鋼纖維混凝土的性能綜述

1、附件1:外文資料翻譯譯文鋼纖維混凝土的性能綜述摘要 鋼纖維混凝土（ SFRC ,作為一種新的土木工程復(fù)合材料，近年來已經(jīng) 得到廣泛研究。本文對鋼纖維混凝土的基本性能作出了簡單的介紹，并通過以下幾個(gè)方面的研究對鋼纖維混凝土進(jìn)行了討論：鋼纖維的含量和尺寸；三軸試驗(yàn)； 拉伸和壓縮性能；耐疲勞性能；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；延性和一些其他性能。本文提出 的問題還有待解決，且對高性能鋼纖維混凝土的進(jìn)一步發(fā)展前景提出了建議。關(guān)鍵詞鋼纖維混凝土 SFRC性能1引言作為最常用的建筑材料，混凝土具有悠久的歷史。在19世紀(jì)中期，由于鋼筋混凝土（RC的廣泛使用，形成了新的工程結(jié)構(gòu)形式，推動(dòng)了設(shè)計(jì)和計(jì)算新理 論，此外還有新的建筑

2、技術(shù)。然而，混凝土有一些固有的缺點(diǎn)，如抗拉強(qiáng)度低，延性差和能量吸收少。隨 著混凝土的強(qiáng)度增加，這些缺點(diǎn)就越顯著。因此，很多專家努力改善混凝土的性 能。改善普通混凝土性能的有效方法是在骨料和水泥混合時(shí)通過加入一小部分的 鋼筋（在大多數(shù)情況下為0.5 %-2 %）來實(shí)現(xiàn)的。鋼纖維混凝土的研究起步于20 世紀(jì)60年代。這些年來經(jīng)過廣泛研究之后，人們普遍認(rèn)為，加鋼纖維的混凝土 可以顯著提高混凝土的性能。在鋼纖維混凝土中鋼筋的作用是限制裂縫的發(fā)展。在負(fù)載的初期狀態(tài)，由骨 料和鋼纖維負(fù)荷，前者是主要載體。開裂發(fā)生后，靠近裂縫的鋼纖維成為主要載 體。如果鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)超過某一臨界值時(shí)，鋼纖維混凝土能夠承受

3、較高的載 荷和較大的變形，直到鋼纖維被破壞或拉出。因此，與傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土相 比，鋼纖維混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及韌性。2鋼纖維混凝土的性能鋼纖維的尺寸和含量對于幾種不同類型的鋼纖維，它們具有不同的長度，直徑，形狀，以及不同 的制造工藝。因此，20世紀(jì)90年代末對鋼纖維混凝土的研究越來越普遍，而對 于研究人員設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室測試，他們關(guān)注的第一點(diǎn)就是鋼纖維的含量和尺寸。C.X.Qian等人研究了優(yōu)化的鋼纖維尺寸，鋼纖維含量等參數(shù)。研究結(jié)果表明：鋼纖維大小不同表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能， 且至少有一個(gè)方面的力學(xué)性能是不 同的。少量纖維的添加對抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響，而對抗拉強(qiáng)度只有輕微的影

4、響。大量纖維則會(huì)產(chǎn)生相反的力學(xué)效應(yīng)， 這一措施可以優(yōu)化縱橫比。這種鋼纖維 尺寸的影響是由于不同的測試模式引起不同的裂縫密度所引起的。在混合纖維系統(tǒng)中，協(xié)同效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)與一個(gè)具有較高的總纖維含量的單絲 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的效果相類似，這個(gè)系統(tǒng)對提供的不同類型和尺寸的纖維進(jìn)行了適當(dāng) 的分配。S.J.Pantazopoulou 等人在2001年共測試了 250個(gè)由不同鋼纖維和聚丙烯 纖維制成的混凝土圓柱體試件。 結(jié)果表明：超細(xì)纖維的添加量 1%寸，可以提高 材料的彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變剛度峰值，但大量纖維混凝土的澆筑過程對壓實(shí)度 有著不利影響。峰后延展性可以通過加入長纖維來增強(qiáng)。當(dāng)鋼筋是具有軸向剛性的纖維時(shí)，

5、纖維的依從性是由于沿纖維錨固長度方向有不可逆的損傷引起的，然而，對于彈性模量低的纖維，是由于它們是交叉裂紋路徑可逆伸長的纖維。通過加入纖維影響混凝土的機(jī)械性能的變化是類似于被動(dòng)約束引起的變化，這兩者都提供一個(gè)對側(cè)向膨脹混凝土的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，從而降低其發(fā)生率和失效率。延性和疲勞W.Yin等人在1995年研究了疲勞強(qiáng)度和普通鋼纖維混凝土的性質(zhì)。72個(gè)鋼筋混凝土試件，其中有含量為1% （25毫米）的長纖維，在壓縮疲勞強(qiáng)度上進(jìn)行 了測試。在0 （單軸），0.2, 0.5和1.0的應(yīng)力比下分別得到的SN曲線，從而 產(chǎn)生一系列的疲勞應(yīng)力的纖維混凝土。 研究發(fā)現(xiàn)，添加纖維不會(huì)增加混凝土耐久 極限，但是有益于在

6、低周期區(qū)域的持久極限。止匕外，添加纖維的混凝土增加其延 展性，改變失效模式的分裂型斷層類型。所有這些現(xiàn)象可以通過水泥砂基質(zhì)的微 裂紋發(fā)展來觀察，并在基體和聚集體之間的粘合面進(jìn)行說明。Shanhou Lu等人在1998年測試了帶肋紋鋼纖維高性能混凝土的彎曲疲勞強(qiáng)度。結(jié)果顯示，帶肋紋的鋼纖維混凝土彎曲疲勞性能有明顯提高。當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到一百萬倍時(shí)，帶肋紋鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度是普通混凝土1.65至約2.25倍。鋼纖維混凝土彎曲疲勞強(qiáng)度隨著纖維含量的不同而變化，它可以在路 面厚度的設(shè)計(jì)中使用。Handong Yan等人在1999年研究了高強(qiáng)度混凝土的性能（HSC ,硅灰高強(qiáng) 度混凝土（ SIFUHS

7、C ,鋼纖維高強(qiáng)混凝土（ SFRHSC ,和鋼纖維硅粉高強(qiáng)混凝 土（ SSFHSC在重復(fù)動(dòng)力荷載的作用下抗沖擊和耐疲勞性能，得到兩個(gè)的結(jié)論如 下：當(dāng)將硅粉或鋼纖維分別加入到HSC中，在沖擊條件下，HSCg勞性能以及抗 重復(fù)動(dòng)態(tài)加載的性能可以被提高。 與HSC的比較，鋼纖維高強(qiáng)混凝土的影響指標(biāo) 增加了兩個(gè)因素。當(dāng)沖擊次數(shù)為106時(shí)，SIFUHSG口 SFRHSCJ疲勞強(qiáng)度分別增力口 38%和134%。這表明單獨(dú)加入鋼纖維的效果大于單獨(dú)加入硅粉的效果。當(dāng)硅粉和鋼纖維都加入到HSC, HSC的抗沖擊和耐疲勞性能能夠大幅度提 高。當(dāng)沖擊次數(shù)為106時(shí)，疲勞強(qiáng)度增加了四倍。這表明，硅粉和鋼纖維的復(fù)合 效

8、應(yīng)大于硅粉或鋼纖維的單獨(dú)效果的總和。尺寸效應(yīng)Sener等人在2002年設(shè)計(jì)了有關(guān)混凝土梁和無鋼纖維檢驗(yàn)校準(zhǔn)的規(guī)模效 應(yīng)理論的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)檢查表明：本實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地證實(shí)了正常強(qiáng)度的鋼纖維具有顯著尺寸效應(yīng)，并伴隨著脆性的增加。因此，尺寸效應(yīng)應(yīng)引入一個(gè)現(xiàn)有的修正代碼規(guī)范。鋼纖維梁的彎曲破壞比無鋼纖維梁具有更大的尺寸效應(yīng)和更高的脆性。鋼纖維梁比無鋼纖維梁的斷裂能量和斷裂過程區(qū)分不大。然而R.V. Balendran等人在2002年進(jìn)行了一系列的普通和輕骨料混凝土試 驗(yàn)，并得到了一些不同的結(jié)果：有劈裂抗拉強(qiáng)度的普通和輕骨料混凝土沒有尺寸效應(yīng)。在纖維強(qiáng)化混凝土 （普通和輕集料混凝土）的情況下，當(dāng)尺寸超過

9、臨界尺寸即150毫米的尺寸時(shí)，尺寸效應(yīng)不顯著。試樣的尺寸對輕質(zhì)纖維混凝土韌性指標(biāo)影響不大。 另一方面，對于普通纖維 增強(qiáng)混凝土，當(dāng)試樣尺寸增加時(shí)，韌性指數(shù)變小。對韌性的需求將在纖維增強(qiáng)結(jié) 構(gòu)延性設(shè)計(jì)時(shí)考慮尺寸效應(yīng)，這需要進(jìn)一步的研究來探討有關(guān)韌性的尺寸效應(yīng)。動(dòng)態(tài)力學(xué)性能X. Luo等人在2000年選擇了兩種類型的鋼纖維(C乙YL),并選取了兩者 的不同形狀進(jìn)行高速?zèng)_擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)受彈珠高速?zèng)_擊時(shí)，高強(qiáng)度鋼 筋混凝土破壞，而高性能鋼纖維混凝土保持完好，只是在前面幾個(gè)徑向裂紋面有 一些細(xì)小的裂縫。彈珠被嵌入或被高性能鋼纖維混凝土反彈。 他們對影響指標(biāo)和 有關(guān)參數(shù)阻力的關(guān)系進(jìn)行了分析。 基

10、于量綱分析，他們有可能通過使用模擬試驗(yàn) 的結(jié)果來預(yù)測在實(shí)際情況中的滲透性能。止匕外，在 CZ中，穿透深度與彈珠的無 量綱速度之間的關(guān)系是由回歸測試結(jié)果建立的。Yiping Liu等人在2006年進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，通過使用一個(gè)直徑為 74毫米的分離式霍普金森壓桿研究素混凝土( PQ以及鋼纖2t混凝土( SFRC和鋼纖維 增強(qiáng)聚合物改性混凝土( SFRPMC沖擊破壞性能。結(jié)果表明，三種材料出現(xiàn)應(yīng)變 速率強(qiáng)化作用，與PC以及SFRCffi比，SFRPMC現(xiàn)出更好的抗沖擊性能和能量 吸收能力?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了 SFRPMC SFRC1態(tài)性能的頻率依賴 性損傷模型，這源于材料損傷演化的影響。結(jié)

11、果表明，鋼纖維增強(qiáng)聚合物改性混 凝土的損傷發(fā)展比鋼纖維混凝土更慢。拉伸和壓縮性能許多研究集中在這一部分，大量含有鋼纖維、聚丙烯纖維和一些添加劑的混 凝土的拉伸和壓縮測試已經(jīng)完成。一些典型的結(jié)果如下所列。P.S. Song 等人在2004年研究了不同纖維體積分?jǐn)?shù)的高強(qiáng)度鋼纖維混凝土 (HSFRC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明：(1)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加可以改善高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)度最大值 出現(xiàn)在纖維含量為1.5%的時(shí)候，但與1.5咐目比，在2%寸略有下降。但比添加纖 維之前，仍高12.9%。(2)劈裂抗拉強(qiáng)度以及HSFRC勺斷裂模數(shù)均隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而提 高。劈裂抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)度范圍

12、在19%98.3%,比原來高0.5%至IJ 2%斷裂模數(shù)的 范圍為28.1%126.6%,比原來高0.5%到2%(3)強(qiáng)度效益表明每個(gè)體積分?jǐn)?shù)最多的為斷裂模量，其次為劈裂抗拉強(qiáng)度 和抗壓強(qiáng)度。C.D.Atis 等人在2007年做了一個(gè)關(guān)于粉煤灰混凝土和鋼纖維混凝土的研 究，研究表明：加入鋼纖維的混凝土混合物并不能提高抗壓強(qiáng)度。增加纖維含量，抗壓強(qiáng)度只有小幅增加。據(jù)觀察，鋼纖維不能恢復(fù)無粉煤灰時(shí)抗壓強(qiáng)度的損失。 在本研究中使用0.25% 0.5%體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維，對彎曲抗拉強(qiáng)度的影響不顯 著。但是，在纖維含量為1%寸，彎曲抗拉強(qiáng)度改進(jìn)范圍為 0哌4 15%在纖維含 量為1.5%時(shí)，擴(kuò)大到30喔J 66%混凝土混合料纖維含量分別為 0.25%, 0.5%, 1%ffi 1.5%且不含粉煤灰，對應(yīng)白劈裂抗拉強(qiáng)度從 1班化到5% 1%1 3% 21%g 32%f口 44%! 71%F.KOksal等人在2008年研究