摘要：鋼纖維混凝土因鋼纖維在混凝土基體亂向分布與基體有效粘結(jié)，共同變形，抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐沖擊、耐磨性等性能優(yōu)良，在工程中廣泛應(yīng)用是為了強(qiáng)力普及的新型建筑材料。本文回顧了鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀，對(duì)鋼纖維混凝土的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，介紹了鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響因素和鋼纖維混凝土數(shù)值分析以及鋼纖維隨機(jī)分布模擬研究的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土;數(shù)值模擬;蒙特卡洛;細(xì)觀模型

0 引言

根據(jù)相關(guān)工程單位的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建國(guó)后建設(shè)的60多座混凝土水庫(kù)出現(xiàn)了超過(guò)70米的裂縫。根據(jù)大量的研究結(jié)果，混凝土結(jié)構(gòu)性能惡化的速度很大程度上取決于水、二氧化碳、氯離子等有害離子侵入混凝土內(nèi)部的速度，因此無(wú)法有效控制混凝土裂縫的發(fā)展這些有害介質(zhì)的侵入大幅加速，最終會(huì)發(fā)生混凝土結(jié)構(gòu)的早期劣化和安全上的潛在危險(xiǎn)。也就是說(shuō)，混凝土結(jié)構(gòu)的易碎特征直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用年限[1]。

1 鋼纖維混凝土研究進(jìn)展

二十世紀(jì)80年代，王煥德[2]、朱安能、章國(guó)彥等開創(chuàng)了將鋼鐵纖維混凝土應(yīng)用于水利事業(yè)的先河。鋼纖維混凝土由于其不腐蝕，不需要修理，不易開裂，在水利界得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用。

大連理工大學(xué)的關(guān)麗秋和趙國(guó)藩[3]等，通過(guò)鋼筋混凝土板的拉伸試驗(yàn)和理論研究，討論了對(duì)鋼筋纖維混凝土基體的強(qiáng)化機(jī)構(gòu)，從破壞力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，導(dǎo)出了復(fù)合材料相一致的亂向鋼纖維混凝土的拉伸強(qiáng)度公式?；炷羶?nèi)部有缺陷和微裂紋，應(yīng)力集中，裂縫擴(kuò)大，裂縫擴(kuò)展到臨界值后，急速發(fā)展的裂縫破裂就會(huì)擴(kuò)大，產(chǎn)生破壞。防止破壞的重點(diǎn)在于減少或除去材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，混在混凝土中的鋼纖維發(fā)揮了這個(gè)效果，鋼纖維束縛了裂縫的擴(kuò)散，減輕應(yīng)力集中的應(yīng)力場(chǎng)提高混凝土的拉伸強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)鋼纖維的摻雜量不同時(shí)，鋼纖維混凝土可以分為多縫破壞和單縫破壞。

鄭州大學(xué)高丹盈、謝曉鵬、趙軍等做了大量的鋼纖維混凝土的力學(xué)性能的研究：指出鋼纖維體積率和混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是影響其軸拉初裂強(qiáng)度的主要因素，提出了鋼纖維混凝土軸拉初裂強(qiáng)度的計(jì)算公式[4];提出與鋼筋混凝土深梁統(tǒng)一的鋼筋鋼纖維混凝土深梁關(guān)于斜截面抗剪承載力的計(jì)算方法，將鋼筋混凝土深梁視為鋼筋鋼纖維混凝土深梁的特殊情況。

東南大學(xué)的孫偉、高建明等鋼纖維混凝土的疲勞性能、流動(dòng)性、耐磨性、耐爆性等方面進(jìn)行了很多研究。提出了鋼纖維混凝土疲勞方程，指出鋼纖維混凝土的疲勞破壞主要是由于內(nèi)部微裂紋在疲勞負(fù)荷的影響下逐漸擴(kuò)大，鋼纖維對(duì)混凝土基板有抵抗作用，疲勞性能顯著改善。指出鋼纖維混凝土的流動(dòng)性主要取決于鋼纖維的體積添加量和單位混凝土的使用水量，實(shí)際工程應(yīng)用應(yīng)采用最大直徑為20mm的粗骨料。影響鋼纖維混凝土耐磨性的因素主要有成分材料的耐磨性、水灰比和界面強(qiáng)化度，其中砂石骨料是影響耐磨耗性的最主要因素，鋼纖維的混入具有顯著的耐磨性強(qiáng)化效果，高效率的減水劑、低水灰比、將適量的硅酮灰和聚合物混合，是提高鋼纖維混凝土耐磨性的有效措施。鋼纖維混凝土的防爆性能隨著纖維體積率的增加和厚度明顯提高，但鋼纖維體積率的影響大于厚度的影響，爆炸坑的深度和直徑可以明顯降低。

東南大學(xué)孫偉、高建明等對(duì)鋼纖維混凝土的疲勞性能、流動(dòng)性、耐磨性、抗爆性能等方面進(jìn)行了大量研究。提出了鋼纖維混凝土疲勞方程，指出鋼纖維混凝土的疲勞破壞主要是因?yàn)閮?nèi)部微裂縫在疲勞荷載的作用下慢慢擴(kuò)展所致，由于鋼纖維對(duì)混凝土基體具有阻裂效應(yīng)，顯著改善了其疲勞性能[5];指出鋼纖維混凝土的流動(dòng)性主要取決于鋼纖維的體積摻量和單位混凝土用水量，在實(shí)際工程應(yīng)用中宜采用最大直徑為20mm的粗骨料;發(fā)現(xiàn)影響鋼纖維混凝土耐磨性的因素主要有組成材料的耐磨性、水灰比和界面強(qiáng)化程度，其中砂石骨料是影響耐磨性的最主要的因素，鋼纖維的摻入對(duì)耐磨性增強(qiáng)效果顯著，摻入高效減水劑、降低水灰比、摻入適量硅灰和聚合物都是提高鋼纖維混凝土耐磨性的有效舉措;鋼纖維混凝土抗爆性能隨著纖維體積率的增加和厚度而明顯提高，但鋼纖維體積率的影響大于厚度的影響，能明顯減小爆坑的深度和直徑。

2 鋼纖維混凝土數(shù)值模擬研究進(jìn)展

田礫等[8]從細(xì)觀角度出發(fā)，將混凝土視為纖維、水泥漿、孔隙、裂縫組成的分散的二相符合材料，利用蒙特卡洛法模擬多邊形骨料的隨機(jī)分布，并利用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行有限元網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，生成了二維隨機(jī)混凝土模型。

張劍等根據(jù)骨材級(jí)聯(lián)曲線和面積的比例，利用Monte Carlo法生成與實(shí)際骨材分布相似度高的二維骨料分布，并提供基礎(chǔ)技術(shù)支持分析混凝土的收縮、徐變、裂縫等。

馬懷發(fā)等建立隨機(jī)骨料分布混凝土梁，進(jìn)行三分點(diǎn)梁彎拉試驗(yàn)數(shù)值模擬，直觀的展示了加載過(guò)程中微裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展乃至失穩(wěn)的過(guò)程，用瓦拉文公式驗(yàn)證了隨機(jī)骨料數(shù)量的合理性。

李運(yùn)成等針對(duì)水庫(kù)混凝土的高骨材要求生成隨機(jī)骨材模型，形成了三維隨機(jī)凸出多面骨材模型。

王宗敏和邱志章根據(jù)蒙特卡羅的隨機(jī)取樣原理，使用“取”和“放”生成有限元模型，利用ANSYS以高品質(zhì)的三角形單元分割網(wǎng)格在混凝土微觀分析中，界面帶的模擬接近實(shí)際的混凝土。

3 力學(xué)影響因素

Su &Bang發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維的分布非常不均勻并且垂直于負(fù)載方向取向時(shí)，鋼纖維對(duì)混凝土基體的增強(qiáng)效應(yīng)幾乎為零。

丁慶軍和耿雪飛等發(fā)現(xiàn)，在混凝土基板上嵌入多個(gè)纖維有利于形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了界面結(jié)合的強(qiáng)度和工作性能，具有高沖擊和耐沖研磨性能。在鋼纖維的定向檢查中，Su采用圖像處理技術(shù)，采用三維剖面切割的方法，對(duì)單位面積內(nèi)鋼纖維的數(shù)量、分布系數(shù)、鋼纖維的取向等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并定量評(píng)估，建議損害原結(jié)構(gòu)。Miletic & Kravchuk等建議使用微計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-computed tomography，micro-CST）和醫(yī)學(xué)上檢測(cè)骨折的聲輻射（AE）技術(shù)等，進(jìn)行鋼纖維分布的無(wú)損檢查。

鋼纖維混凝土的抗壓能力遠(yuǎn)比抗拉能力強(qiáng)，主要原因在于鋼纖維的表面比較光滑，與混凝土基體的粘接力較弱。鋼纖維混凝土材料在發(fā)生拉伸或彎曲破壞時(shí)，不是斷裂而是被拔出破壞。因此，改善纖維和基底的粘結(jié)性能也是影響機(jī)械性能的重要影響因素。例如，如果改變鋼纖維的幾何形狀（例如彎曲、端鉤等），界面連接性能和機(jī)械鎖定能力就會(huì)明顯改善，機(jī)械性能也會(huì)提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文回顧了鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了鋼纖維混凝土的研究進(jìn)展介紹了鋼纖維混凝土機(jī)械性能的影響因素和鋼纖維混凝土的數(shù)值分析以及鋼纖維隨機(jī)分布模擬研究的現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)

[1]趙亮平，高丹盈，朱海棠.鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和韌度的影響[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33，（06）：29-32

[2]王煥德，鋼纖維混凝土. 水利水電出版社，1985年.

[3]關(guān)麗秋，趙國(guó)藩. 鋼纖維混凝土在單向拉伸時(shí)的增強(qiáng)機(jī)理與破壞形態(tài)的分析[J].水利學(xué)報(bào)，1986（09）：34-43.

[4]高丹盈，徐磊，李趁趁. 鋼纖維混凝土軸拉初裂強(qiáng)度的計(jì)算方法[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2002（01）：31-33.

[5]高建明，孫偉. 鋼纖維混凝土疲勞性能的研究[J].混凝土與水泥制品，1989（01）：10-12.

作者簡(jiǎn)介：楊燕珍（1996-），女，湖南婁底人，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

同濟(jì)大學(xué) 上海市 楊浦區(qū) 200092