = 0．40 时，长径比为 120 和 80 的劈裂强度比长径比为 40 的劈裂强度分别提高10．88％和 14.63％，W／C = 0.45 时，长径比为120和80的劈裂强度比长径比为40 的劈裂强度分别提高了7％和10.34％。
3维混凝土的力学强度3.1抗压强度钢纤维混凝土虽受压强度增加不明显，但受压韧性却大幅度提高了。
这是由于钢纤维的存在，增大了试件的压缩变形，提高了受压破坏时的韧性。
从宏观上呈现，钢纤维混凝土受压破坏时，没有明显的碎块或崩落，仍保持这整体性。
3.2抗剪强度钢纤维混凝土具有优异的抗剪性能，对提高钢筋混凝土结构抗剪能力有重要意义。
通常在钢筋混凝土的构件中，其抗剪承载力主要靠箍筋和弯起钢筋承担，这些筋多了，不仅要提高工程投资，而且施工很不方便，尤其对薄壁、抗震结构和复杂形状的特种结构，问题则尤为突出。
因此采用钢纤维混凝土是提高结构抗剪能力的有效途径。
3.3抗弯强度钢纤维混凝土的抗弯强度，随着纤维掺量的增加而提高。
钢纤维混凝土等级提高，使抗弯强度提高明显。
在弯曲荷载作用下，钢纤维混凝土受拉区开裂，中性轴向上移，受拉区仍有部分纤维与基材的粘结力承受拉力，增加韧性，提高了混凝土的抗弯强度。
而普通混凝土则很快发生断裂，以致脆性破坏。
4、维水泥基复合材料的发展4.1粒钢纤维混凝土哈尔滨建筑大学对此进行了进一步的研究，尝试在陶粒混凝土中掺入一定量的钢纤维制成一种新型的复合材料——陶粒钢纤维混凝土。
他们主要从水泥浆稠度、水泥浆数量、砂率、骨料最大粒径、钢纤维掺量几个方面对混凝土性能的影响作了相应的分析。
其结果表明[5]：（1）随着水泥浆稠度的减小、水泥浆量的赠加、骨料最大粒径的增大，陶粒钢混凝土的流动性显著提高；（2）随着钢纤维掺量的增加，最佳砂率也随之增加，但混凝土中拌合物的流动性明显降低。
彭亚萍[6]对两根采用“人工塑性铰”配筋形式的陶粒混凝土连梁（其中一根掺入钢纤维）在反复载荷作用下的强度、刚度、延伸性及耗能情况等基本性能进行了研究和非线性有限元分析，结果表明：采用“人工塑性铰”配筋形式的钢纤维陶粒混凝土连梁具有优良的抗震性能。
4.2射钢纤维混凝土喷射钢纤维混凝土(SFRS)，又称钢纤维喷射混凝土，是在普通混凝土中混入钢纤维，依靠压缩空气高速喷射在结构表面的一种性能优良的水泥基复合材料。
需注意的是：喷射钢纤维混凝土的制备除需要考虑到普通混凝土配合比的设计，还必须考虑喷射混凝土的可泵性、回弹率以及混凝土在喷射面上的附着性等。
云南省昆石高速公路小团山隧道采用喷射钢纤维混凝土进行初期支护，取得了很好的效果。
对喷射钢纤维混凝土的研究主要集中在以下几个方面[7]：（1）混凝土的配合比设计；（2）喷射的方法，包括素喷法和湿喷法；（3）钢纤维的分布特性的分析；（4）支护长期效应的数值模拟；（5）方向效能系数研究；（6）弯曲韧性、抗拉强度的测试等。
4.3纤维活性粉末混凝土1993年，法国Bouygues实验室研制出一种活性粉末混凝（RPC），是通过提高组分的细度和反应的活性来实现的。
在此基础上，深圳市市政工程设计院和深圳大学选用粉煤灰部分取代硅灰，用天然河砂取代石英和石灰粉，利用本地原料制备RPC，并对钢纤维活性粉末混凝土的抗收缩、抗氯离子渗透、耐磨性、抗渗性等耐久性能进行了研究。
结果表明：钢纤维的掺入可以分散毛细管的收缩能力，有效防止局部的应力集中现象，减少RPC裂缝的产生；而且，钢纤维RPC能抗氯离子渗透，并具有良好的耐磨性、耐久性 [8]。
解放军理工大学，为比较增强活性粉末混凝土在弹体作用下的抗侵彻性，对钢筋混凝土、钢丝网和钢纤维分别增强的活性粉末混凝土靶件进行对比炮击试验。
结果表明：钢丝网和钢纤维的增强作用较优；但综合考虑经济性和工艺性，优选的抗侵彻材料是钢丝网增强活性粉末混凝土。
[9]4.4 上下层布式钢纤维混凝土目前，许多学者已经对这种形式的构件的弯拉强度进行了研究，但大多集中于某单一因素的影响分析。
针对这一情况，武汉理工大学设计研究院对弯拉强度的各因素之间的关系和最佳因素水平组合进行了探讨。
他们主要利用正交实验的方法，选取3种长径比L f / d f : 60，80和100；三种体积率V f : 1.0%，1.5% 和2.0%，即两因素三水平。
按正交表L9(34)来考虑各因素之间的关系，并对其进行方差分析，得出结论：当L f / d f=100，V f =1.5%时，最有利于提高层布式钢纤维混凝土的弯拉强度[10]。
参考文献：[1] 沈荣熹，崔琪，李清海．新型纤维增强水泥基复合材料[c]．北京：中国建材工业出版社， 2004 ： 10 — 50．[2]刘建秀．钢纤维混凝土基本理论[M ]．北京：科学技术文献出版社， 1994 ： 232 — 243．[3]毕巧巍，汪辉，项影明．粗纤维轻骨料混凝土的力学性能及抗碳化性能的试验研究[J]．工业建筑， 2009(39) ： 883—885[4] 尹久仁，刘小根，张平等．层布式钢纤维混凝土力学行为与断裂性能研究[J]．湘潭大学自然科学学报， 2007(29) ： 86 — 9 1[5] 郑秀华,刘晓林,张松榆.陶粒钢纤维混凝土流动性的试验研究[J].哈尔滨建筑大学学报.2000,33(3):71～73.[6]彭亚萍.陶粒混凝土剪力墙中连梁的抗震性能研究.山东建材学院学报.2000,14(2):134～137.[7]曾云川.喷射钢纤维混凝土在小团山隧道的应用[J].云南交通科技.2003,19 (2):36～38.[8]李忠,黄利东.钢纤维活性粉末混凝土耐久性能研究[J].市政技术.2005，23（4）:255～257.[9]肖燕妮,王耀华等.增强活性粉末混凝土抗侵彻试验[J].解放军理工大学学报（自然科学版）.2005,6(3):262～264.[10] 戴绍斌,宋名海.上下层布式钢纤维混凝土弯拉强度正交试验研究[J].华中科技大学学报（城市科学版）.2005,22(2):5～7.。