纖維混凝土研究進(jìn)展及增強(qiáng)機(jī)理

李冬晨

引言

水泥混凝土材料作為土木工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的一種建材，其本身存在一些缺陷，如抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差、等，由此經(jīng)常導(dǎo)致建筑物混凝土發(fā)生開裂和破壞，使得鋼筋暴露在空氣中，發(fā)生腐蝕而失效，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突然破壞，造成不可預(yù)計(jì)的財(cái)產(chǎn)和生命損失。最初的解決辦法是鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土，而后學(xué)者通過對(duì)纖維混凝土的研究，提出了纖維增強(qiáng)混凝土。纖維增強(qiáng)混凝土或簡(jiǎn)稱纖維混凝土，是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬材料、無機(jī)纖維或有機(jī)纖維為增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)合材料。由于纖維的加入，提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，抑制了混凝土的早期開裂，是一種提高混凝土韌性的有效途徑。

1 纖維混凝土的研究現(xiàn)狀

國(guó)外有關(guān)于纖維混凝土的研究開始于20世紀(jì)初。1910年，Porter發(fā)表了關(guān)于短纖維增強(qiáng)混凝土的研究報(bào)告，這是第一次有關(guān)于纖維混凝土的研究記錄。1911年，Graham將鋼纖維加入混凝土，制備了性能良好的產(chǎn)品。之后當(dāng)時(shí)世界上一些強(qiáng)國(guó)，如美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)都對(duì)纖維混凝土進(jìn)行了一些研究，并申請(qǐng)了專利，但并沒有應(yīng)用在工程實(shí)際中。直到1963年，Romualdi、Batson提出了針對(duì)鋼纖維增強(qiáng)作用和機(jī)理的纖維增強(qiáng)理論，從而開始這種新型材料實(shí)踐應(yīng)用方面的開發(fā)研究。我國(guó)20世紀(jì)70年代開始了纖維混凝土的研究，近年來不斷有學(xué)者豐富完善研究?jī)?nèi)容。韓嶸[1]等主要針對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行了研究，并指出了鋼纖維體積率、鋼纖維長(zhǎng)徑比、鋼纖維類型對(duì)鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度及軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響規(guī)律。

近幾十年來，纖維混凝土在工程實(shí)際中得到快速發(fā)展，理論研究也趨于成熟。大量的研究試驗(yàn)表明，摻入單一種類的纖維可以在一定程度上提高混凝土的韌性，但是每種纖維的性質(zhì)不同，混凝土本身是水泥基復(fù)合材料，單種纖維混凝土對(duì)其韌性的改善是有限的?；谶@種情況，有學(xué)者開始研究摻加多種纖維的混雜纖維混凝土。20世紀(jì)70年代中期，國(guó)外率先開始了混雜纖維混凝土的研究。Walton和Majumdar摻加兩種性質(zhì)不同的纖維制備了纖維混凝土，試驗(yàn)表明混凝土的抗拉性能和抗沖擊性能均有提高。我國(guó)學(xué)者徐禮華[2]等通過對(duì)鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的一系列試驗(yàn)表明，混雜纖維混凝土軸心受拉性能有顯著提升，同時(shí)提出黏結(jié)應(yīng)力-滑移全曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)之后研究鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土以及纖維混凝土的工程應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

2 纖維混凝土的分類

加入混凝土中的纖維種類豐富，常用的有鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等。纖維混凝土的分類方法有多種，按照摻雜纖維是否是單一種類分為：?jiǎn)坞s纖維混凝土和混雜纖維混凝土；按照纖維彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量分為：高彈性模量纖維混凝土和低彈性模量纖維混凝土；按照纖維在混凝土中的分布方式可分為：非連續(xù)纖維混凝土和連續(xù)纖維混凝土。

3 纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

目前纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理主要有復(fù)合力學(xué)理論和纖維間距理論兩種解釋理論。

3.1 復(fù)合力學(xué)理論

復(fù)合力學(xué)理論建立在復(fù)合材料基礎(chǔ)上的一種理論。纖維混凝土本身就是一種由各種分散相和基相組成的復(fù)合材料，其力學(xué)性能受到分散相、基相及其結(jié)合面的影響。當(dāng)混凝土的應(yīng)變達(dá)到混凝土基體的開裂應(yīng)變時(shí)，混凝土開始出現(xiàn)微裂縫，當(dāng)裂縫發(fā)展到纖維附近時(shí)，由于纖維的阻裂、增強(qiáng)作用，纖維混凝土并未立即破壞，隨著裂縫的繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力繼續(xù)增大，直至裂縫寬度增大到一定程度，纖維逐漸拔出或者纖維被拉斷，纖維混凝土發(fā)生裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展而破壞。

3.2 纖維間距理論

纖維間距理論又稱纖維阻裂機(jī)理，是Romualdi和Batson于1963年針對(duì)亂向短纖維增強(qiáng)混凝土提出的。纖維間距理論建立于線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)之上，它認(rèn)為混凝土的破壞是由于其內(nèi)部存在微裂紋、微孔洞等缺陷，而混凝土在受到外力作用時(shí)，這些缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力大于允許值而破壞。纖維的增強(qiáng)效果與纖維間距有關(guān)。當(dāng)纖維均勻分布在混凝土基體中時(shí)，混凝土中的微裂紋被包圍在纖維間距之間，在拉應(yīng)力作用下，微裂紋尖端會(huì)形成裂紋尖端擴(kuò)展應(yīng)力場(chǎng)，促進(jìn)裂紋發(fā)展。而在靠近裂紋的纖維界面將產(chǎn)生與裂紋尖端擴(kuò)展應(yīng)力反向的應(yīng)力場(chǎng)，降低裂紋尖端的應(yīng)力集中程度，限制裂紋的發(fā)展，從而對(duì)混凝土起到增強(qiáng)效果。

4 總結(jié)展望

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，社會(huì)生活對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的要求日益增高，建筑技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并建造了諸多舉世矚目的大工程。就研究現(xiàn)狀來看，我們對(duì)纖維混凝土的增強(qiáng)和增韌機(jī)理的基礎(chǔ)理論已經(jīng)取得較為成熟的成果，但是但對(duì)纖維阻裂機(jī)理研究、纖維阻裂效果的評(píng)價(jià)方法、纖維阻裂效果的認(rèn)識(shí)還存在不足之處。另外，我國(guó)就纖維混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用方面相比于發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。并且目前我國(guó)的研究多是針對(duì)于單雜纖維混凝土展開的，而對(duì)于性能更加優(yōu)良的混雜纖維混凝土研究較少。就未來發(fā)展趨勢(shì)而言，混雜纖維混凝土憑借自身的性能優(yōu)勢(shì)會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景，而針對(duì)于混雜纖維混凝土的混雜方式、混雜種類、混雜比例以及如何在實(shí)際中應(yīng)用的研究必將成為熱點(diǎn)。

[1]韓嶸，趙順波，曲福來.鋼纖維混凝土抗拉性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006，39（11）：63～67.

[3]徐禮華，梅國(guó)棟，黃樂，等.鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47（7）：35～45.