浅析钢纤维混凝土机理与力学性能

浅析钢纤维混凝土机理与力学性能

张晓莹任建行

郑州大学力学与工程科学学院张晓莹任建行

摘要：本文首先介绍了钢纤维对混凝土的研究进展和增强机理。然后根据钢纤维混凝土应力应变曲线特性，利用数值模拟的方法对钢纤维混凝土靶板的抗侵彻力学性能进行了研究。

关键词：钢纤维；增强机理；数值模拟

引言：随着国防建设和现代工业的不断发展，高速碰撞应用越来越广泛。在军事应用方面，用于防护工程的混凝土材料的种类和性能在不断地更新和发展，研究表明，混凝土材料具有良好的工程防护能力。

钢纤维混凝土中掺入适量的钢纤维而组成的一种高性能材料，比普通混凝土有更好的抗冲击韧性。因此为了更加深入研究钢纤维混凝土的特性，开展系统的钢纤维混凝土的力学性能的研究是十分重要而有意义的工作。

1钢纤维混凝土的研究进展

钢纤维混凝土材料各种条件下的静力加载实验有单轴压缩与拉伸、偏心压缩与拉伸、剪切、弯曲、疲劳实验、多轴压缩实验，高温力学性能实验，低温力学性能实验、冻融实验等。基于各类实验的研究机理主要表现在以下几方面：（1）混凝土力学特性的分析和总结；（2）裂纹扩展与断裂理论规律；（3）损伤过程本构模型的研究。

在动态荷载的作用下，混凝土的力学行为与静态下存在很大的差异。早期，对于动荷载的衡量标准有加载率和应变率，目前基本统一采用应变率来描述材料的动态加载规律。在研究混凝上材料动态本构理论时，根据本构理论和分析方法的不同，混凝土材料的动态本构模型主要有：（1）基于粘弹性理论的动态本构模型；（2）基于损伤理论的动态本构模型；（3）基于粘塑性理论的动态本构模型。钢纤维混凝土中掺入钢纤维，钢纤维在一定程度上改变了混凝土对外荷载的力学响应特性。

2钢纤维混凝土的增强机理

钢纤维混凝土基体中掺入了高弹模的钢纤维，可以阻止裂纹的生成和扩展，抑制损伤的发展和积累，因此具有许多优于素混凝土的力学性能。纤维混凝土被视为是钢纤维为一相，混凝土基体为另一相的两相复合材料，复合材料的各项性能为基体性能和纤维性能的加权和。假定单向纤维复合材料横截面上的纤维按一定形状排列，取计算单元，应用能量法可以得到合材料宏观弹性常数的上下限。根据试验结果，利用纤维间距理论给出了计算纤维混凝土强度的半经验抗拉强度公式。

2.1混凝土破坏过程分析

混凝土破坏过程是基体内部微裂纹萌发、扩展、直至断裂的过程。通常，混凝土的破坏过程可以分为以下四个阶段。

（1）微裂纹阶段：混凝土是混合物，在材料成型过程中，由于硬化干缩原因，在砂浆与骨料界面之间会留下微裂纹。

（2）微裂纹的起裂阶段：在较低的外荷载下，材料内部应力集中使微裂纹缓慢扩展。但由于荷载不大，还不足以产生的新的裂纹。

（3）微裂纹的稳定扩展阶段：当预存裂纹起裂后，如继续加载，当达到一定应力时，原始裂纹将开始稳定扩展。此阶段应力应变曲线有明显的非线性，材料的承载力仍然不断提高。

（4）不稳定扩展阶段：当荷载超过极限强度时，原裂纹加速扩展，新裂纹急剧增多，导致材料内部损伤加剧，承载力下降，宏观上表现为应变软化。

2.2钢纤维的阻裂原理

由于钢纤维的强度远高于混凝土，当钢纤维掺入混凝土后，混凝土中微裂纹的萌发和扩展起到抑制作用。其阻裂原理与微裂纹的生成和扩展息息相关。

（1）抑制微裂纹的萌发在硬化过程中，乱向分布的钢纤维和固体颗粒互相交叉，增大了固体颗粒下沉的阻力，相应地减少了混凝土的硬化收缩。另外，由于水通过毛细孔由内向表传输，使混凝土试件表面水分散失。在混凝土中掺入钢纤维，一方面使其失水减小；另一方面，依靠钢纤维与水泥之间的粘结力、咬合力等，增加了材料抗拉强度，从而减少微裂纹的形成。

（2）混凝土成型之后，水泥在混合物中发生着复杂的物理化学反应，反应过程中发生失水和硬化，从而在混凝土内部产生许多微裂纹。钢纤维以针状形式存在，能够阻止微裂纹的扩展。当微裂纹的长度大于纤维的间距时，纤维将起到传递荷载的作用，使混凝土内的应力场连续均匀，裂纹的进一步扩展受到约制。

（3）当微裂纹的长度小于纤维间距时，微裂纹的扩展将受到阻绕。由于混凝土材料在原始微裂纹附近会产生应力集中，如果应力集中超过承载能力，就会促使裂缝急剧扩展。混凝土中的钢纤维与基体间的粘结力，减弱了微裂纹尖端应力集中的作用。因此，钢纤维对混凝土的微裂纹的扩展具有明显的阻止作用。

3钢纤维混凝土的力学性能研究

混凝土的配合比设计是影响混凝土材料力学性能的关键因素。钢纤维混凝土中钢纤维的掺量与水泥的用量存在某种对应关系，当固定水泥的用量时，钢纤维体积率过低，不能有效地提高混凝土强度，而体积率过大则不能充分发挥钢纤维的增强作用。因此，对于一定量的钢纤维的混凝土，才能有效地提高混凝土的强度。本张利用数值模拟的方法对钢纤维混凝土靶板的抗侵彻过程进行了研究，模拟结果与观现象一致，所以数值模拟是研究侵彻问题的一种有效的方法。

影响钢纤维混凝土抗侵彻性能的主要因素有以下两方面：

（1）材料强度：钢纤维混凝土的强度随着钢纤维含量的提高而提高。因此，高含量钢纤维板具有更好的抗侵彻能力。（2）材料的抗冲击韧性：在受载过程中变形就越大说明韧度越大，吸能越多。另外，如果靶板受载后破裂但不粉碎，则它仍有一定的残余强度，使结构不致发生毁灭性破坏，这对提高结构的安全而言是十分重要的。

钢纤维可以明显提高混凝土的抗侵彻能力。钢纤维混凝土靶板在经受冲击荷载失效后，表面裂纹少，破坏处露出钢纤维，钢纤维上粘着混凝土；而素混凝土靶板的几乎破碎，背面的层裂也非常严重。通过观察侵彻后的靶板发现，靶板的破坏程度随着钢纤维含量的增加而减弱，随入射速度的提高而增强。

4结论

①钢纤维的阻裂作用可以分为两部分，即阻止微裂纹的萌发和扩展，并进一步通过纤维间距理论说明钢纤维阻裂作用的基本原理。

②钢纤维混凝土具有非常优良的抗侵彻能力，其抗侵彻能力随钢纤维含量的提高而提高。

参考文献：

[1]WilliamsonGR.Theeffectifsteelfibersonthecompressivestrengthofconcrete[J].ACIJournal，1974，71：195-207

[2]高丹盈.钢纤维高强混凝土配合比及基本性能试验[J].郑州大学学报，2004，25（3）：46一5

作者简介：

张晓莹（1993-）女，汉族，黑龙江佳木斯市人，单位：郑州大学力学与工程科学学院研究方向：工程结构分析。

任建行（1995-）男，满族，辽宁省朝阳市人，单位：郑州大学力学与工程科学学院研究方向：工程结构分析。