混杂钢纤维高强混凝土断裂特性研究

第42卷第7期2023年7月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.7July,2023钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能丁亚红,邹成路,郭㊀猛,张美香,吕秀文(河南理工大学土木工程学院,焦作㊀454003)摘要:通过立方体抗压试验㊁劈裂抗拉试验与三点弯曲试验,探讨再生粗㊁细骨料较高取代率和钢纤维掺量对再生混凝土力学性能与断裂性能的影响㊂测试了试件28d 的立方体抗压强度㊁劈裂抗拉强度与双K 断裂韧度,分析了再生混凝土基本力学性能与断裂性能之间的相关性,提出了钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土起裂断裂韧度及失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的计算关系㊂结果表明:再生粗㊁细骨料以50%质量取代率分别替换天然碎石与河砂,钢纤维体积掺量为1.0%时,抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高,分别达到天然混凝土的77.12%与93.97%㊂掺加1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料掺量为50%时均超过了天然混凝土㊂关键词:再生混凝土;三点弯曲试验;劈裂抗拉强度;立方体抗压强度;起裂断裂韧度;失稳断裂韧度中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)07-2532-09Mechanical and Fracture Properties of Steel Fiber Reinforced Concrete with Large Amount of Recycled AggregateDING Yahong ,ZOU Chenglu ,GUO Meng ,ZHANG Meixiang ,LYU Xiuwen (School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)Abstract :Through cube compression test,splitting tensile test,and three point bending test,the effects of high replacement ratio of recycled coarse and fine aggregate,and steel fiber content on the mechanical and fracture properties of recycled concrete were investigated.The cube compressive strength,splitting tensile strength,and double K fracture toughness of the sample for 28d were tested,and the correlation between the basic mechanical properties and fracture properties of recycled aggregate concrete was analyzed.The computational relationships between the initiation fracture toughness,unstable fracture toughness,and splitting tensile strength of steel fiber reinforced concrete with large amounts of recycled aggregate were proposed.The results show that,the compressive strength and splitting tensile strength of recycled coarse and fine aggregate with a mass substitution ratio of 50%replace natural crushed stone and river sand and 1.0%volume fraction of steel fiber reach the highest,reaching 77.12%and 93.97%of those of natural concrete,respectively.After adding 1.0%volume fraction of steel fiber,the unstable fracture toughness of the test block significantly increases,and unstable fracture toughness exceedes that of natural concrete when the recycled fine aggregate content is 50%.Key words :recycled aggregate concrete;three-point bending beam test;splitting tensile strength;cube compressive strength;initiation fracture toughness;unstable fracture toughness 收稿日期:2023-02-20;修订日期:2023-04-20基金项目:国家自然科学基金(U1904188)作者简介:丁亚红(1973 ),女,博士,教授㊂主要从事再生混凝土材料相关方面的研究㊂E-mail:dingyahong@ 0㊀引㊀言将废弃混凝土破碎㊁筛分制成再生骨料,将其按照一定比例或全部替代天然砂石材料制成再生混凝土(recycle aggregates concrete,RAC)㊂由于再生骨料性能劣于天然骨料[1-2],再生混凝土相较于天然混凝土往第7期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2533㊀往表现出强度低㊁耐久性差等缺陷[3-5]㊂丁进炜[6]对再生混凝土的力学性能进行研究㊂结果表明试块的立方体抗压强度随着再生细骨料掺量的增加而减少㊂肖建庄等[7]通过改变再生细骨料掺量得出抗压强度的正态分布概率密度曲线,并指出再生细骨料的取代率不宜大于30%(质量分数)㊂为解决RAC的各种缺陷,国内外学者采用不同种类的纤维对RAC进行加强[8-11],纤维的桥接作用能够有效地限制其内部空隙与微裂缝的产生与扩展,能够明显改善RAC的韧性㊁延性与抗裂能力[12-15]㊂我国学者徐世烺与Reinhardt[16]提出的双K断裂模型,有效诠释了混凝土断裂行为机理㊂在国内工程实践中,再生骨料运用于混凝土中的掺量普遍较低,通常只有30%左右,不利于 绿色建筑绿色生产 的开展,因此本文采取再生粗㊁细骨料配制大掺量再生骨料混凝土进行力学性能与断裂性能试验,研究再生粗㊁细骨料取代率对再生混凝土的影响,同时采用钢纤维对其进行加强,为钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土工程实践中的推广应用提供数据和理论支持㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料试验用的P㊃O42.5级水泥来自河南省焦作市千业水泥厂,天然细骨料是细度模数为2.9的河砂,天然粗骨料选用连续级配的天然碎石,再生粗骨料取自河南理工大学废弃混凝土,经过破碎筛分制成,试验用水为焦作市自来水,骨料与钢纤维性能见表1㊁表2㊂减水剂为复合型高效聚羧酸减水剂,以上试验材料均来自同一批次㊂表1㊀骨料性能Table1㊀Aggregate propertiesAggregate type Aggregate size/mm Apparent density/(kg㊃m-3)Water absorption/%Crushing value/% Natural coarse aggregate 4.75~202673.1 1.3215.75 Recycled coarse aggregate 4.75~202540.08.9122.89 Natural fine aggregate0.15~4.752630.1 1.1011.25 Recycled fine aggregate0.15~4.752594.68.5027.36表2㊀钢纤维性能Table2㊀Performance of steel fiberSteel fiber type Average length/mm Length-diameter ratio Density/(kg㊃m-3)Tensile strength/MPa Corrugated milled steel fiber384278.5ˑ103>6001.2㊀试验方案以及配合比设计本文主要探讨大掺量再生粗㊁细骨料质量取代率及钢纤维掺量对再生混凝土基本力学性能与断裂性能影响的规律㊂试验中再生细骨料采用50%㊁70%㊁100%三个质量取代率取代天然碎石,再生粗骨料采用50%㊁70%㊁100%三个质量取代率取代河砂,钢纤维体积掺量为0%和1.0%㊂设计19组试验组包括立方体抗压试块每组三个,劈裂抗拉试块每组三个,三点弯曲试块每组三个,试验分组见表3㊂表3㊀试验分组Table3㊀Test groupsSample No.Replacement rate of recycledcoarse aggregate/%Replacement rate of recycledfine aggregate/%Steel fiber content/%NC000 R50-5050500 R50-7050700 R50-100501000 R70-5070500 R70-7070700 R70-1007010002534㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷续表Sample No.Replacement rate of recycled coarse aggregate /%Replacement rate of recycled fine aggregate /%Steel fiber content /%R100-50100500R100-70100700R100-1001001000SFR50-5050501SFR50-7050701SFR50-100501001SFR70-5070501SFR70-7070701SFR70-100701001SFR100-50100501SFR100-70100701SFR100-1001001001㊀㊀注:R100-100表示再生粗骨料质量取代率为100%,再生细骨料质量取代率为100%;SFR100-100表示再生粗骨料质量取代率为100%,再生细骨料质量取代率为100%,钢纤维体积掺量为1.0%㊂再生粗骨料与再生细骨料分别判定为Ⅱ类再生粗骨料㊁Ⅱ类再生细骨料,根据陕西省工程建设标准中的‘再生混凝土结构技术规程“(DBJ61/T 88 2014)中规定,Ⅱ类再生粗骨料宜配制强度等级为C40及以下强度等级的再生混凝土㊂混凝土的配合比按照‘普通混凝土配合比设计规程“(JGJ 55 2011)设计计算,设计强度等级为C30,水胶比为0.50,砂率为34.5%,所有试块坍落度控制在30~180mm,基础配合比见表4㊂表4㊀混凝土配合比设计Table 4㊀Mix proportion design of concreteComposition Water Cement Coarse aggregate Fine aggregate Water-reducing agent Mix proportion /(kg㊃m -3)20039811776200.861.3㊀试块制作与养护图1㊀三点弯曲梁试验Fig.1㊀Three-point bending beam test 考虑再生骨料吸水率较高,用清水预浸泡24h,再处理为饱和面干状态后再进行浇筑,在试块浇筑过程中采用统一的投料顺序以及搅拌时间,在模具内部涂抹疏水材料,保证脱模时试块的完整㊂试块浇筑完成后,静置24h,然后脱模并书写编号以作记录㊂养护时间为28d㊂1.4㊀试验装置及试验方法试块在最高3000kN 电液伺服万能材料试验机进行试验㊂立方体抗压试验与劈裂抗拉试验参照‘普通混凝土力学性能试验方法标准“(GB /T 50081 2019)进行㊂断裂试验采取三点弯曲试验,通过预埋钢片的方式预制裂缝㊂试验全程采用速率为0.1mm /min 的位移控制模式,裂缝口张开位移采用夹式引伸计测量,跨中挠度采用千分表测量,试验装置示意图如图1所示,D 为试件高度,l 为试件长度,S 为支座跨度,a 0为初始裂缝长度,P 为外荷载㊂2㊀双K 断裂参数的确定起裂断裂韧度按式(1)~(2)计算㊂K ini Ⅰc =3P ini ㊃S 2D 2㊃B a 0f 1(α)(1)第7期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2535㊀f 1(α)=1.99-a 0D 1-a 0D ()2.15-3.93a 0D +2.7a 0D ()2[]1+2a 0D ()1-a 0D ()3/2(2)式中:K ini Ⅰc 为起裂断裂韧度,MPa㊃m 1/2;P ini 为起裂荷载,kN;a 0为初始裂缝长度,mm;D 为试件高度,mm;B 为试件厚度,mm;S 为支座跨度,mm㊂失稳断裂韧度按式(3)~(7)计算㊂K un Ⅰc =3P max ㊃S 2D 2㊃B a c f 2(α)(3)f 2(α)=1.99-a c D 1-a c D ()2.15-3.93a c D +2.7a c D ()2[]1+2a c D ()1-a c D ()3/2(4)a c =2π(D +H 0)arctan B ㊃E 32.6P max CMOD c -0.1135-H 0(5)CMOD i =24P i ㊃a 0B ㊃D ㊃E f 3(α)(6)f 3(α)=0.76-2.28a 0D +3.87a 0D ()2-2.04a 0D ()3+0.661-a 0D ()2(7)式中:P max 为峰值荷载,kN;CMOD c 为峰值荷载对应的裂缝张口位移,μm;a c 为临界等效裂缝长度,mm;P i 与CMOD i 为试验P -CMOD 曲线上线性上升段任找三点的对应值(P 1,CMOD 1),(P 2,CMOD 2),(P 3,CMOD 3);H 0为试件高度加上刀口厚度;E 为弹性模量㊂3㊀结果与讨论3.1㊀试验过程与破坏形态立方体抗压试验中,未掺纤维试件最终的破坏形态往往呈沙漏状㊂掺入钢纤维的试件由于钢纤维的桥接作用,无大块剥落的现象,整体形状接近柱状,呈现出裂而不碎的形态,破坏形态如图2㊁图3所示㊂图2㊀再生混凝土受压破坏形态Fig.2㊀Compression failure mode of recycled aggregate concrete 图3㊀钢纤维再生混凝土受压破坏形态Fig.3㊀Compression failure mode of steel fiber recycled aggregate concrete 再生混凝土劈裂抗拉试验过程中,未掺加纤维的试件表面形成一条垂直于受力面且贯穿试件的裂缝,试件迅速失去承载力㊂掺入钢纤维的试块的破坏面能够观察到跨越裂缝的钢纤维,且钢纤维的波纹形状出现了不同程度的拉直情况,破坏形态如图4㊁图5所示㊂三点弯曲试验过程中,在预制裂缝正上方施加荷载,随着荷载的增加,试块表面形成明显的宏观裂缝,承载力快速下降㊂未掺钢纤维试块承载力瞬间下降,裂缝快速扩大,夹式引伸计脱落㊂掺加钢纤维的试块表现2536㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷出一定的韧度,多根钢纤维跨越裂缝面,破坏形态如图6㊁图7所示㊂图4㊀再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.4㊀Splitting tension failure mode of recycledaggregateconcrete图5㊀钢纤维再生混凝土劈裂受拉破坏形态Fig.5㊀Splitting tensile failure mode of steel fiber reinforced recycled aggregateconcrete图6㊀再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.6㊀Three-point bending failure mode ofrecycled aggregateconcrete图7㊀钢纤维再生混凝土三点弯曲破坏形态Fig.7㊀Three-point bending failure mode of steel fiberreinforced recycled aggregate concrete3.2㊀立方体抗压强度的影响因素图8㊁图9分别为再生混凝土㊁钢纤维再生混凝土抗压强度,可以看出,再生粗骨料的加入为试块的立方体抗压强度带来了明显的负面影响,再生粗骨料(RCA)质量取代率为50%,再生细骨料(RFA)质量取代率为50%,掺加体积掺量1.0%钢纤维的试样抗压强度最高,达到了天然混凝土的77.17%㊂掺入钢纤维后,强度虽有所提高但依然随再生粗骨料的增多而降低,出现这种情况的原因主要是钢纤维自身性能较好,在混凝土内部能够提供一定的抗压能力;再生粗骨料表面附着老旧砂浆,随着再生粗骨料的增加,混凝土基体中的负面因素不断累积,混凝土基体更容易发生破坏,试件失去承载力㊂再生细骨料对试块的抗压强度有明显的抑制表现,再生细骨料相较于天然河砂具有均质性差㊁吸水率高㊁压碎值大等诸多缺陷,混凝土基体更容易产生微小裂缝,受到应力集中的影响,裂缝迅速扩大从而被破坏㊂图8㊀再生混凝土抗压强度Fig.8㊀Compressive strength of recycledaggregateconcrete图9㊀钢纤维再生混凝土抗压强度Fig.9㊀Compressive strength of steel fiber reinforcedrecycled aggregate concrete第7期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2537㊀3.3㊀劈裂抗拉强度的影响因素图10为再生混凝土劈裂抗拉强度,可以看出,随着再生粗骨料的增多,试件劈裂抗拉强度逐渐下降㊂再生粗骨料自身缺陷导致试件强度下降,更容易发生破坏㊂当再生粗骨料质量掺量为70%时,劈裂抗拉强度受再生细骨料影响最为明显,当再生粗骨料完全取代碎石材料时,劈裂抗拉强度受变化幅度最小㊂再生粗骨料质量取代率越高,劈裂抗拉强度受再生细骨料质量取代率的影响越明显㊂在纤维混凝土材料中,砂浆与钢纤维的黏结占据了主导地位㊂再生细骨料大大减弱了砂浆的强度进而导致钢纤维在混凝土基体内的黏结程度降低[17],试块在受力过程中更容易发生钢纤维的拔出破坏,从而失去承载力㊂钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度试验结果如图11所示㊂图10㊀再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.10㊀Splitting tensile strength of recycled aggregateconcrete 图11㊀钢纤维再生混凝土劈裂抗拉强度Fig.11㊀Splitting tensile strength of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete 3.4㊀荷载-裂缝开口位移曲线图12㊁图13分别为再生混凝土和钢纤维再生混凝土的P -CMOD 曲线,可以非常明显地看出三点弯曲下的试块中,试块的峰值荷载因再生粗㊁细骨料的增加而逐渐下降,再生粗㊁细骨料分别50%质量替换碎石与河砂,掺加体积掺量1.0%钢纤维,再生混凝土峰值荷载达到最高,峰值荷载达到天然混凝土的84.40%㊂相较于素再生混凝土P -CMOD 曲线,钢纤维再生混凝土具有更高的峰值荷载,下降段的残余强度更高,有效提高了再生混凝土的韧性㊂图12㊀再生混凝土P -CMOD 曲线Fig.12㊀P -CMOD curves of recycled aggregate concrete㊀图13㊀钢纤维再生混凝土P -CMOD 线Fig.13㊀P -CMOD curves of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete 3.5㊀起裂断裂韧度与失稳断裂韧度再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度如图14所示,试块的起裂断裂韧度随着再生粗㊁细骨料增加呈负增长的趋势,再生粗㊁细骨料分别50%质量替换碎石与河砂材料,钢纤维体积掺量为1.0%时,起裂断裂韧度达到最高,为0.645MPa㊃m 1/2㊂2538㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图14㊀素再生混凝土与钢纤维再生混凝土断裂韧度Fig.14㊀Fracture toughness of plain recycled aggregate concrete and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete 在三点弯曲试验中,试块预制裂缝端口处在应力集中的情况下更早出现宏观裂缝,直接导致起裂断裂韧度明显下降㊂掺入钢纤维后,钢纤维能够增强再生混凝土的整体性,减少再生混凝土基体在水化过程中因收缩形成的微小裂缝与有害空隙,在荷载不断增加的试验过程中延缓宏观裂缝产生的时间点,提高再生混凝土的起裂断裂韧度㊂当再生粗㊁细骨料分别70%质量取代天然砂石时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,提升了24.73%㊂钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料质量取代率为50%,再生细骨料质量取代率为50%㊁70%㊁100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的99.29%㊁91.80%㊁75.92%;掺入钢纤维后,失稳断裂韧度大幅提高,甚至超过天然混凝土,分别达到天然混凝土的124.41%㊁116.33%㊁101.29%㊂钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料质量取代率为70%,再生细骨料质量取代率为50%㊁70%㊁100%时,失稳断裂韧度分别为天然混凝土的95.34%㊁87.91%㊁67.51%;加入钢纤维后,失稳断裂韧度分别达到天然混凝土的106.17%㊁102.17%㊁95.66%㊂钢纤维体积掺量为0%,再生粗骨料完全取代天然骨料后,失稳断裂韧度水平较低,分别只达到天然混凝土的76.99%㊁75.78%㊁71.13%;掺加钢纤维后,失稳断裂韧度达到天然混凝土的100.02%㊁93.3%㊁83.39%㊂根据图14中的数据,试块的失稳断裂韧度受再生粗㊁细骨料增加而产生负面影响,再生粗㊁细骨料分别50%质量取代天然砂石,钢纤维体积掺量为1.0%时,失稳断裂韧度达到最高,为1.096MPa㊃m 1/2㊂试件预制裂缝端口处在应力集中作用下发生开裂后,荷载达到峰值后,试块的承载能力快速下降,在极短时间内失去承载能力㊂掺加1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料质量掺量为50%时均超过了天然混凝土,这是因为钢纤维在混凝土基体中的 桥接作用 ,将裂缝两侧受到的拉力转化为沿钢纤维分布的拉力以及异形钢纤维与新砂浆的黏结力与机械咬合,阻碍了宏观裂缝的进一步延伸扩展㊂当再生粗骨料质量取代率为70%,再生细骨料全部取代天然河砂时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,较未掺钢纤维试件提升了41.70%㊂3.6㊀断裂韧度与劈裂抗拉强度的换算关系裂缝延伸过程中在裂缝最前端形成微裂区,并以此为先导开始扩展㊂在此区域内产生黏聚力㊂K Ⅰσ为黏聚力作用产生的应力强度因子,失稳断裂韧度与起裂断裂韧度的差值由黏聚力提供,即为:K ini Ⅰc +K Ⅰσ=K un Ⅰc ㊂诸多学者提出直线型㊁折线型㊁曲线型的混凝土软化本构曲线[18-22],给出了黏聚力的不同表达式,如表5所示㊂表5㊀文献中混凝土软化本构模型[18-22]Table 5㊀Softening constitutive model of concrete in literature [18-22]Type Model Literature Straight type σ(ω)=f t 1-ωω0()[18]Folded line type σ(ω)=f t -(f t -σs )ωω0,0ɤωɤωs σs (ω0-ω)(ω0-ωs ),ωs <ω<ω00,ω0<ωìîíïïïï[19]σ(ω)=f t ,ωɤω1f t -0.7f t (ω-ω1)(ω2-ω1),ω1<ω<ω20.3f t (ω0-ω)(ω0-ω2),ω2<ωɤω0ìîíïïïï[20]第7期丁亚红等:钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能2539㊀续表TypeModel Literature Curve type σ(ω)=f t exp(AωB )[21]σ(ω)=f t 1-ωω0()η[][22]因此认为,混凝土的起裂断裂韧度㊁失稳断裂韧度与其劈裂抗拉性能有密切关系㊂则将混凝土的起裂断裂韧度㊁失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度进行拟合(见图15㊁图16),计算关系如式(8)~(9)所示㊂K ini Ⅰc =0.22541f t -0.19271(8)K un Ⅰc =0.29072f t -0.10137(9)拟合结果可以看出,试件的起裂断裂韧度㊁失稳断裂韧度均与劈裂抗拉强度呈正相关,这与上述预测模型趋势类似,也进一步印证本文的分析结果㊂图15㊀起裂断裂韧度与劈裂抗拉强度的拟合曲线Fig.15㊀Fitting curve of initiation fracture toughness and splitting tensilestrength 图16㊀失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的拟合曲线Fig.16㊀Fitting curve of unstable fracture toughness and splitting tensile strength 4㊀结㊀论1)再生粗㊁细骨料大掺量取代天然砂石材料导致试件基本力学性能有较为明显的下降,并且随着掺量的增加下降幅度也增加㊂再生粗㊁细骨料均完全取代天然砂石,未掺加钢纤维时,劣化幅度最大分别达到了52.17%㊁32.33%㊂2)钢纤维自身强度较高,加入钢纤维后,再生混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度均有明显改善,增幅最高分别达29.95%㊁25.23%㊂再生粗㊁细骨料质量取代率均为50%,钢纤维体积掺量为1%时,抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高,分别达到天然混凝土的77.12%与93.97%㊂3)再生粗㊁细骨料对再生混凝土的起裂断裂韧度与失稳断裂韧度起到负面作用,再生粗㊁细骨料质量取代率均为50%,钢纤维掺量为1.0%时,起裂断裂韧度与失稳断裂韧度达到最高,分别为0.645㊁1.096MPa㊃m 1/2㊂4)钢纤维的掺加能够有效提升再生混凝土断裂性能,当再生粗㊁细骨料均为70%质量取代天然碎石与河砂材料时,钢纤维对起裂断裂韧度的优化作用最高,提升了24.73%;当再生粗骨料质量取代率为70%,再生细骨料质量取代率为100%时,钢纤维对失稳断裂韧度的优化作用最高,提升了41.70%㊂参考文献[1]㊀肖建庄,林壮斌,朱㊀军.再生骨料级配对混凝土抗压强度的影响[J].四川大学学报(工程科学版),2014,46(4):154-160.XIAO J Z,LIN Z B,ZHU J.Effects of recycled aggregates gradation on compressive strength of concrete[J].Journal of 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钢纤维混凝土中纤维含量对力学性能影响的研究一、引言钢纤维混凝土是一种新型的混凝土材料，它通过添加钢纤维来增强混凝土的力学性能，从而提高其抗张强度、抗裂性能、抗冲击性能和耐久性等方面的指标。

在工程应用中，钢纤维混凝土已经被广泛应用于地下结构、隧道、桥梁、机场跑道、船坞等重要工程中。

然而，钢纤维混凝土的力学性能受到纤维含量的影响，因此，深入研究纤维含量对钢纤维混凝土力学性能的影响具有重要的理论和实际意义。

二、钢纤维混凝土的力学性能钢纤维混凝土的力学性能包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、裂缝扩展性和抗冲击性能等指标。

其中，抗拉强度和裂缝扩展性是钢纤维混凝土的重要性能指标。

1. 抗拉强度抗拉强度是钢纤维混凝土的重要性能指标之一，它直接影响混凝土的抗裂性能。

研究表明，混凝土中添加钢纤维后，抗拉强度得到了显著提高。

这是因为钢纤维可以在混凝土中形成一种网状结构，有效地阻止了裂缝的扩展，从而提高了混凝土的抗拉强度。

2. 裂缝扩展性裂缝扩展性是钢纤维混凝土的另一个重要性能指标，它反映了混凝土在受力时的变形能力和抗裂性能。

研究表明，混凝土中添加钢纤维后，裂缝扩展性得到了显著提高。

这是因为钢纤维可以在混凝土中形成一种网状结构，有效地阻止了裂缝的扩展，从而提高了混凝土的裂缝扩展性。

三、纤维含量对钢纤维混凝土力学性能的影响纤维含量是影响钢纤维混凝土力学性能的重要因素之一。

纤维含量的变化会直接影响钢纤维混凝土的力学性能。

下面将从抗拉强度、裂缝扩展性和抗冲击性能三个方面探讨纤维含量对钢纤维混凝土力学性能的影响。

1. 抗拉强度研究表明，纤维含量对钢纤维混凝土的抗拉强度有显著影响。

当纤维含量较低时，钢纤维可以形成一个较为松散的网状结构，不能有效地阻止裂缝的扩展，从而抗拉强度较低。

当纤维含量增加时，钢纤维之间的相互作用增强，形成了一个更为紧密的网状结构，可以有效地阻止裂缝的扩展，从而抗拉强度得到了显著提高。

但是，当纤维含量过高时，钢纤维之间的相互作用过于强烈，会导致混凝土中的孔隙率降低，从而影响混凝土的强度和耐久性。

超高性能混凝土中钢纤维的作用机理研究超高性能混凝土（UHPC）是一种新型的高性能混凝土，具有高强度、高耐久性、高密实度等优异性能，并且广泛应用于桥梁、隧道、高层建筑等工程领域。

而钢纤维是UHPC中常用的增强材料之一，它能够有效提高UHPC的抗拉强度、耐冲击性、抗裂性等性能。

本文将从以下三个方面探讨钢纤维在UHPC中的作用机理：增强效应、界面效应、断裂韧性。

一、增强效应UHPC中的钢纤维可以有效地增强混凝土的力学性能，特别是抗拉强度和冲击强度。

钢纤维在混凝土中的作用主要有以下两个方面：1.1 增强混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度是其相对较弱的力学性能之一，而钢纤维的加入可以有效提高混凝土的抗拉强度。

这是因为钢纤维的强度远高于混凝土的强度，而且钢纤维与混凝土之间的粘结力较强，可以有效地阻止混凝土的开裂和破坏。

此外，钢纤维的加入还可以提高混凝土的延性和变形能力，从而增加混凝土的抗震性能。

1.2 增强混凝土的冲击强度UHPC在受到冲击载荷时，容易发生局部破坏和裂缝扩展，而钢纤维的加入可以有效地防止混凝土的破坏和裂缝扩展，从而提高混凝土的冲击强度。

此外，钢纤维的加入还可以增加混凝土的能量吸收能力，从而提高混凝土的耐久性和抗震性能。

二、界面效应UHPC中的钢纤维与水泥基质之间存在界面，界面的性质和质量对UHPC的力学性能有着重要的影响。

具体而言，界面效应主要有以下两个方面：2.1 提高混凝土的完整性钢纤维与水泥基质之间的界面可以提高混凝土的完整性，防止混凝土内部的裂缝逐渐扩大，从而保持混凝土的力学性能。

此外，界面效应还可以增加UHPC的弹性模量和刚度，提高其耐久性和抗震性能。

2.2 影响钢纤维的分散性和分布UHPC中的钢纤维分散性和分布均对混凝土的力学性能有着重要的影响。

如果钢纤维分散不均匀，会导致混凝土的强度和延性不均，从而影响混凝土的力学性能。

此外，钢纤维的分布不均匀还会导致混凝土的开裂和破坏，从而影响混凝土的耐久性和抗震性能。

超高性能混凝土中钢纤维的作用机理研究超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一种新型的高强、高耐久、高密实、高可塑性的混凝土材料，其抗压强度可达到200MPa以上，是传统混凝土的3-4倍。

UHPC的优异性能主要得益于其特殊的组成和微观结构，其中钢纤维是不可或缺的组成部分之一。

本文将从UHPC的基本特性入手，阐述钢纤维在UHPC中所起的作用机理，并对UHPC中钢纤维的种类、含量、长度、形状等关键因素进行讨论。

一、UHPC的基本特性1. 抗压强度高UHPC的抗压强度可达到200MPa以上，是普通混凝土的3-4倍。

这主要得益于UHPC中的微观结构，其颗粒尺寸比普通混凝土小，粒径在0.1-0.3μm之间，粒子之间的间隙较小，可以形成更加紧密的结构。

2. 密实性强UHPC的密实性强，可以减少水分的渗透，从而提高材料的耐久性。

UHPC中的钢纤维可以起到填充微观孔隙的作用，进一步提高材料的密实性。

3. 抗裂性好UHPC中的钢纤维可以有效地控制材料的裂缝扩展，提高材料的抗裂性。

此外，UHPC中的钢纤维还可以增加材料的韧性，从而提高其抗震能力。

4. 耐久性高UHPC的微观结构有助于减少水分的渗透，从而提高材料的耐久性。

此外，UHPC中的钢纤维可以有效地控制材料的裂纹扩展，从而延长材料的使用寿命。

二、钢纤维在UHPC中的作用机理1. 提高材料的抗拉强度UHPC中的钢纤维可以有效地提高材料的抗拉强度。

钢纤维在UHPC 中的作用类似于钢筋，可以承受一部分拉力。

当UHPC受到拉力时，钢纤维会将拉力分散到整个材料中，从而提高材料的抗拉强度。

2. 控制裂纹扩展UHPC中的钢纤维可以有效地控制材料的裂纹扩展。

当材料发生裂纹时，钢纤维可以起到“桥梁”的作用，将裂纹连接起来，从而防止裂纹扩展。

此外，钢纤维还可以吸收裂纹能量，从而提高材料的韧性。

3. 增加材料的韧性UHPC中的钢纤维可以增加材料的韧性。

浅谈钢纤维混凝土特性和工程运用王松林张箭(中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075)工程技术喃要】由于钢纤维混凝土具有韧性高、耐久挂好等诸多优点，被广泛研兜和应用于工程的各个领域。

本文分析了钢纤维浸凝±的增强机理和特点，并提出了今后的展望。

暖蘧词】铜纤维混凝b机理；性能；应用波特兰水泥问世以来，混凝土就凭借它易成型，耐久性好，价格便宜等优点成为工程建设中使用最广泛的建筑材料之一。

普通混凝土自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的扩大应用。

特别是普通水泥混凝土路面，虽然强度高，板块性好。

但它最大的缺陷是脆性大、容易开裂、路面板块容易受弯折而产生断裂。

纤维混凝土是混凝土改性的一个重要手段，钢纤维混凝土是其中的一种。

它是在普通混凝土中掺^适量钢纤维而形成的一种新型复合材料。

它克服了混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、脆性等缺点，具有优良的抗拉强度、抗弯曲韧性、抗冲击性能、抗裂缝开展等力学性能及应用特点，已在建筑、路桥、水工等领域得到应用。

1钢纤维混凝土的增强机理对于钢纤维混凝土的增强机理，目前存在两种不同的解释，一种是美国J．p R om ual di等人提出的纤维间距机理，另一种是英国R N Sw am y,P S M a nga t等人提出的复合材料棚理。

纤维间距机理是基于线弹性断裂力学的基础上来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用的。

纤维间距愈小，强度提高的效果就越好，且纤维的弹性模量越大，越有效地提高了混疑土抗拉强度、抗弯曲韧性、抗裂缝开展等力学性能，达到纤维对混凝土增强与增韧的目的。

复合材料初理是将钢纤维混凝土简化为钢纤维和混凝土两相复合材料，它综合了两种材料的性能。

钢纤维混凝土中均匀无序乱向分布的短纤维的主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和防止宏观裂缝的发生。

该栅理忽略了复合带来的耦合效应，仅适用于初裂前的情况。

理论分析表明，纤维所受的应力与纤维长径比和界面黏结强度成正比，要提高纤维在混凝土中的增强效果，一是提高钢纤维的长径比，二是提高钢纤维与基体之间的黏结强度。

浅议钢纤维混凝土性能极其应用【摘要】在建筑施工中钢纤维混凝土得到了越来越广泛的应用，主要是由于钢纤维混凝土作为一种新型的材料具有更优良的性能，在普通混凝土的基础上有很大的改善，本文主要通过对钢钎混凝土性能的了解，探讨了其在建筑工程中的应用效果以及一些控制要点。

【关键词】钢纤维混凝土性能施工钢纤维混凝土之所以比普通混凝土的性能更好，主要是乱向分布的短钢纤维能够起到有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，从而大大的改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击以及抗疲劳等性能，具有了较好的延性，发挥了其在各项工程中的作用。

一、钢纤维的品种和特性钢纤维混凝土性能最重要的一个因素就是钢纤维与基体的粘结性能是否良好。

高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩型纤维、剪切异型纤维、低合金钢熔抽型纤维，由于有很好的性能并且在国内已有工程经验，所以将其列入规程。

剪切直型、微扭型和波纹型，其优点是它的生产工艺简单而成本相对较低，并由于表面不规则而有利于与基体粘结，故规程中仍保留。

注意到低碳钢板剪制的纤维，在基体开裂后其扭曲或波纹很容易拉直，其增强增韧效果与直形差别很小，故使用中可划归一类。

二、钢纤维几何参数和掺量范围在施工中如果是有特殊要求的，则钢纤维不宜太长掺量也不宜太高；而对那些对韧性有较高要求的，则可以钢纤维宜长些，掺量也高些。

有一点是要特别注意的：钢纤维的长度应该能够和基体混凝土所用骨料的粒径相匹配，钢纤维的长度应不小于骨料粒径的1.5倍。

骨料粒径最好不要超过20mm，如果粒径大于20mm 时应通过专门试验确定钢纤维的品种、尺寸和掺量。

下表给出的是参考范围，具体的应通过设计计算和纤维混凝土试验确定。

（表1）三、钢纤维混凝土的基本性能1. 钢纤维混凝土的力学性能钢纤维混凝土的纤维体积率在1%-2%之间，所以要比普通混凝土的抗拉强度提高50%-80%，而且抗弯强度和抗剪强度分别提高60%-110%和50%-100%，相对来讲抗压强度提高的幅度是最小的，通常都是在0-20%之间，但抗压韧性的提高幅度却较大。

混凝土抗裂钢纤维的作用原理混凝土抗裂钢纤维是在混凝土中加入一定比例的钢纤维，用于增强混凝土的抗裂性能。

它在建筑工程和土木工程中被广泛应用，能够有效防止混凝土的裂缝产生和扩展，提高混凝土结构的耐久性和安全性。

1. 基本原理混凝土抗裂钢纤维的作用原理主要有以下几个方面：1）阻止裂缝扩展：钢纤维在混凝土中形成一个三维分布的网状结构，能够阻止裂缝的扩展。

当混凝土受到内外力的作用时，钢纤维能够吸收和分散大部分的应力，防止应力集中，从而减缓裂缝的形成和扩展。

2）增加拉伸强度：混凝土的强度主要体现在抗拉强度上，而钢纤维的添加可以显著提高混凝土的抗拉强度。

钢纤维通过增加混凝土的韧性和延性，使其在受到拉伸力时能够延展而不断裂，从而提高整体的抗拉性能。

3）提高耐久性：混凝土抗裂钢纤维可以改善混凝土的抗冻融性能和耐久性。

钢纤维能够防止冻融循环过程中的微裂缝扩展，减少冻融导致的混凝土损伤，提高混凝土的耐久性和抗渗性能。

4）增加韧性：由于混凝土的脆性特性，容易在受到外界冲击或振动时发生破坏。

而钢纤维的添加能够改善混凝土的韧性，使其在受到冲击或振动时能够吸收和分散能量，防止破坏发生或减轻破坏程度。

5）提高施工效率：相比于传统的钢筋加固，混凝土抗裂钢纤维的使用能够简化工程施工过程，减少工期和人力成本。

钢纤维可以均匀分散在混凝土中，不需要像传统钢筋那样进行精确的布置和焊接，大大提高了施工效率。

2. 使用范围混凝土抗裂钢纤维适用于各种工程和结构中，特别是对于需要抗裂性能的部位，如地下工程、路面、桥梁、楼板、水池等。

钢纤维的添加能够有效增强混凝土的整体性能，提高结构的抗裂能力和耐久性，延缓和减小结构的损坏和破坏。

3. 标准和注意事项在使用混凝土抗裂钢纤维时，需要按照相关的标准和规范进行操作。

一般来说，钢纤维的添加量应该根据混凝土的用途和要求进行调整，通常为混凝土配合比的0.1%~2%。

在施工过程中需要注意以下几点：1）混凝土抗裂钢纤维应均匀分散在整个混凝土中，不能聚集在一起，否则会对混凝土的力学性能产生影响。

混凝土2021年第5期(总第379期)Number5in2021(Total No.379)原材料及辅助物料MATERIAL AW ADMI%ICLEdoi:10.3969/j.issn.1002-3550.2021.05.020纤维对混凝土梁开裂弯矩和弯曲韧性的影响李东升，丁一宁(大连理工大学海岸与近海家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：为了研究纤维对混凝土开裂弯矩和弯曲韧性的影响，结合钢纤维、聚丙烯纤维混凝土梁的四点弯曲试验，考虑受拉区 混凝土的塑性变形，推导了纤维混凝土裂弯矩的计算，并分析了纤维混凝土裂塑性发展的影响。

结，钢纤维掺超过40kg/m3、纤维掺超过4kg/m3，纤维可以受拉区混凝土塑性形的能力,从而一度裂荷。

同时，结构型钢纤维纤维对混凝土性有较为显著的提高作用。

结传统论的截面塑性展，将纤维的作以的形加以，可以在设计较为简便的F关键词：纤维混凝土；裂弯矩；性；结构设计中图分类号：TU528.041文献标志码：A文章编号：1002-3550(2021)05-0088-04Investigation into the influence of fibers on cracking moment and flexural toughness of concreteLI Dongsheng,DING Wining(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology,Dalian116024,China)Abstract：To investigate the influence of fibers on the cracking moment of concrete and the properties of the post-cracking behaviors, the present paper derives formula of cracking moment of the concrete considering the plastic development in the tension zone,based on the results of four points loading test.It shows that fibers can increase the cracking moment of concrete, when the dosage of the steel fibers is more than40kg/m3and PP fibers more than4kg/m3.The reason is that the fibers can improve the ability of the plastic development in the tension zone of concrete.Marco-steel and PP fibers can significantly increase the flexural toughness of concrete.It is convenience for the designer to use if the form of increasing factor is adapted to consider the influence of fibers.Key words：fiber reinforced concrete；cracking moment；flexural toughness；structural design0引言在钢筋混凝土结构受力较为复杂,或对裂缝宽度、变形控制较为严格的区域，钢筋的配制往往较为密集F在这种情况下，振捣棒往往难以正常工作，这将严重影响到混凝土硬化后的力学性能以及耐久性能。

钢纤维混凝土中的损伤与修复研究一、背景介绍钢纤维混凝土是一种新型的复合材料，具有高强度、高韧性、耐久性好等优点，在工业和民用建筑中得到了广泛应用。

然而，由于外部环境和使用条件的不同，钢纤维混凝土容易受到损伤，如龟裂、断裂、脱落等，影响其使用寿命和安全性。

因此，研究钢纤维混凝土中的损伤与修复具有重要意义。

二、钢纤维混凝土中的损伤类型1. 龟裂损伤：钢纤维混凝土在受力作用下容易出现龟裂，尤其是在弯曲和剪切的作用下，龟裂会使钢纤维混凝土的强度和韧性大幅度下降。

2. 断裂损伤：钢纤维混凝土中的钢纤维可以起到增强作用，但在钢纤维断裂时，会导致钢纤维混凝土的强度和韧性急剧下降。

3. 脱落损伤：钢纤维混凝土中的钢纤维容易因为腐蚀或者力学作用而脱落，使得钢纤维混凝土的强度和韧性下降。

三、钢纤维混凝土中的修复方法1. 补丁修补法：将损坏的部分用清洁水或高压水冲洗干净，然后用钢丝刷清理表面，再涂上补丁材料。

2. 粘贴修补法：将损坏部分用清洁水或高压水冲洗干净，然后将预制的复合材料粘贴在表面，利用其高强度和高韧性来增强钢纤维混凝土的强度和韧性。

3. 疏松填充修补法：将损坏部分进行清理，然后在里面填充疏松材料，如泡沫混凝土等，来填补损坏部分并增加强度。

四、修复效果评估方法1. 非破坏性检测：利用超声波、电磁波、热红外等技术来检测钢纤维混凝土的内部结构和缺陷。

2. 破坏性检测：对修复后的钢纤维混凝土进行加载试验，检测其强度和韧性。

3. 环境适应性检测：对修复后的钢纤维混凝土进行长期的环境适应性检测，如耐久性、防水性等。

五、结论钢纤维混凝土中的损伤与修复是一个复杂的问题，需要综合考虑材料的性能、损伤类型和修复方法等因素。

在修复过程中，应选择合适的修复方法，并对修复效果进行评估，以保证修复后的钢纤维混凝土具有足够的强度和韧性，能够满足使用要求。