鋼纖維混凝土的發(fā)展與抗火性研究現(xiàn)狀綜述

鄭照東 葉維強(qiáng) 孟 亮

鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC)是一種在混凝土基體中摻入鋼纖維[1，2］、是近年來研究和應(yīng)用最廣的復(fù)合材料之一。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有較高的抗拉與抗彎強(qiáng)度，尤其使韌性提高的幅度顯著[3］。由于鋼纖維均勻地亂向分布在混凝土內(nèi)共同參與工作，顯著地提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力，并相應(yīng)地提高了混凝土的抗剪、抗扭、抗裂和抗疲勞強(qiáng)度[4］。本文主要從鋼纖維混凝土在國內(nèi)外的應(yīng)用與發(fā)展及其抗火性研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行簡述。

1 鋼纖維混凝土的發(fā)展概況

鋼纖維混凝土是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型復(fù)合建筑材料[5］，在混凝土基體中摻入適量鋼纖維的一種水泥基復(fù)合材料，為解決混凝土的強(qiáng)度和延性問題提供了一種新途徑。

鋼纖維噴射混凝土首次于1973年在美國愛達(dá)荷州得到應(yīng)用，其后將其成功應(yīng)用于隧道襯墊、斜坡穩(wěn)定、涵洞、水庫等其他結(jié)構(gòu)工程[6］。近些年，國內(nèi)已成功地將鋼纖維混凝土應(yīng)用到高層建筑中，如福州華福大廈在8層頂采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，該轉(zhuǎn)換層大梁全部采用鋼纖維混凝土。

2 抗火性研究現(xiàn)狀與研究方法

對于鋼纖維抵抗混凝土高溫爆裂性能目前尚存在爭議。Lie等人[7］研究表明42 kg/m3摻量的鋼纖維對普通混凝土的熱性能沒有影響，隨著鋼纖維摻量的增多對普通混凝土熱性能的影響越來越大。鋼纖維提高了普通混凝土的力學(xué)性能[7，8］，鋼纖維對混凝土高溫?zé)嵝阅艿挠绊懼饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面[9］:在混凝土中摻加鋼纖維，在40℃ ～1 000℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不變，限制了裂紋擴(kuò)展;提高了0℃～600℃時(shí)混凝土的比熱，因而在溫度較低時(shí)鋼纖維控制了混凝土的裂紋擴(kuò)展;在低于800℃溫度下，對試件的熱膨脹沒有顯著影響。

我國對鋼纖維混凝土抗火性能的研究開始得比較晚，主要從20世紀(jì)80年代起，我國學(xué)者先后對高溫中普通混凝土的力學(xué)性能和構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布等抗火性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究，積累了大量原始資料。同濟(jì)大學(xué)，北方交通大學(xué)，中南大學(xué)等還對高溫下鋼纖維混凝土的一些性能進(jìn)行了測定，但是對鋼纖維混凝土高溫后的力學(xué)性能以及高溫下的溫度變化研究還較少，20世紀(jì)70年代以前基本上是空白，現(xiàn)今只能收集到少量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果。中南大學(xué)的張彥春[10］通過測試尺寸分別為100 mm×100 mm×400 mm，100 mm×100 mm×300 mm纖維體積率為0.87%的鋼纖維混凝土試塊的抗彎及抗剪強(qiáng)度得出如下結(jié)論:

1)殘余抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，抗折強(qiáng)度隨溫度升高基本呈下降趨勢，且高于100℃快速下降且較均勻。主要原因在于:構(gòu)件受彎時(shí)，截面下部受拉，上部受壓，高溫作用后的混凝土內(nèi)產(chǎn)生大量微裂紋，受拉區(qū)在拉應(yīng)力作用下，裂縫橫切于應(yīng)力方向，試件每一裂縫的存在和產(chǎn)生都降低了有效面積，而且此應(yīng)力狀態(tài)下比壓應(yīng)力狀態(tài)下抑制裂縫的可能性要小得多，故中和軸不斷上移造成破壞。另外，在受力至破壞過程中，鋼纖維是逐漸被拔出的，而不是整個(gè)截面上鋼纖維的整體拔出，因而鋼纖維在高溫后對抗折強(qiáng)度的改善作用不明顯。

圖1 高溫對殘余抗折強(qiáng)度（率）的影響

2)殘余抗剪強(qiáng)度。鋼纖維的摻入使混凝土的抗剪強(qiáng)度大大提高，因此鋼纖維混凝土可用于結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層等承受剪力較大的部位。

試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 高溫后鋼纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度

由圖2可以看出，在最高溫度不超過500℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度損失很小，而后隨溫度升高損失加大，這與混凝土基體在高溫作用下的強(qiáng)度下降是分不開的。但總的來說，高溫后的抗剪性能較好，經(jīng)900℃高溫后，其殘余強(qiáng)度率仍在40%以上。

北方交通大學(xué)的趙莉弘[11］對一組100 mm×100 mm×300 mm采用鐵片預(yù)埋切口深度不大于50 mm的兩種不同水膠比纖維體積率為1%的鋼纖維混凝土簡支梁進(jìn)行高溫殘余斷裂性能試驗(yàn)并與普通混凝土作出比較，試驗(yàn)結(jié)果見圖3，圖4，并得出如下結(jié)論。

圖3 普通混凝土斷裂能及斷裂韌性

圖4 鋼纖維混凝土斷裂能及斷裂韌性

鋼纖維混凝土的殘余斷裂能和斷裂韌性都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在200℃混凝土的殘余斷裂能和斷裂韌性都達(dá)到最大值，200℃是鋼纖維混凝土殘余斷裂能和斷裂韌性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并且，與未摻纖維混凝土相比，鋼纖維對混凝土殘余斷裂能的增長比斷裂韌性要高出很多，即鋼纖維對殘余斷裂能的影響要大于對殘余斷裂韌性的影響。

3 結(jié)語

以往研究表明摻加鋼纖維的混凝土可以保持較高的殘余力學(xué)性能，防止混凝土力學(xué)性能的劣化，然而關(guān)于在混凝土中加入鋼纖維以防止高溫爆裂，國內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究有限，且尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論。Maria de LurdesB.C.Reis也在一篇研究報(bào)道中指出在混凝土中摻加一定規(guī)格的鋼纖維可有效的抑制混凝土的爆裂。而也有實(shí)驗(yàn)研究指出摻加鋼纖維只是推遲了混凝土在高溫下發(fā)生爆裂破壞的時(shí)間，甚至在另一些試驗(yàn)中鋼纖維則加劇了高溫爆裂。所以鋼纖維是否可以防止混凝土發(fā)生高溫爆裂還沒有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

4 高溫下鋼纖維混凝土抗火性有待解決的問題

目前，雖然已經(jīng)對鋼纖維混凝土高溫抗火性能進(jìn)行了大量的研究分析，但是還只停留在一個(gè)定性的水平上。對于鋼纖維混凝土破壞發(fā)生的離散性，還沒有合理的解釋與預(yù)測。由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，阻礙抗火性研究的發(fā)展，對于摻加鋼纖維的方法對抗火性的影響也還沒有進(jìn)一步的深入。

[1]Hasan Ahmad，Dimitris C.Lagoudas.Effective elastic properties of fiber reinforced concrete with random fibers[J］.Engineering Mechanics，1991，117(12):2931-2938.

[2]Sanders，David H，Wu Qiudong.Dynamic response of steel fiber reinforced concrete[A］.Proceedings of the structures congress[C］.ASCE，1994:833-838.

[3]程慶國，徐蘊(yùn)賢，盧祖文.鋼纖維混凝土本構(gòu)理論的研究、工程應(yīng)用及發(fā)展[J］.中國鐵道科學(xué)，1999，20(2):1-9.

[4]羅 章，李啟月，凌同華.鋼纖維混凝土的工程應(yīng)用研究[J］.江西有色金屬，2003(2):12-15.

[5]張 潔.鋼纖維混凝土管片力學(xué)性能試驗(yàn)與抗火性能預(yù)測[D］.上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006:2-5.

[6]周欣竹，鄭建軍，張 彌.鋼纖維混凝土在秦嶺隧道襯砌中的應(yīng)用研究[J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，22(4):50-52.

[7]Lie，T.T，Kodur，V.K.R.Thermal and mechanical properties of steel-fibre-reinforced concrete at elevated temperatures，Can.J.Civ.Engrg，Ottawa，1996，23(2):511-517.

[8]Lie，T.T，ed.Structurak fire protection:Manual of practice，ASCE manual and reports of engineering practice，No.78，ASCE，New-York，1992.

[9]V.K.R.Kodur，M.A.Sultan.Effect of temperature on thermal properties of high-strength concrete，Jourmal of materials in civil engineering，March/Apirl，2003:101-107.

[10]張彥春，胡曉波，白成彬.鋼纖維高性能混凝土高溫后力學(xué)強(qiáng)度研究[J］.混凝土，2001(9):50-53.

[11]趙莉弘.纖維增韌高性能混凝土的高溫殘余力學(xué)性能特征[D］.北京:北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004:67-69.