钢纤维对混凝土性能的增强机理分析

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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混凝土与纤维结合设计应用案例一、引言混凝土和纤维结合设计是现代建筑和工程中的一项重要技术。

混凝土和纤维的结合可以提高混凝土的强度和韧性，使其更具有抗震、抗裂、抗渗等性能，从而保证建筑和工程的安全和稳定。

本文将介绍混凝土和纤维结合设计的应用案例，并探讨其设计原理和优点。

二、混凝土和纤维结合设计的概念混凝土和纤维结合设计是指在混凝土中添加一定比例的纤维材料，如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等，使混凝土具有更好的强度和韧性，从而提高其抗震、抗裂、抗渗等性能。

三、混凝土和纤维结合设计的优点1、提高混凝土的强度和韧性。

添加纤维可以增加混凝土的韧性和拉伸强度，使其更具有抵抗外力和震动的能力，从而提高其整体强度。

2、增强混凝土的抗裂性能。

混凝土中通常存在着微裂缝，而添加纤维可以有效地防止这些微裂缝的扩展，从而增强混凝土的抗裂性能。

3、提高混凝土的抗渗性能。

添加纤维可以填充混凝土中的微孔，防止水分和气体渗透，从而提高混凝土的抗渗性能。

4、减少施工难度和成本。

与传统的钢筋混凝土相比，混凝土和纤维结合设计可以减少施工难度和人工成本，从而降低建筑和工程的成本。

四、混凝土和纤维结合设计的应用案例1、钢纤维混凝土在地下工程中的应用钢纤维混凝土是一种常用的混凝土和纤维结合设计材料，其应用范围广泛，特别是在地下工程中的应用较为常见。

以某高层住宅小区地下室工程为例，由于地下水位较高，为了防止地下室渗水和裂缝，采用了钢纤维混凝土。

经过实践证明，钢纤维混凝土不仅可以提高混凝土的强度和韧性，还可以有效地防止混凝土的开裂和渗水，从而保证地下室的安全和稳定。

2、碳纤维混凝土在桥梁工程中的应用碳纤维混凝土是一种新型的混凝土和纤维结合设计材料，具有高强度、轻质、抗腐蚀等优点。

以某高速公路桥梁工程为例，采用了碳纤维混凝土作为桥梁的主要结构材料。

经过实践证明，碳纤维混凝土可以有效地提高桥梁的承载能力和抗震性能，同时还可以减少施工难度和人工成本，从而降低了工程的成本。

钢纤维混凝土在混凝土拌合物中，掺入适量的钢纤维，可配成一种既可浇筑又可喷射的特种混凝土，这就是钢纤维混凝土。

与普通混凝土相比，钢纤维混凝土抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性和抗裂、抗爆等性能都可得到提高。

因为大量很细的钢纤维均匀地分散在混凝土中，与混凝土接触的面积很大，因而，在所有的方向，都使混凝土的强度得到提高，大大改善了混凝土的各项性能。

1．钢纤维的基本要求（1）钢纤维的强度钢纤维混凝土破坏时，发现往往是钢纤维被拉断，这不是因为钢纤维抗拉强度不足，而是因为其韧性不足造成的。

因此，要提高其韧性。

如果材料通过淬火或其他急冷硬化方法获得，尽管其抗拉强度较高，但质地较脆，在搅拌过程中易被折断，反而会降低强化效果。

因此，只要不是易脆断的钢材，通常强度较高的纤维可满足要求。

一般钢纤维的抗拉强度不得低于380MPa。

当工程有特殊要求时，钢纤维抗拉强度可由需方根据技术与经济条件提出。

（2）钢纤维的尺寸和形状钢纤维的尺寸，主要由强化特性和施工难易性决定。

钢纤维如太粗或太短，其强化特性差，如过细或过长，则在搅拌时容易结团。

为了增强钢纤维同混凝土之间的粘结强度，常采用增大表面积或将纤维表面加工成凹凸形状，按外形可为平直形、波浪形、压痕形、扭曲形、端钩形、大头形等，见图1。

按横截面可为圆形、矩形、月牙形及不规则形等。

图1 钢纤维的外形钢纤维的标称长度指钢纤维两端点之间的直线长度，其尺寸可为15~60mm。

钢纤维截面的直径或等效直径宜在0.3~1.2mm。

钢纤维长径比或标称长径比宜在30~100。

钢纤维混凝土结构对钢纤维几何尺寸参数的要求宜符合表1的规定。

钢纤维几何参数采用范围表1注：钢纤维的等效直径是指非圆形截面换算成圆形截面的直径。

2．钢纤维的种类和特征钢纤维的种类、制造方法及特征见表2。

钢纤维的抗拉强度见表3。

从各类钢纤维对混凝土的增强效果来看，则以切断纤维、冷轧钢板剪切纤维和加工硬度较大的铣削纤维比较好。

UHPC中钢纤维的应用研究进展共3篇UHPC中钢纤维的应用研究进展1自上世纪80年代起，超高性能混凝土（UHPC）已逐渐发展成为建筑工程中的重要材料。

UHPC以其出色的物理性能和机械性能广泛应用于桥梁、隧道、修建、建筑物和高层建筑等领域中。

同时，在UHPC的研究中，钢纤维作为一种常见的加强材料被广泛应用，旨在提高UHPC的整体性能和使用效果。

本文旨在探讨UHPC中钢纤维的应用研究进展。

1.钢纤维的特殊性质钢纤维是一种轻质而高强的细纤维，它的机械性能比传统的混凝土加强材料如钢筋更为出色。

钢纤维可以在混凝土中增强拉伸强度和抗弯强度，使混凝土更加韧性、耐磨、耐腐蚀和冲击性更强。

此外，底盘可通过选择不同形状和大小的钢纤维来适应各种混凝土甚至是复杂的结构形式。

这些特殊的性质使得钢纤维成为了UHPC研究中广泛应用的一种材料。

2.钢纤维增强UHPC的性能通过将钢纤维添加到UHPC中，可以增强其性能，使其在各种工程应用中都能得到很好的应用。

具体来说，钢纤维可以增强UHPC的抗拉、抗压和抗弯等力学性能，并提高其耐久性和抗裂性能。

此外，钢纤维的添加还可以使UHPC更加耐腐蚀和防火，提高了UHPC的长期性能和应用效果。

在UHPC中，钢纤维的使用不仅可以提高UHPC的力学性能，而且还可以解决传统混凝土在弯曲和抗震性能等方面的限制，同时可以防止混凝土结构中的冷缝和损坏。

3.钢纤维在UHPC中的应用和研究在UHPC的研究中，钢纤维作为重要的加强材料被广泛应用。

以往的研究表明，在UHPC中添加钢纤维可以提高UHPC的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等力学性能。

此外，钢纤维的使用可以提高UHPC的耐久性。

与传统混凝土相比，UHPC中添加钢纤维的试验结果显示，钢纤维的使用可以使UHPC的力学性能大大提高，同时还提高了防火和耐腐蚀性，保护结构长期不受损坏。

作为一种新型材料，UHPC的研究将对未来的建筑工程产生重要的影响。

同时，钢纤维作为UHPC中的重要材料将促进UHPC的进一步研究和开发，使其在建筑领域中发挥更广泛和有效的作用。

混凝土结构中纤维增强复合材料的应用技术研究一、引言混凝土是建筑中普遍使用的材料，因其具有良好的压缩性能和耐久性而得到广泛应用。

但是，混凝土的受拉性能较差，易于开裂，降低了其使用寿命和安全性。

为了改善混凝土的受拉性能，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）被引入到混凝土结构中。

近年来，纤维增强混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）已经成为一种重要的新型复合材料，其具有高强度、高韧性、耐久性好等优点。

本文将详细介绍混凝土结构中纤维增强复合材料的应用技术研究。

二、FRC的分类FRC是一种由纤维和混凝土组成的复合材料。

根据纤维种类的不同，FRC可以分为以下几类：1. 钢纤维混凝土：钢纤维混凝土是将钢纤维掺入混凝土中，以提高混凝土的韧性和抗裂性能。

钢纤维可以是钢丝、钢棒、钢纱等形式，其直径一般为0.2~1.0mm，长度为25~60mm。

2. 碳纤维混凝土：碳纤维混凝土是将碳纤维掺入混凝土中，以提高混凝土的强度和刚度。

碳纤维具有高强度、高模量、低密度等优点，但其价格较高。

3. 玻璃纤维混凝土：玻璃纤维混凝土是将玻璃纤维掺入混凝土中，以提高混凝土的韧性和抗裂性能。

玻璃纤维具有良好的耐碱性和耐腐蚀性，但其强度较低。

4. 天然纤维混凝土：天然纤维混凝土是将天然纤维掺入混凝土中，以提高混凝土的韧性和抗裂性能。

常用的天然纤维有木材纤维、竹子纤维、麻类纤维等。

三、FRC的性能FRC的性能主要取决于所使用的纤维种类、纤维含量、纤维长度和混凝土配合比等因素。

下面介绍FRC的一些基本性能：1. 强度：FRC的强度主要取决于所使用的纤维种类和纤维含量。

一般来说，钢纤维混凝土的强度较高，碳纤维混凝土次之，玻璃纤维混凝土最低。

2. 韧性：FRC的韧性主要取决于纤维的长度和含量。

纤维长度越长，韧性越好。

纤维含量越高，韧性越好。

3. 耐久性：FRC的耐久性主要取决于纤维的耐久性和混凝土配合比。

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。

混凝土结构中超高性能纤维增强混凝土的应用一、前言混凝土是建筑工程中常用的材料，但在实际应用中，混凝土结构存在一些问题，如强度低、抗裂性差、易龟裂、易开裂等。

为了解决这些问题，超高性能纤维增强混凝土（Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete，UHPFRC）应运而生。

UHPFRC是一种具有高强度、高韧性、高抗裂性、高耐久性等优良性能的新型混凝土材料。

它的应用可以提高混凝土结构的抗震性能、延长使用寿命，同时还可以降低工程成本和节约能源。

本文将详细介绍UHPFRC的性能特点、制备方法及应用实例，并探讨UHPFRC在混凝土结构中的应用前景。

二、UHPFRC的性能特点1.高强度UHPFRC的强度远远高于传统混凝土，其抗压强度可达到150MPa以上，抗拉强度可达到10MPa以上。

这种高强度可以有效提高混凝土结构的承载能力，减少结构的自重，从而降低工程成本。

2.高韧性UHPFRC具有高韧性，可以在受到外力作用时发生塑性变形，从而吸收能量。

这种韧性可以增强混凝土结构的抗震性能，减少结构在地震中的损伤。

3.高抗裂性UHPFRC中添加了大量的钢纤维和其他纤维，这些纤维可以有效防止混凝土结构出现裂缝，提高混凝土的抗裂性能。

4.高耐久性UHPFRC具有优异的耐久性，可以在恶劣的环境中长期使用。

它可以有效防止混凝土结构受到自然环境、化学腐蚀、冻融循环等因素的损害。

三、UHPFRC的制备方法UHPFRC的制备方法主要包括原材料的选择、配合比的确定、混合、浇筑、养护等步骤。

1.原材料的选择UHPFRC的原材料包括水泥、细骨料、粗骨料、纤维等。

其中，水泥的品种和强度等级应根据工程要求进行选择；细骨料应选用高品质的细度系数，以保证混凝土的均质性和流动性；粗骨料应选用优质的骨料，以确保混凝土的强度和耐久性；纤维可以选择钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等。

2.配合比的确定UHPFRC的配合比应根据工程要求、原材料性能和加工工艺等因素进行确定。

混凝土中添加纤维对抗压性能的影响一、研究背景混凝土作为一种重要的建筑材料，其力学性能一直是研究的热点。

传统的混凝土在受到外力作用时，容易出现裂缝的情况，这不仅会影响建筑的美观性，还会对其使用寿命产生负面影响。

因此，寻找一种能够提高混凝土抗压性能的方法成为了目前研究的重点之一。

其中，添加纤维成为了一种有效的方法。

二、纤维种类常见的混凝土添加纤维包括：钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维等。

三、纤维的影响1. 抗裂性能添加纤维可以有效地提高混凝土的抗裂性能。

钢纤维的拉伸强度和模量较高，可以有效地抵抗混凝土的拉伸裂缝，使混凝土在受到外力作用时能够保持稳定。

聚丙烯纤维的柔韧性好，能够在混凝土的微裂缝中形成纤维桥梁，增强混凝土的抗拉强度。

2. 抗压性能添加纤维还可以提高混凝土的抗压性能。

纤维的添加可以有效地增加混凝土的韧性，减少裂缝的扩展，从而提高混凝土的抗压强度。

在一些研究中，添加纤维可以提高混凝土的抗压强度约20%-30%。

3. 断裂韧度断裂韧度是评价混凝土抗拉性能的重要指标之一。

添加纤维可以显著提高混凝土的断裂韧度。

在一些研究中，添加纤维可以将混凝土的断裂韧度提高2倍以上。

4. 抗冻融性能混凝土在受到冻融循环的影响时容易出现开裂的情况。

添加纤维可以有效地提高混凝土的抗冻融性能。

在一些研究中，添加纤维可以将混凝土的抗冻融性能提高30%-50%。

四、纤维掺量纤维掺量是影响混凝土性能的重要因素之一。

在一些研究中，掺量为0.5%-2%的纤维可以有效地提高混凝土的性能。

但是，纤维掺量过高也会对混凝土的性能产生负面影响。

因此，选择合适的纤维掺量对于混凝土的性能提高至关重要。

五、结论添加纤维是一种有效的提高混凝土性能的方法。

纤维的种类、掺量对于混凝土性能的影响是显著的。

钢纤维、聚丙烯纤维等纤维的添加可以有效地提高混凝土的抗裂性能、抗压性能、断裂韧度和抗冻融性能。

在选择纤维掺量时，需要平衡性能提高和经济成本之间的关系，选择合适的纤维掺量才能最大化地提高混凝土性能。

钢纤维类型和掺量对高强混凝土力学性能的影响摘要钢纤维加入混凝土能够有效地阻碍混凝土内部裂纹的扩展及宏观裂缝的形成，显著地提高混凝土的力学性能、增加冲击韧性、冲击强度和疲劳强度、减少开裂风险，增大混凝土的致密性和延性。

钢钎维混凝土已在基础设施建设、特种混凝土制备与应用等行业得到大量应用，取得了良好的技术经济和社会效益。

有关钢纤维的掺量、钢纤维与其他纤维的组合形式以及钢纤维的分布方式对混凝土力学性能和耐久性能的影响得到了大量的研究，但钢纤维类型、表面状态及掺量等参数对混凝土力学性能的影响尚未有明确阐述，为此，本文研究不同直径、长度和表面状态的钢纤维及其掺量对抗压、抗折和劈拉强度的影响规律，以期最大限度地发挥钢纤维的使用效能。

关键词钢纤维类型；掺量；高强混凝土；力学性能1 试验材料及方法1.1 原材料水泥采用P·52.5RⅡ水泥，矿物掺和料为硅灰。

粗骨料由两种粒径范围5～10mm和10～16mm的玄武岩石子以3：7的质量比混合使用，其表观密度为3030kg/m3，压碎指标为3.1%。

细骨料采用机制砂，表观密度为2600kg/m3。

附着橡胶颗粒的再生钢纤维（Recycledsteelfiberwhichrubberparticleisattachedto，RSFR），是指通过一定技术将废旧轮胎中的钢纤维取出，并切割成不同长度的钢纤维。

而将钢纤维RSFR经过高温处理后可以得到未附着橡胶颗粒的再生钢纤维（Recycledsteelfiberwithoutrubberparticles，RSF），其表面附着被煅烧的橡胶颗粒留下的炭黑。

减水剂采用固含量为50%的聚羧酸型减水剂[1]。

1.2 混凝土的制备本试验共制备6种类型的含粗骨料超高性能混凝土，其中一种为未掺入任何钢纤维的空白组超高性能混凝土，另外5种为分别掺入不同类型钢纤维的超高性能混凝土，混凝土的水胶比（Watertobinderratio，W/B）均为0.18，其配合比及其边长为100mm立方体试件的抗压强度和劈裂抗拉强度见表2。