摘 要: 通过对234个钢纤维混凝土试件的力学性能试验，系统研究了钢纤维类型、体积分数、长径比和混凝

土基体强度对钢纤维混凝土抗压强度、劈拉强度和弯曲韧性的影响． 结果表明: 钢纤维对混凝土抗压强度影

响不大，但改变了受压破坏时的破坏形态; 随钢纤维体积分数增大，混凝土劈拉强度和弯曲韧性显著提高，高

强钢丝切断型钢纤维的改善效果最好，长径比越大，改善效果越明显．

关键词:钢纤维体积分数; 钢纤维类型; 钢纤维长径比; 强度; 弯曲韧性

钢纤维加入混凝土中能够延缓混凝土内部微裂

缝的扩展，阻滞宏观裂缝的发生和发展，有效提高混凝土的抗拉强度和变形能力，改善混凝土的韧性和延性，避免混凝土结构无征兆的脆性破坏． 因此钢纤

维混凝土( Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)越

来越广泛地应用于工程建设的各个领域． 目前，国内

外对SFRC的强度和韧性的研究大多是针对某一个

方面，或考虑的因素比较单一，主要侧重于中高掺量

钢纤维和中高强度混凝土的研究［1 － 3］． 笔者通过大量试验，系统研究了钢纤维类型、体积分数、长径比和混凝土基体强度对SFRC强度和韧性的影响，并归纳出各因素对SFRC的增强、增韧规律．

试验概况

采用32． 5(仅用于配制C20混凝土) 和42． 5普通硅酸盐水泥; 粒径0． 15～ 5mm，级配良好的中砂;粒径5～ 20mm，连续级配的碎石; JKH－ 1型粉状高效减水剂，减水率18%～25% ;拌合水为普通自来水． 钢纤维共有6种，主要特征参数见表1．

试验按C20，C30，C40，C50，C60，C70 6个强度等级进行配合比设计，基体混凝土配合比见表2．

抗压和劈拉试验主要考虑混凝土基体强度等级和钢纤维体积分数的影响，试件尺寸为150 mm×

150mm× 150mm． C20，C40，C60，C70 4个强度等级

混凝土中均掺入体积分数为0． 4%和 1． 0%的D型

钢纤维; C30掺入体积分数为0． 2% ，0． 4% ，0． 5% ，

0． 7% ，1． 0% ，1． 5% ，2． 0% ，2． 5% ，3． 0%的D型钢

纤维; C50掺入体积分数为0． 2% ，0． 4% ，0． 5% ，

0． 7% ，1． 0% ，1． 5% ，2． 0% 的D型钢纤维．

表1  钢纤维特征参数表

弯曲韧性试验主要考虑钢纤维类型、体积分数

和长径比的影响，试件尺寸为100 mm×100 mm×

400mm． 以C30混凝土为基本组，分别掺入B型、C

型、E型、F型钢纤维，掺入体积分数均为0． 4%和

1． 0%两种; 掺入D型钢纤维体积分 数 为0． 2% ，

0． 4% ，0． 5% ，0． 7% ，1． 0% ，1． 5% ，2． 0% ，2． 5% ，

3． 0% ． 比较 掺 入 D 型钢纤维不同体积分数下的 

SFRC荷载–挠度曲线，研究体积分数对弯曲韧性

的影响; 比较掺入D型、E型和F型钢纤维( 3种类

型掺入体积分数均为0． 4% 和 1． 0% )下的SFRC荷

载–挠度曲线，研究钢纤维类型对弯曲韧性的影响;

比较掺入B型、C型和D型钢纤维( 3种类型掺入体积分数均为0． 4% 和1． 0% )下的SFRC荷载–挠度曲线，研究钢纤维长径比对弯曲韧性的影响．

各组SFRC试件的抗压、劈拉和弯曲韧性试验均按照CECS13∶2009［4］规定的方法进行． 其中，抗压和劈拉试验均采用普通试验机． 对于弯曲韧性试验设备，在普通试验机上进行混凝土弯曲韧性试验时，若试件变形超过荷载峰值点变形，试件往往会突然崩溃，很难测得混凝土应力–应变曲线或试件荷载–挠度曲线的下降段． 为了避免这种突然破坏，采用增设刚性组件的办法来增大试验机的刚度，装置如图1所示． 当试件荷载超过其最大承载力时，刚性组件就负担起部分或更多的荷载，以减缓试验机释放弹性能的速度，从而测得混凝土试件荷载–变形全曲线．

表2  混凝土配合比

劈拉强度与抗压强度的关系

CF20—CF70混凝土的实测抗压强度及其相应的劈拉强度如图5所示． 随混凝土强度等级的提高，普通混凝土和SFRC的劈拉强度均不断提高，且劈拉强度与抗压强度有着良好的线性关系． 对普通混凝土，二者相关系数R2   =0． 9193;钢纤维掺入体积分数为0． 4%时，相关系数R2   =0． 9576;钢纤维掺入体积分数为1． 0%时，相关系数R2  =0． 9196． 同时，图5还反映出钢纤维的加入能显著提高各强度等级混凝土的劈拉强度，随钢纤维体积分数的增大，混凝土劈拉强度相对于抗压强度提高的幅度越来越 大，表现为由图示公式回归所得直线的斜率越来越大． 说明钢纤维对以主拉应力控制的破坏模式具有更显著的改善效果．

钢纤维体积分数对SFRC弯曲韧性的影响

不同钢纤维体积分数下SFRC小梁的荷载–挠

度曲线如图 6所示． SFRC荷载峰值随着纤维体积分

数的增大而提高，荷载挠度曲线随着钢纤维体积分

数的增大而愈加丰满． 这是因为: 随荷载作用增大，

凝土的界面切断型钢纤维端钩的锚固作用得到了较好发挥，混

黏结力得到提高，应力集中程度则得以降低，从而延缓了混凝土中的裂缝发展，提高了SFRC弯曲韧性． 并且，当界面黏结强度足够高时，由于切断型钢纤维本身的抗拉强度要高于铣削型和 剪切型钢纤维，故试件破坏时，切断型钢纤维基本上 是被拔出，而铣削型和剪切型钢纤维则是部分被拔出，部分被拉断． 钢纤维在被拉拔直至破坏的过程中，切断型钢纤维能做出更大的功，吸收更多的能量，从而产生更好的增强和增韧效果．

钢纤维长径比对SFRC弯曲韧性的影响

不同钢纤维长径比下SFRC小梁的荷载－挠度

曲线如图8所示． 在钢纤维类型和体积分数相同的

情况下，长径比越大，增韧效果越好． 长径比为65的

钢纤维，在体积分数为0． 4%时就有很好的增韧效

果，接近于长径比45的钢纤维在体积分数为1． 0%

时的增韧作用． 这是因为: 长径比越大，钢纤维与混

凝土基体的锚固长度也越大． 跨越裂缝的钢纤维能

够传递更大应力，更好地抑制了主裂缝的扩展，并影

响了次裂缝产生的位置，使受拉区应力分布更为均