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东北大学硕士学位论文摘 要 钢纤维混凝土的力学试验研究及其破坏过程的数值模拟 摘要 钢纤维混凝土是在普通混凝 土 中掺入适量 的钢 纤维而形成 的可浇 筑 、可喷射成型的一种新型的复合材料 。由于其具有 良好的力学性能而 日益引起人们的关注，在土木、水利、建筑各个专业领域内得到逐步推 广应用 。 本文为了研究钢纤维体积率p f 分别与钢纤维混凝土的抗压强度、 劈 裂抗拉强度、抗折强度 、弹性模量的之 间关系 ，以及龄期与钢纤维混凝 土强度和弹性模量之间的关系，分别对钢纤维体积率,o f =o %, 1 . 0 %, 1 . 5 %, 2 . 0 %的钢纤维混凝土进行了单轴抗压强度试验、 劈裂抗拉强度试 验、 抗折试验以及静力受压弹性模量试验。 通过试验所得到的各项数据， 对钢纤维混凝土的各项力学性质做出了定量的说明与分析。通过一个可 以对复合材料进行细观力学分析的软件， 即mf p a z 0 ， 建立了普通混凝土 和钢纤维混凝土的数值模型，并对其在单轴压缩状态下的破坏过程进行 了数值模拟研究，并以钢纤维混凝土的力学性能试验为基础，确定了 mf p a z 0 数值试验中各参数。 上述研究结果表明: 骨料和钢纤维具有阻断 破坏单元的作用 ，钢纤维阻碍混凝土 内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝 的发生和发展，从而使钢纤维混凝土的抗拉、抗折、弹性模量等力学性 能较普通混凝土显著提高。并且，钢纤维对混凝土抗压强度的影响，其 他条件不变时，关键在于基体强度等级及其相应的界面强化程度。 本文将数值模拟和实验室试验两种研究方法有机地结合 ，通过实验 室试验 的结果调整数值模拟过程中的运算参数，使数值模拟的结果更接 近工程实际。数值模拟的过程再现了钢纤维混凝土试件在荷载作用下变 形、断裂 、破坏等过程 ，弥补 了混凝土力学宏观试验很难或不能反映的 细观发展变化过程的不足。二者相互补充，是研究钢纤维混凝土力学性 质 的新思路。 关键词钢纤维混凝土强度体积率弹性模量数值模拟 东北大学硕士学 位论文 abs t ract me c h a n i c a l e x p e r i me n t r e s e a r c h o n s t e e l f i b e r re i n f o r c e d co n c r e t e a n d nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f fa i l u r e pr o c e s s ab s t r a c t s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s a n e w k i n d o f c o m p o s i t e t h a t i s mi x e d w i t h a p p r o p r i a t e s t e e l f i b e r s t o t h e c o m m o n c o n c r e t e a n d c a n p o u r a n d s p r a y f o r mi n g . p e o p l e a r e p a y i n g a t t e n t i o n t o t h e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c r e a s i n g l y b e c a u s e o f i t s g o o d m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e , a n d i t i s g e t t i n g t o e x p a n d t h e a p p l i c a t i o n g r a d u a l l y , s u c h a s c i v i l e n g i n e e r i n g , w a t e r c o n s e r v a n c y , c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g , e t c . l a b o r a t o r i a l e x p e r i me n t s a r e c o n d u c t e d f o r s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n w h i c h t h e v o l u m e p e r c e n t a g e o f s t e e l f i b e r s p f a r e 0 %、1 . 0 %、1 . 5 %、2 . 0 % r e s p e c t i v e l y f o r g e t t i n g t h e r e s u l t s a s t o t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e v o l u me p e r c e n t a g e o f s t e e l f i b e r s a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , s p l i t - t e n s i l e s t r e n g t h , fl e x u r a l s t r e n g t h , e l a s t i c mo d u l u s , a n d t h e r e l a t i o n s b e t w e e n a g e a n d s t r e n g t h , e l a s t i c mo d u l u s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e a l s o d i s c u s s e d . t h e v a r i o u s me c h a n i c s p r o p e r t i e s o f t h e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e e x p l a i n e d a n d a n a l y z e d q u a n t i f i c a t i o n a l l y a c c o r d i n g t o t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s . n u me r i c a l m o d e l s o f t h e c o mm o n c o n c r e t e a n d s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e b u i l t u p b y t h e ma t e r i a l f a i l u r e p r o c e s s a n a l y s i s ( m f p a z d ). t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e p r o d u c e d t h e f a i l u r e p r o c e s s o f t h e i r s i n u n i a x i a l c o m p r e s s i v e . mo r e o v e r , t h e p a r a me t e r s o f t h e m f p a z d n u m e r i c a l t e s t w e r e c o n f i r m e d b a s e d o n t h e m e c h a n i c s e x p e r i m e n t o f t h e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a g g r e g a t e a n d s t e e l f i b e r i n t h e c o n c r e t e c a n r e s t r a i n t h e u n i t f a i l u r e , a n d t h e s t e e l f i b e r r e s t r a i n t h e p r o p a g a t i o n o f t h e i n t e r i o r c r a c k a n d t h e i n i t i a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f ma c r o s c o p i c c r a c k s o t h a t t h e me c h a n i c s p a r a me t e r s o f t h e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u c h a s t e n s i l e s t r e n g t h , fl e x u r a l s t r e n g t h a n d e l a s t i c mo d u l u s e t c . a r e r e i n f o r c e d t h a n t h e c o mmo n c o n c r e t e . t h e i n flu e n c e o f s t e e l f i b e r t o t h e c o n c r e t e s t r e n g t h i s p r i ma r i l y r e l a t e d t o t h e s t r e n g t h g r a d e s - 1 1 - 东北大学硕士学 位论文a b s t r a c t o f t h e c o n c r e t e b a s e a n d t h e s t r e n g t h e n d e g r e e o f i n t e r f a c e w h e n o t h e r c o n d i t i o n s a r e u n c h a n g e d . t h e n u me r i c a l s i m u l a t i o n c o mb i n e s w i t h t h e e x p e r i me n t o r g a n i c a l l y i n t h i s p a p e r , t h e p a r a m e t e r s o f t h e n u me r i c a l s i m u l a t i o n a r e r e c t i f i e d b y t h e e x p e r i me n t r e s u l t s , s o t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s a p p r o a c h t o e n g i n e e r i n g p r a c t i c e . f r a c t u r e a n d f a i l u r e t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e p r o d u c e s p r o c e s s o f t h e l o a d i n g , me c h a n i c s w h i c h c o mp l e me n t t h e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d d e f i c i e n c y t h a t t h e t h e d e f o r ma t i o n , c o n c r e t e u n d e r ma c r o s c o p i c a l a n d p r o p a g e x p e r i me n t c a n n o t r e fl e c t t h e me s o s c o p i c p r o c e s s o f i n i t i a t i o n a t i o n . t h e t w o me t h o d s a r e c o mp l e me n t a r y m u t u a l l y w h i c h i s t h o u g h t a s a n e w me a n s t o s t u d y o n t h e me c h a n i c s p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . ke y wo r d s s t e e l f i b e r p e r c e n t a g e o f s i mu l a t i o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t e e l f i b e r se l a s t i c s t r e n g t h， mo d u l u s t h e v o l u me n u me r i c a l 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢 意 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : a 日期 : 尸 f , / . 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定;即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名 签字 日期: : 袜 ? a v - l . 5 导师签名 签字 日期 户 :) 声 犷 . ， 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 问题的提出 2 0世纪以来逐渐形成的以新材料、新技术为基础的信息技术、 新能源技术、生物工程技术、空间技术和海洋开发技术的新技术群， 促进了材料科学的迅猛发展。时至今 日，人们 已经能够按照使用要 求对材料性能进行设计。复合材料作为一种有生命力的工程材料 已 经实现了设计技术的重大突破。 混凝土是 当今应用最广泛 的建筑材料 ，它具有易成型、能耗低 、 耐久好、价格便宜，以及与钢材结合可制成各种承重结构的优点。 随着人类社会的发展，混凝土材料及其应用技术得到了不断的发展， 并逐渐成为材料科学中的一个重要门类。但混凝土的自重大、脆性 大、抗拉强度低等弱点限制了它的扩大应用。因此，人们致力于使 混凝土向轻质、高强、改变脆性等方向发展，并致力于开发和改进 预应力结构、组合结构和其他新型结构，以扩大其使用范围。 采用纤维增强混凝土是混凝土材料改性的一个重要手段，钢纤 维混凝土简称 s f r c ( s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ) ，是指将短的、 不连续的钢纤维均匀乱向分散于混凝土组成的复合材料。它可使混 凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高。最近 2 0多年来， 纤维混凝土的发展很快，在建筑、交通、水利、矿山、冶金、军事、 耐火材料工业等方面都有应用实例。 目前，工程实践要求纤维混凝土的基础理论研究应当进一步深 化。纤维混凝土损伤与断裂过程中的裂纹扩展以及损伤与断裂等基 本理论问题，是该领域的一个前沿课题。本文立足于对钢纤维混凝 土这个工程材料的认识，提出一个进行钢纤维混凝土断裂过程模拟 的数值模型，并对其在单轴压缩状态下的破坏过程及其机制进行了 数值模拟研究 ，并 以钢纤维混凝土 的力学性 能试验 为基础 ，来进一 步确定mf p a i d 数值试验中各参数。 东北大学 硕士学 位论文 1 . 2钢纤维混凝土的发展及其工程应用 第一章绪论 1 . 2 . 1 钢纤维混凝土国内外研究现状 早在 1 9 1 0年美国 h . f . p o r t e r 就发表了有关以钢纤维增弧混凝土 的研究报告，1 9 1 1 年，美国 g r a h a m 曾把钢纤维掺入普通钢筋混凝土 中，得到了可 以提高混凝土强度和稳定性的结果。英、法、德等 国 是在 4 0年代开始实用性的研究和开发应用。日本在第二次世界大战 期间由于军事工程的需要也曾进行过这方面的试验和研究。但都没 能达到实用化的程度。直到 1 9 6 3 年 j . p . r o m u a l d i 和 g . b . b a t s o n发表 了一系列关于钢 纤维约束混凝土裂缝 开裂机理 的文章 ，得 出钢纤维 混凝土开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决 定的结论，开始了这种新型复合材料的实用化开发研究阶段。 我国在这方面起步较晚，我国研究和应用钢纤维混凝土开始于 7 0年代，但是近二十年来发展迅速。在钢纤维混凝土的基本性能与 增强机理研究方面都取得了重要的进展。但同英美和 日本相比，我 国在钢纤维混凝土的开发和应用方面还有较大差距。现有的技术标 准和规程还不能完全满足工程上的需要，仍需继续补充修订。钢纤 维除增强普通混凝土外，也可以用来增强轻质混凝土、高强混凝土 以及与钢丝 网等材料联合应用等 ，这 方面 的结构设计理论和相关 的 施工技术也需进一步研究，以使钢纤维混凝土的应用得到更快的发 展 。 1 . 2 . 2钢纤维混凝土的工程应用 钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而形成的可 浇筑、可喷射成型的一种新型的复合材料。由于钢纤维的加入，提 高了构件的抗裂度，阻滞裂缝的开展。钢纤维混凝土以其优 良的物 理力学性能在土木、水利、建筑各个专业领域内得到逐步推广应用。 在隧洞衬砌和矿 山井巷中，采用喷射钢纤维混凝土代替钢筋混 凝土衬砌或钢筋 网喷射混凝土衬砌 ，具有截面小 、强度 高、韧性好 、 施工简便等优点 ， 是当今国内外钢纤维混凝土应用广泛的一个工程 东北大学 硕士学 位论文 1 . 2钢纤维混凝土的发展及其工程应用 第一章绪论 1 . 2 . 1 钢纤维混凝土国内外研究现状 早在 1 9 1 0年美国 h . f . p o r t e r 就发表了有关以钢纤维增弧混凝土 的研究报告，1 9 1 1 年，美国 g r a h a m 曾把钢纤维掺入普通钢筋混凝土 中，得到了可 以提高混凝土强度和稳定性的结果。英、法、德等 国 是在 4 0年代开始实用性的研究和开发应用。日本在第二次世界大战 期间由于军事工程的需要也曾进行过这方面的试验和研究。但都没 能达到实用化的程度。直到 1 9 6 3 年 j . p . r o m u a l d i 和 g . b . b a t s o n发表 了一系列关于钢 纤维约束混凝土裂缝 开裂机理 的文章 ，得 出钢纤维 混凝土开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决 定的结论，开始了这种新型复合材料的实用化开发研究阶段。 我国在这方面起步较晚，我国研究和应用钢纤维混凝土开始于 7 0年代，但是近二十年来发展迅速。在钢纤维混凝土的基本性能与 增强机理研究方面都取得了重要的进展。但同英美和 日本相比，我 国在钢纤维混凝土的开发和应用方面还有较大差距。现有的技术标 准和规程还不能完全满足工程上的需要，仍需继续补充修订。钢纤 维除增强普通混凝土外，也可以用来增强轻质混凝土、高强混凝土 以及与钢丝 网等材料联合应用等 ，这 方面 的结构设计理论和相关 的 施工技术也需进一步研究，以使钢纤维混凝土的应用得到更快的发 展 。 1 . 2 . 2钢纤维混凝土的工程应用 钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而形成的可 浇筑、可喷射成型的一种新型的复合材料。由于钢纤维的加入，提 高了构件的抗裂度，阻滞裂缝的开展。钢纤维混凝土以其优 良的物 理力学性能在土木、水利、建筑各个专业领域内得到逐步推广应用。 在隧洞衬砌和矿 山井巷中，采用喷射钢纤维混凝土代替钢筋混 凝土衬砌或钢筋 网喷射混凝土衬砌 ，具有截面小 、强度 高、韧性好 、 施工简便等优点 ， 是当今国内外钢纤维混凝土应用广泛的一个工程 东 北大学 硕士学 位论文第一章绪论 领域，例如，梅山铁矿西区一1 1 2 ms 1 -s :进路及三联巷处的加固， 西区 5 - 1 溜井的加固。 南昆铁路西段宜良县境内乐善村二号隧道处使用了钢纤维混凝 土，使衬砌厚度由普通混凝土的 1 2 0 0 mm 减薄至 3 0 0 mm，加上初期 支护 2 0 0 mm， 钢纤维混凝土衬砌总厚 5 0 0 m m o 隧洞开挖量减少 2 1 %, 衬砌污工量减少 6 2 %，取得了明显的效益。 在建筑工程领域中，钢纤维混凝土也得到了较广泛地应用，如 房屋建筑 、预制桩工程 、框架节 点 、屋面放水工程 、地下 防水工程 等。沈阳商业城建筑面积 6 . 8万m ，占地 1 0 0 x l 0 0 mm。地下两层车 库，地上六层，局部七层，地上部分总高度 3 5 . 4 m。在该建筑面临主 要街道的转角处，地上一、二层抽到三根柱子，形成上部双向外挑 9 . 9 m、托四层建筑的较大悬挑结构。经过多种方案比较，选定墙、 梁。拄组合悬挑结构方案。该方案梁截面 5 0 0 m mx 1 5 0 0 m m,墙厚 2 0 0 m m，柱截面 6 0 0 m m x 6 0 0 m m。对此悬挑结构结构进一步进行弹 性有限元分析，发现应力状态比较复杂，部分区域尤其是悬空柱拉 应力很大。由于在混凝土配置钢筋有区域性和方向性，所以采取配 筋方式抵抗复杂应力并不是最有效的办法。而钢纤维混凝土中的钢 纤维乱向分布于混凝土中，是抵御结构构件复杂应力的较理想材料。 另外，钢纤维混凝土有良好的抗裂性，可使构件在标准荷载作用下 处于弹性受力阶段而不开裂，不出现 内力重分布 。沈阳商业城的工 程实践表明，采用钢纤维混凝土解决大悬挑结构产生的复杂应力问 题是成功的。在使用过程中实测变形满足要求，未出现裂缝 2 - 3 1 在公路桥梁工程、公路路面及机场道面工程、铁路工程 内河航 道工程、水利水电工程、防爆工程、维修加固工程等众多方面，钢 纤维混凝土都己显示出很大的生命力和广 阔的发展前景 。 1 . 3钢纤维混凝土的组成材料 钢纤维混凝土的拌合料是由水泥、水、粗细集料 、钢纤维及必 要时掺入化学外加剂或掺合料，按一定比例配制而成。拌合料各组 成材料的正确选择，对钢纤维混凝土的物理力学性能和施工有重要 的影响。 钢纤维混凝土的组成材料，除钢纤维外，其他材料与普通混凝 东 北大学 硕士学 位论文第一章绪论 领域，例如，梅山铁矿西区一1 1 2 ms 1 -s :进路及三联巷处的加固， 西区 5 - 1 溜井的加固。 南昆铁路西段宜良县境内乐善村二号隧道处使用了钢纤维混凝 土，使衬砌厚度由普通混凝土的 1 2 0 0 mm 减薄至 3 0 0 mm，加上初期 支护 2 0 0 mm， 钢纤维混凝土衬砌总厚 5 0 0 m m o 隧洞开挖量减少 2 1 %, 衬砌污工量减少 6 2 %，取得了明显的效益。 在建筑工程领域中，钢纤维混凝土也得到了较广泛地应用，如 房屋建筑 、预制桩工程 、框架节 点 、屋面放水工程 、地下 防水工程 等。沈阳商业城建筑面积 6 . 8万m ，占地 1 0 0 x l 0 0 mm。地下两层车 库，地上六层，局部七层，地上部分总高度 3 5 . 4 m。在该建筑面临主 要街道的转角处，地上一、二层抽到三根柱子，形成上部双向外挑 9 . 9 m、托四层建筑的较大悬挑结构。经过多种方案比较，选定墙、 梁。拄组合悬挑结构方案。该方案梁截面 5 0 0 m mx 1 5 0 0 m m,墙厚 2 0 0 m m，柱截面 6 0 0 m m x 6 0 0 m m。对此悬挑结构结构进一步进行弹 性有限元分析，发现应力状态比较复杂，部分区域尤其是悬空柱拉 应力很大。由于在混凝土配置钢筋有区域性和方向性，所以采取配 筋方式抵抗复杂应力并不是最有效的办法。而钢纤维混凝土中的钢 纤维乱向分布于混凝土中，是抵御结构构件复杂应力的较理想材料。 另外，钢纤维混凝土有良好的抗裂性，可使构件在标准荷载作用下 处于弹性受力阶段而不开裂，不出现 内力重分布 。沈阳商业城的工 程实践表明，采用钢纤维混凝土解决大悬挑结构产生的复杂应力问 题是成功的。在使用过程中实测变形满足要求，未出现裂缝 2 - 3 1 在公路桥梁工程、公路路面及机场道面工程、铁路工程 内河航 道工程、水利水电工程、防爆工程、维修加固工程等众多方面，钢 纤维混凝土都己显示出很大的生命力和广 阔的发展前景 。 1 . 3钢纤维混凝土的组成材料 钢纤维混凝土的拌合料是由水泥、水、粗细集料 、钢纤维及必 要时掺入化学外加剂或掺合料，按一定比例配制而成。拌合料各组 成材料的正确选择，对钢纤维混凝土的物理力学性能和施工有重要 的影响。 钢纤维混凝土的组成材料，除钢纤维外，其他材料与普通混凝 东北大学硕士学位论文 土有共 同点 ，也有许多不 同的特点。 第一章绪论 . 3 . 1 . 钢纤维 掺入混凝土拌合料中的是一种乱向、不连续随机分布的短钢纤 维。钢纤维的类型、特征参数、主要性能及选用如下1 4 1 一、钢纤维的类型 钢纤维的类型，可按外形、截面形状、生产工艺、材料品质、 施工用途划分 。 1按钢纤维的外形分 (a) ( c )( d )( e )( f )( g )( h ) 图 1 . 1 钢纤维的外形 . 1 t h e f i g u r e o f s t e e l f i b e r 含、.，百、刀协，19 、月广f b 如图 1 . 1 所示，有长直形 ( a ) 、压痕形 ( b ) 、波浪形 ( c ) .弯钩 形 ( d . e ) 、大头形 ( f , g ) 、扭曲形 ( h )等。 2 . 按钢纤维的截面形状分 如图 1 . 2所示 ，有 圆形 ( a ) ,矩形 ( b ) 、月牙形 ( c )及不规 则 形 ( d )等 。 3 p t x - ( a )( b )( c )( d ) 图 1 . 2 钢纤维的截面形状 f i g . 1 . 2 t h e s e c t i o n a l s h a p e o f s t e e l f i b e r 3 . 按钢纤维的生产工艺分 如图 1 . 3所示，有切断型钢纤维 型钢纤维 ( c )及熔抽型钢纤维 ( d ) 这四种钢纤维的基本特征见表 1 ( a ) 、剪切型钢纤维 ( b ) ,铣削 等 。 东北大学硕士学位论文 土有共 同点 ，也有许多不 同的特点。 第一章绪论 . 3 . 1 . 钢纤维 掺入混凝土拌合料中的是一种乱向、不连续随机分布的短钢纤 维。钢纤维的类型、特征参数、主要性能及选用如下1 4 1 一、钢纤维的类型 钢纤维的类型，可按外形、截面形状、生产工艺、材料品质、 施工用途划分 。 1按钢纤维的外形分 (a) ( c )( d )( e )( f )( g )( h ) 图 1 . 1 钢纤维的外形 . 1 t h e f i g u r e o f s t e e l f i b e r 含、.，百、刀协，19 、月广f b 如图 1 . 1 所示，有长直形 ( a ) 、压痕形 ( b ) 、波浪形 ( c ) .弯钩 形 ( d . e ) 、大头形 ( f , g ) 、扭曲形 ( h )等。 2 . 按钢纤维的截面形状分 如图 1 . 2所示 ，有 圆形 ( a ) ,矩形 ( b ) 、月牙形 ( c )及不规 则 形 ( d )等 。 3 p t x - ( a )( b )( c )( d ) 图 1 . 2 钢纤维的截面形状 f i g . 1 . 2 t h e s e c t i o n a l s h a p e o f s t e e l f i b e r 3 . 按钢纤维的生产工艺分 如图 1 . 3所示，有切断型钢纤维 型钢纤维 ( c )及熔抽型钢纤维 ( d ) 这四种钢纤维的基本特征见表 1 ( a ) 、剪切型钢纤维 ( b ) ,铣削 等 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( a )( b ) 图 1 . 3 ( c ) 钢 纤 维 的 生 产 工 艺 ( d ) f i g . 1 . 3 t h e p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y o f s t e e l f i b e r ( a )钢丝切断法;( b )薄钢板剪切法:( 。 )铣削法:( d )熔钢抽丝 法 1 -钢丝:2 一胎具;3 -薄钢板;4 一切削刀轮:5 -钢纤维; 6 -钢锭 ;7 一运送:8 一熔钢 ;9 -熔抽轮 4 . 按钢纤维的材质分 表 1 . 1 四种钢纤维的基本特征表 t a b l e 1 . 1 t h e g e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f f o u r k i n d s o f s t e e l f i b e r 类型断面形状表面状况 切断型钢纤维 剪切型钢纤维 铣削型钢纤维 熔抽型钢纤维 圆形 矩 形 三角形 月 牙 形 冷拔表面较光滑 切断面较粗糙 铣削面粗糙 氧化皮膜 提 高粘结 力 方法 压痕 、折弯 扭转 、折弯 扭 转 、折 弯 两 端 较 粗 抗拉强度 ( mp a ) 6 0 0 - 3 0 0 0 3 8 0 - 8 0 0 3 8 0 一 8 0 0 3 8 0 一 8 0 0 有普通碳钢钢纤维、不锈钢钢纤维。其中，以普通碳钢钢纤维 用量居多 。 5 . 按钢纤维的施工用途分 浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。 本次试验所用的钢纤维是由鞍山市昌宏钢纤维有限公司生产的 螺纹型熔抽钢纤维，截面形状为矩形，长径比 3 2 . 2 4 , 1 0 0根平均长 度为3 0 . 3 2 7 m m; 二、钢纤维的主要性能 1 . 抗拉强度 为使钢 纤维混凝 土具有 良好 的力学性 能，要求钢纤维 具有一 定 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的抗拉强度。钢纤维的抗拉强度，根据钢纤维的材质和生产工艺不 同，其抗拉强度也有所区别 ，试验表明，用冷拔钢丝切断的钢纤维 抗拉强度较高，一般为 6 0 0 - 1 0 0 0 mp a ,剪切型、熔抽型和铣削型钢 纤维的抗拉强度一般为 3 8 0 - 8 0 0 mp a 。由于普通钢纤维混凝土主要 是因钢纤 维拔 出而破坏 ，并不是 因钢 纤维拉断而破坏 ，钢 纤维在破 坏时承受的最大拉应力为 1 0 0 3 0 0 mp a ，因此钢纤维的抗拉强度在 3 8 0 mp a以上，一般能满足要求。 2 ， 粘结强度 钢纤维的粘结强度，用直接拉拔法测定钢纤维与水泥砂浆之间 的粘结强度。 由于钢 纤维混凝土 的破坏 主要是钢纤维 的拔 出引起 ，因此提 高 钢纤维与混凝土基体界面的粘结强度是重要问题。提高粘结强度除 与基体的性能有关外，就钢纤维本身来说，应该从钢纤维表面和形 状来改善它与基体 的粘 结性 能 。为了提高钢纤维 的粘 结强度 ，常采 用:使钢纤维表面粗糙化，截面呈不规则形，增加与基体的接触面 积和摩擦力;将钢纤维表面压痕，或压成波浪形，增加机械粘结力; 使钢纤维的两端异形化或大头形等，以提高其锚固力和抗拔力。 3 . 硬 度 各种钢纤维的表面硬度较高，在与混凝土搅拌时，一般不易发 生弯折现象。但有时由于钢纤维的材质较脆，搅拌时也易发生折断， 影响增强效果 。 4 . 耐腐蚀性 浇筑在钢纤维混凝土内部的钢纤维 ，只要捣固密实，与空气隔 绝，钢纤维一般不发生锈蚀现象。露于混凝土表面或在裂缝宽度超 过 0 . 2 5 mm时，跨接在裂缝处的钢纤维，易发生腐蚀现象 。所以，在 钢纤维混凝土的现场施工中，一定要按操作规程施工，捣固质量做 到均匀密实。 三、钢纤维的几何参数和体积率 表示钢纤维几何参数的有钢纤维长度、直径 ( 或等效直径)及 长径 比。 钢纤维长度指钢纤维两端点的直线距离， 用if 表示， 其尺寸可为 1 5 -, 6 0 mm o 钢 纤维截 面的直径或等效 直径 ( 当钢纤维 为非 圆形截 面时 ，其 东 北大学硕士学 位论文第一章 绪论 截面面积相当于圆形截面面积时计算所得到的直径) ， 用d f 表示， 通 常为 0 . 3 一1 . 2 mme 钢纤维的长径比即指钢纤维长度与直径或等效直径之比， 即州 办 通常为 3 0 -1 0 0 . 钢纤维体积率，指钢纤维所 占钢纤维混凝土体积的百分数。用 p， 表示，它表明钢纤维在拌合料中掺入量的多少。 四、钢纤维混凝土结构对钢纤维几何参数和体积率的选用范围 钢纤维的增强效果与钢纤维的长度、直径 ( 或等效直径) 、长径 比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维长度太短不 起增强作用 ，太长施工较 困难 ，影响拌合物 的质量 ，直径过细易在 拌合过程中被弯折，过粗则在同样体积率时，其增强效果较差。 根据国内外工程应用经验，对不同类别的钢纤维混凝土结构， 提出常用的钢纤维几何参数选用范围，列于表 1 . 2 0 表 1 . 2 钢纤维几何参数选用表 t a b l e 1 . 2 t h e p r o p e r s e l e c t i n g o f g e o m e t r i c p a r a m e t e r s f o r s t e e l f i b e r 钢纤维混凝土结构类型长度 ( m m) 直径 ( 等效直径) ( m m ) 一般浇筑成型的结构 框架抗震节点 铁路轨枕 喷射钢纤维混凝土 25- 6 00. 3- 1 . 2 40- 600. 4- 1 . 2 2 0- 300. 3- 0. 6 1 5- 250. 3- 0. 5 长径 比 4 0 - 1 0 0 5 0 - 1 0 0 5 0- 7 0 3 0 6 0 钢纤维混凝土 中钢纤维 的体积率小到一定程度 时将不起增 强作 用，对于不同品种、不同长径比的钢纤维，其最小体积率略有不同， 国内外一般 以 0 . 5 %为最小体积率。钢纤维体积率超过 2 %时，拌合 物 的和易性变差 ，施工较 困难 ，质量难 以保证 。 根据国内外工程应用经验，不同的钢纤维混凝土结构工程，常 用休积率选用范围列于表 1 . 3 。选用时根据钢纤维的性能、结构对增 强效果的要求 ，以及经济合理 的原则选 定。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表 1 . 3 钢纤维体积率选用范围 t a b l e 1 . 3 t h e p r o p e r s e l e c t i n g o f v o l u m e p e r c e n t a g e o f s t e e l f i b e r 钢纤维混凝土结构类别钢纤维体积率 ( %) 一般浇筑成型的结构 0. 5- 2. 0 局部受压构件 、桥面、预制桩、桩顶、桩尖 1 _ 0- 1 . 5 铁路轨枕刚性防水屋面 喷射钢纤维混凝十 0. 8- 1 . 2 0. 5- 1 _ 5 1 . 3 . 2水泥 水泥在钢纤维混凝土中是一种胶结材料，与水拌合形成水泥浆 形成具有很高的粘结力，它把砂、石和钢纤维胶结成一整体，经凝 结硬化，具有较高强度的钢纤维混凝土。因此，水泥是钢纤维混凝 土的重要组成材料。 目前在钢纤维混凝土中常用的水泥是 4 2 5和 5 2 5号普通硅酸盐 水泥1 2 6 1 钢纤维混凝土中水泥用量比普通水泥用量要大，一般为 3 6 0 -4 5 0 k g / m 3 o 1 . 3 . 3砂 砂常称细骨料，用于填充碎石或砾石等粗骨料的空隙，并共同 组成钢纤维棍凝土的骨架。砂具有充填、密实、和易、增强等作用， 也是钢纤维混凝土中必不可少的重要组成材料。 砂的级配应符合要求，密度一般为2 . 5 -2 . 7 g / c m 3 o 1 . 3 . 4石料 碎石或砾石是组成钢纤维混凝土的骨架材料，常称粗骨料。钢 纤维混凝土所用石料，通常选用碎石。因碎石的颗粒表面较粗糙， 富有棱角，能产生 良好的机械嵌锁作用，与水泥浆有较强的粘结力。 钢纤维混凝土所用石料粒径， 不宜大于钢纤维长度的 2 1 3 ， 一般为 5 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表 1 . 3 钢纤维体积率选用范围 t a b l e 1 . 3 t h e p r o p e r s e l e c t i n g o f v o l u m e p e r c e n t a g e o f s t e e l f i b e r 钢纤维混凝土结构类别钢纤维体积率 ( %) 一般浇筑成型的结构 0. 5- 2. 0 局部受压构件 、桥面、预制桩、桩顶、桩尖 1 _ 0- 1 . 5 铁路轨枕刚性防水屋面 喷射钢纤维混凝十 0. 8- 1 . 2 0. 5- 1 _ 5 1 . 3 . 2水泥 水泥在钢纤维混凝土中是一种胶结材料，与水拌合形成水泥浆 形成具有很高的粘结力，它把砂、石和钢纤维胶结成一整体，经凝 结硬化，具有较高强度的钢纤维混凝土。因此，水泥是钢纤维混凝 土的重要组成材料。 目前在钢纤维混凝土中常用的水泥是 4 2 5和 5 2 5号普通硅酸盐 水泥1 2 6 1 钢纤维混凝土中水泥用量比普通水泥用量要大，一般为 3 6 0 -4 5 0 k g / m 3 o 1 . 3 . 3砂 砂常称细骨料，用于填充碎石或砾石等粗骨料的空隙，并共同 组成钢纤维棍凝土的骨架。砂具有充填、密实、和易、增强等作用， 也是钢纤维混凝土中必不可少的重要组成材料。 砂的级配应符合要求，密度一般为2 . 5 -2 . 7 g / c m 3 o 1 . 3 . 4石料 碎石或砾石是组成钢纤维混凝土的骨架材料，常称粗骨料。钢 纤维混凝土所用石料，通常选用碎石。因碎石的颗粒表面较粗糙， 富有棱角，能产生 良好的机械嵌锁作用，与水泥浆有较强的粘结力。 钢纤维混凝土所用石料粒径， 不宜大于钢纤维长度的 2 1 3 ， 一般为 5 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表 1 . 3 钢纤维体积率选用范围 t a b l e 1 . 3 t h e p r o p e r s e l e c t i n g o f v o l u m e p e r c e n t a g e o f s t e e l f i b e r 钢纤维混凝土结构类别钢纤维体积率 ( %) 一般浇筑成型的结构 0. 5- 2. 0 局部受压构件 、桥面、预制桩、桩顶、桩尖 1 _ 0- 1 . 5 铁路轨枕刚性防水屋面 喷射钢纤维混凝十 0. 8- 1 . 2 0. 5- 1 _ 5 1 . 3 . 2水泥 水泥在钢纤维混凝土中是一种胶结材料，与水拌合形成水泥浆 形成具有很高的粘结力，它把砂、石和钢纤维胶结成一整体，经凝 结硬化，具有较高强度的钢纤维混凝土。因此，水泥是钢纤维混凝 土的重要组成材料。 目前在钢纤维混凝土中常用的水泥是 4 2 5和 5 2 5号普通硅酸盐 水泥1 2 6 1 钢纤维混凝土中水泥用量比普通水泥用量要大，一般为 3 6 0 -4 5 0 k g / m 3 o 1 . 3 . 3砂 砂常称细骨料，用于填充碎石或砾石等粗骨料的空隙，并共同 组成钢纤维棍凝土的骨架。砂具有充填、密实、和易、增强等作用， 也是钢纤维混凝土中必不可少的重要组成材料。 砂的级配应符合要求，密度一般为2 . 5 -2 . 7 g / c m 3 o 1 . 3 . 4石料 碎石或砾石是组成钢纤维混凝土的骨架材料，常称粗骨料。钢 纤维混凝土所用石料，通常选用碎石。因碎石的颗粒表面较粗糙， 富有棱角，能产生 良好的机械嵌锁作用，与水泥浆有较强的粘结力。 钢纤维混凝土所用石料粒径， 不宜大于钢纤维长度的 2 1 3 ， 一般为 5 - 东 北大学硕士学位论文 20m m o 第一章绪论 石料 的级配应符合要求 。 1 . 3 . 5水 凡能饮用 的水和洁净 的天然水 ，均可 用于钢 纤维混凝土 。 1 . 3 . 6外加剂 在钢 纤维混凝土拌合过程 中，为 了改善拌合料 的和 易性 、减少 水泥用量或提 高强度 ，可 以掺入一定量 的外加剂 。 1 . 4固体材料失稳与断裂研究的发展 在采矿科学和工程力学的历史发展进程中， 混凝土破坏过程分析 都是一项重要的研究方向，混凝土破坏过程分析的每一项重要的研 究成果都对采矿科学和工程力学产生了重要的影响。 综观混凝土破坏过程分析这一研究方向，可以将其划分三个阶 段 : 一、实验室试验和初步应用阶段 这是破坏过程分析 的初始阶段 ，用混凝土试件进行拉 、压 、剪 的 强度试验及变形试验，从而得到各种混凝土力学性质参数指标，如 弹性模量、单轴抗压强度、三轴强度、抗拉强度、抗剪强度等，并 根据试验 结果进行各种工程 的设计 ，并用解析方法求解工程 问题 。 由于混凝土材