淺談纖維混凝土的阻裂機(jī)理

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

在建筑領(lǐng)域，混凝土結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用，但是混凝土的種種缺陷也逐漸凸顯出來(lái)，主要是極限抗拉強(qiáng)度較低、變形能力弱、耐高溫能力弱、易開(kāi)裂等?；炷帘旧砭褪且环N復(fù)合型建筑材料，纖維混凝土只是在其復(fù)合材料中加入了一種組份。柔性纖維自身有著很好的抗拉強(qiáng)度、伸縮率極限伸長(zhǎng)量。纖維混凝土是近些年發(fā)展速度較快的新型復(fù)合材料，在混凝土中加入纖維材料，本質(zhì)上，既保留了混凝土自身的優(yōu)點(diǎn)，這種混凝土的性能得到很好的改善和提升，特別是對(duì)混凝土抗裂性能、抗?jié)B性、整體性有大大的改善。

與普通混凝土相比，柔性纖維混凝土是將纖維和混凝土兩種不同的材料混合在一起，這些纖維材料可以是天然纖維、石棉、玻璃纖維、聚丙烯纖維、聚芳酰胺纖維等。

普通混凝土在澆筑完成后，水泥的水化熱作用比較明顯，混凝土內(nèi)部溫度變化較大，早齡期混凝土的收縮將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨料和水泥漿之間的微裂縫，同時(shí)導(dǎo)致箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的分布過(guò)于復(fù)雜。當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)混凝土將會(huì)產(chǎn)生宏觀裂縫，在已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫的地方，由于應(yīng)力集中的作用，裂縫將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕最終引起箱梁結(jié)構(gòu)的破壞，影響其正常使用。

二、纖維混凝土研究發(fā)展

聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber)是一種目前應(yīng)用最為廣泛的合成纖維，它是石油工業(yè)的一種副產(chǎn)品，成本較為低廉，但是其性能效果卻非常出色。目前，國(guó)內(nèi)外的研究及在工程上的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在普通混凝土基體中加入適量的聚丙烯纖維后，其纖維混凝土的物理力學(xué)性得到了明顯的改善效果，其中主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：①不但可以減少早齡期混凝土中裂縫的產(chǎn)生，而且可以延緩、制止裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展；②能夠小幅度的提高混凝土的三個(gè)強(qiáng)度——抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度；③能夠小幅度的提高混凝土的抗爆裂性、抗高溫性、抗凍性、防滲性、抗沖擊性等其它性能。④不但能夠較為明顯的增強(qiáng)混凝土的變形能力，還能改善其混凝土的耐磨性、耐久性；綜上所述主要可以概括為三種作用：阻裂、增強(qiáng)和提高韌性纖維對(duì)混凝土基體的阻裂作用，指纖維對(duì)混凝土澆筑完成后早齡期溫度裂縫和收縮裂縫以及硬化后的溫度裂縫和收縮裂縫、受到外部可變荷載時(shí)產(chǎn)生的裂縫及新裂縫形成后繼續(xù)擴(kuò)展產(chǎn)生的阻礙作用。

纖維對(duì)混凝土基體的增強(qiáng)作用，混凝土是一種抗壓復(fù)合型材料，有著很好的抗壓能力，但是抗拉能力只有其抗壓能力的十分之一左右，主要表現(xiàn)在當(dāng)混凝土收到拉應(yīng)力作用時(shí)控制主拉應(yīng)力的增強(qiáng)作用，言外之意就是提高混凝土抗拉強(qiáng)度。在提高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等也相應(yīng)是有所提高。

三、復(fù)合材料力學(xué)理論

復(fù)合材料力學(xué)混合定律是研究復(fù)合材料各個(gè)組成成分性能之間關(guān)系與復(fù)合材料各項(xiàng)性能的理論。纖維混凝土是由纖維和混凝土組成的一種復(fù)雜的復(fù)合材料，根據(jù)、復(fù)合材料力學(xué)混合定律把纖維混凝土簡(jiǎn)化成為多相體系：一種是基相，也可以稱之為連續(xù)相，即水泥、沙、碎石、添加劑等基體材料；另一種是分散相，即除基相以外的均勻分布在基體連續(xù)相材料中的纖維材料。

加入的分散相材料通常的性能大于復(fù)合材料的基體相材料，所以分散相通常稱之為增強(qiáng)相。復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量等物理力學(xué)性能遵循復(fù)合體內(nèi)各組分性能的彈性疊加原理。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量由各相材料的特性、增強(qiáng)纖維的取向、體積分?jǐn)?shù)決定。

四、纖維混凝土阻裂機(jī)理

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，不可能不產(chǎn)生裂縫，所以對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)常常是帶著裂縫工作的。因此可以采用斷裂力學(xué)中的裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)觀點(diǎn)進(jìn)行纖維混凝土的阻裂機(jī)理分析。

從斷裂力學(xué)的角度出發(fā)，裂縫的擴(kuò)展可由于外部荷載的存在而加速，也可以由于混凝土內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)阻力而停滯。這樣，裂紋擴(kuò)展即可以通過(guò)降低外部荷載作用力又可以通過(guò)增加裂縫處的韌性來(lái)阻止。因此需要研究分析裂縫尖端處的應(yīng)力場(chǎng)，確定促使裂縫擴(kuò)展的作用力。

正常情況下，纖維和混凝土基體是完全接觸的，但是出現(xiàn)裂縫后，如果裂縫剛好位于纖維之間同時(shí)不跨越纖維，這時(shí)候纖維的鉚固作用可以阻止裂縫的擴(kuò)展。一旦裂縫尖端擴(kuò)展到并無(wú)限接近于纖維時(shí)，裂縫尖端周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象將使裂縫尖端相鄰域內(nèi)的纖維與混凝土基體沿接觸面部分脫離，從而裂縫穿過(guò)纖維。顯然，在纖維未被拔斷或拔出之前這種脫離面范圍不大。在裂紋剛好穿過(guò)(或繞過(guò))纖維的瞬間，混凝土基體的突然斷開(kāi)必然導(dǎo)致纖維在與混凝土界面分離的部分產(chǎn)生應(yīng)變的突變，從而使這部分纖維承受很大的拉力。

假設(shè)一段均勻受拉的材料，如果其截面上有一條規(guī)則的橫向裂縫，這時(shí)截面上均勻分布的主拉應(yīng)力就會(huì)隨著這條裂縫的存在而發(fā)生應(yīng)力重分布。假設(shè)裂縫邊緣處的纖維沒(méi)有被拉斷，由裂縫處的混凝土復(fù)合材料將荷載分配到了裂縫邊緣的纖維，裂縫尖端便產(chǎn)生了應(yīng)力集中。

在混凝土基體中加入纖維，就可以有效的減緩、甚至是消除裂縫尖端部位的應(yīng)力集中。，混凝土材料在兩端同時(shí)受到均勻拉力時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)。如果用纖維將裂縫處連接上，裂縫的邊緣就不再是自由表面了。在受到拉力時(shí)，跨越裂縫纖維就可以將荷載傳遞給裂縫的上下兩個(gè)表面，這樣裂縫處仍能繼續(xù)承載。從而裂縫處的荷載就有所減小，裂縫尖端處集中應(yīng)力也就得到了相應(yīng)的緩和。當(dāng)裂縫的纖維得到加密時(shí)，與原來(lái)混凝土內(nèi)部結(jié)合力相同時(shí)，就可以完全消除裂縫尖端的集中應(yīng)力，應(yīng)力分布狀態(tài)與沒(méi)有裂縫時(shí)的應(yīng)力分布狀態(tài)一樣。