混雜纖維混凝土受力性能研究綜述

劉灃霄（河北省工程咨詢研究院 河北 石家莊 050051）

0 引言

單獨(dú)纖維的摻入雖會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能有一定促進(jìn)作用，但單獨(dú)纖維摻入有時(shí)在工廠上應(yīng)用使得造價(jià)過高，且有的纖維并不具備很好的力學(xué)性能，過多的摻入量還會(huì)產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)，這類的缺陷極大地阻礙組合纖維應(yīng)用在大型土木工程上。但是可以綜合考慮各種纖維的優(yōu)點(diǎn)，并將各類纖維組合起來加入混凝土中，可以讓其發(fā)揮各自的作用，在不同層面加大混凝土的力學(xué)性能，以滿足大型土木工程的需要。

兩種或兩種以上纖維，加入混凝土內(nèi)部組合形成的復(fù)合混凝土材料，可以稱之為混雜纖維混凝土，即Hybrid Fiber Reinforced Concrete，可以簡(jiǎn)稱為HFRC?；祀s纖維混凝土有不同的混雜方式，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為可以通過混雜方式的不同將混雜纖維混凝土分為4種情況，分別為主要纖維與輔助纖維混雜、同種類別纖維卻不同尺度的混雜、不同類別纖維同種尺度的混雜和不同類別不同纖維尺度的混雜這四種混雜類型。將各類型性能不同的纖維混合加入混凝土內(nèi)部，可以使得各類型纖維發(fā)揮各自的性能來彌補(bǔ)混凝土材料的不足，且起到各方面的互補(bǔ)效應(yīng)與協(xié)同效應(yīng)。

1 纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理

目前，學(xué)術(shù)界內(nèi)部研究人員認(rèn)為復(fù)合材料力學(xué)理論與纖維間距理論是關(guān)于纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理作用機(jī)理最合理詮釋的兩種理論，且這兩種不同理論分別從各自方面對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土的作用機(jī)理進(jìn)行了合理解釋，同時(shí)得到了統(tǒng)一的結(jié)論。文獻(xiàn)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)理論展開了合理的解釋。這一理論先認(rèn)定纖維和基體兩者之間的粘結(jié)力非常大，使得混凝土發(fā)生變形時(shí)無法產(chǎn)生相對(duì)滑移這一特殊情況；同時(shí)把混凝土所受外力進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，即規(guī)定混凝土所受外力的方向只能分布在沿纖維長度的方向，無法隨剩余方向力的改變而改變；并且把纖維混凝土認(rèn)定為理想彈性體，這樣一來纖維和混凝土兩者應(yīng)該擁有同等的縱向與橫向變形。最后考慮受纖維取向、纖維尺度和纖維與基體之間粘結(jié)力影響的纖維亂向分布系數(shù)，同時(shí)這3個(gè)影響因素必須考慮臨界值的取值，分情況選擇合理的值進(jìn)行計(jì)算。

文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為纖維間距理論又可以稱為纖維阻裂理論，并且此理論由眾多學(xué)者通過利用斷裂力學(xué)進(jìn)行演變而得出的理論。依據(jù)斷裂力學(xué)理論，可以將混凝土破壞的原因認(rèn)定為混凝土內(nèi)部的裂紋尖端應(yīng)力過于集中而形成的破壞，由此得來，可以利用減少裂紋尖端應(yīng)力值這一方法來計(jì)算出混凝土纖維內(nèi)部的最優(yōu)間距。且又因?yàn)榇死碚摬]有其它理論那樣過多的假定條件，使得此理論可以更加與纖維混凝土現(xiàn)實(shí)受力情況進(jìn)行照應(yīng)。在認(rèn)同混凝土內(nèi)部纖維亂向分布的條件下，可以推導(dǎo)出纖維內(nèi)部最優(yōu)間距只有兩個(gè)影響因素，分別為纖維的直徑大小與體積參量。但此理論也有一個(gè)的缺陷，那就是人為地去掉了其余兩個(gè)因素（纖維的長度和彈性模量）對(duì)混凝土力學(xué)性能的作用。

3 混雜纖維混凝土力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能會(huì)在加入混雜纖維后產(chǎn)生一定程度的改變，同時(shí)也會(huì)因纖維混雜方式的不同而產(chǎn)生不同的影響。

文獻(xiàn)[6]在早期實(shí)現(xiàn)了有機(jī)與無極纖維混合加入混凝土形成混雜纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。研究人員依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到結(jié)論：有機(jī)與無機(jī)纖維混合加入混凝土，可以使得2種纖維在混凝土內(nèi)部發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，一定程度地增加了混凝土整體各類性能，尤其是抗拉和抗沖擊性能得到較大增幅。

文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)與理論分析研究了纖維尺寸對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較短纖維可以更好地提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，而較長纖維可以更好地提高混凝土的韌性強(qiáng)度等級(jí)。而且短纖維與長纖維兩者之間互相影響，特別是隨著較短纖維提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，較長纖維提高混凝土的韌性強(qiáng)度等級(jí)的能力也隨之增強(qiáng)。這一情況的發(fā)生是因?yàn)槎汤w維加強(qiáng)了長纖維和混凝土基體二者之間的粘結(jié)力。

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)制造了34組鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土（SP-HFRC）試件，且對(duì)其進(jìn)行軸心抗拉試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：試件軸心抗拉的開裂強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度相比素混凝土全有明顯地提高，其中影響強(qiáng)度增加的因素有纖維類別、纖維長徑比與纖維所占體積率，這3個(gè)影響因素對(duì)強(qiáng)度的增幅程度各不相同；鋼纖維的摻量增大，可以較好增加SPHFRC軸心抗拉的開裂強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度，而聚丙烯的加入，可以很好地增加試件的軸心抗拉開裂強(qiáng)度，鋼纖維體積率1.9%與聚丙烯體積率0.19%為SP-HFRC的最好纖維配比，對(duì)比素混凝土可以使得開裂強(qiáng)度增幅34%，峰值強(qiáng)度增幅53%。

文獻(xiàn)[9]通過對(duì)聚丙烯與鋼纖維混雜增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土（P-SFHSC）進(jìn)行彎曲試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：試件內(nèi)部的聚丙烯纖維和鋼纖維會(huì)在制作時(shí)相互纏繞，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)使得試件承受彎曲拉伸時(shí)發(fā)生“纖維連鎖”效應(yīng)，可以更好地使試件抗彎強(qiáng)度得到增幅；2種纖維在試件耗能上各有優(yōu)勢(shì)，且鋼纖維和聚丙烯纖維在延緩裂縫擴(kuò)展時(shí)可以先后起到主要作用，顯著地增加了混凝土基體的韌性。

文獻(xiàn)[10]嘗試進(jìn)行改變混雜纖維的摻入量來研究混凝土基體力學(xué)性能變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：混雜纖維雖然能在一定程度上增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但增幅程度不大，且纖維摻入量較少時(shí)（鋼纖維為1%，聚丙烯纖維為0.1%）可以提高混凝土基體的抗壓強(qiáng)度，但纖維摻入量過多時(shí)（鋼纖維＞1.5%，聚丙烯纖維＞0.3%）卻使得混凝土基體的抗壓強(qiáng)度減少，更可以小于素混凝土的強(qiáng)度。

文獻(xiàn)[11]通過改變摻入纖維的尺寸，來進(jìn)行混雜混凝土受力性能的試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：聚丙烯單獨(dú)摻入時(shí)，當(dāng)長度為6mm、12mm和19mm聚丙烯的摻量為1.8kg/m3可以較為明顯地提高混凝土綜合力學(xué)性能，且19mm長度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能增幅最好；纖維混雜摻入時(shí)，40kg/m3鋼纖維和長度為19mm的1.8kg/m3聚丙烯纖維，混凝土的強(qiáng)度和抗裂能力為最好；纖維混雜摻入混凝土?xí)r，由于纖維尺度和不同類別纖維摻入量的不同，會(huì)在試件內(nèi)產(chǎn)生正與負(fù)混雜效應(yīng)。

文獻(xiàn)[12]則進(jìn)行了碳-聚丙烯混雜纖維混凝土的試驗(yàn)研究，并且還對(duì)碳-聚丙烯混雜纖維加入混凝土?xí)r產(chǎn)生的混雜效應(yīng)進(jìn)行了理論分析。研究發(fā)現(xiàn)保持聚丙烯纖維的摻入量穩(wěn)定，碳纖維在體積率為0.3%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大，可以提高31.7%，而試件的劈裂強(qiáng)度卻由碳纖維摻入的增多而增加，可以比素混凝土增大44%；試驗(yàn)中正混雜效應(yīng)的產(chǎn)生是因?yàn)樘祭w維和聚丙烯纖維兩者的尺度與彈性模量不一樣，能在基體內(nèi)各類不一樣的結(jié)構(gòu)和性能層次上完全起到各自在尺寸與性能效應(yīng)上的重要作用。

文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了4種纖維組成的混雜纖維摻入混凝土后，其混凝土力學(xué)性能受纖維長徑比影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：混凝土基體的抗壓強(qiáng)度不受混雜纖維長徑比的影響；抗堿玻璃纖維和碳纖維其本身的特征尺寸沒有明顯影響試件的抗彎強(qiáng)度，且四種纖維的合理長徑比為：碳纖維為500～700，抗堿玻璃纖維為450～650，聚丙烯纖維不大于1000和聚乙烯纖維小于1100；碳纖維與聚丙烯纖維互相混雜時(shí)，最好摻入量分別為.5%與0.15%，抗堿玻璃纖維與聚乙烯纖維相互混雜時(shí)，最佳摻入量為1.5%。

文獻(xiàn)[14]對(duì)鋼纖維和粗合成纖維組成的混雜纖維混凝土的動(dòng)力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：試件開裂時(shí)所受的沖擊次數(shù)高于唯一粗合合成纖維混凝土，卻低于唯一鋼纖維混凝土，但是試件破壞時(shí)所受的沖擊次數(shù)明顯大于單一纖維，且由于混雜纖維摻入量的增多而增加；粗纖維混雜的最優(yōu)摻入量為總體積率的1.2%；混雜纖維相對(duì)于單一纖維大大提高了混凝土基體的沖擊韌性。

文獻(xiàn)[15]對(duì)高性能纖維素、鋼、纖維素及鋼纖維組成的混雜纖維混凝土的疲勞破壞進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混凝土摻入U(xiǎn)F纖維素纖維時(shí)，其原本的彎曲疲勞強(qiáng)度可以提高6.8%，而摻入聚丙烯纖維只提高1%～5%；當(dāng)混凝土中鋼纖維和纖維素纖維的摻入量分別為64kg/m3和1.3kg/m3時(shí)，其疲勞強(qiáng)度比單獨(dú)摻入鋼纖維增加15.4%；粉煤灰混凝土摻入纖維素纖維時(shí)，其本身的疲勞壽命提高11%。

文獻(xiàn)[16]對(duì)聚丙烯纖維與耐堿玻璃纖維混雜摻入與單獨(dú)摻入對(duì)混凝土力學(xué)性能的造成的改變進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究得出結(jié)論：以上兩種纖維的摻入都不會(huì)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，卻對(duì)抗拉強(qiáng)度的增幅較明顯；混凝土的抗?jié)B性能與抗沖擊性能都可以通過摻入纖維來改善，但為了避免負(fù)混雜效應(yīng)，兩種纖維的最優(yōu)摻入量為耐堿玻璃纖維0.8kg/m3與聚丙烯纖維0.4kg/m3。

文獻(xiàn)[17]為了降低纖維成本，對(duì)竹纖維與鋼纖維混雜摻入混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：竹纖維和鋼纖維混雜摻入混凝土，會(huì)極大地增加混凝土抗開裂性能，避免承受較大荷載忽然斷裂情況，且混雜纖維的摻入可以使得混凝土抗沖擊能力提高至550%。

文獻(xiàn)[18]通過試驗(yàn)研究分析了層布式鋼纖維和聚丙烯纖維混雜會(huì)對(duì)混凝土耐久能力的影響程度。研究人員得出結(jié)論，試件的抗?jié)B能力為層布式混雜纖維混凝土＞素混凝土＞層布式鋼纖維混凝土；并且層布式混雜纖維與層布式鋼纖維混凝土相對(duì)比，其力學(xué)性能增加程度不多，但關(guān)于耐久性的正混雜效應(yīng)增幅程度較為明顯。

文獻(xiàn)[19]對(duì)不同尺寸和彈性模量的四種纖維（碳纖維、兩類鋼纖維與聚丙烯纖維）混雜纖維混凝土進(jìn)行了抗沖擊性能試驗(yàn)研究。研究人員依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：一定數(shù)量的混雜纖維加入混凝土，對(duì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度等級(jí)有較大程度的增高，但內(nèi)部碳纖維的摻入對(duì)混雜纖維混凝土的抗沖擊能力提升最為明顯；采用阻裂機(jī)理對(duì)混雜纖維混凝土進(jìn)行分析，混雜纖維的不相同現(xiàn)狀和尺寸的多層次及混凝土符合材料多相、多層次的結(jié)構(gòu)互相照應(yīng)，能印制所有層面的裂縫，發(fā)揮正混雜效應(yīng)的作用。

4 結(jié)語

如今，混雜纖維混凝土的研究依舊是新興混凝土研究的一個(gè)領(lǐng)域。盡管該學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)混雜纖維的各類力學(xué)性能有了一定的共識(shí)，但在更多的方面研究人員仍在探討，并且仍舊沒有出現(xiàn)混雜纖維混凝土應(yīng)用的具體規(guī)范。況且我國政府對(duì)建筑抗震要求的進(jìn)一步提高，混雜纖維混凝土還具有很廣大的前景。后續(xù)的研究應(yīng)該著重混雜混凝土的有限元模擬與本構(gòu)關(guān)系、理論研究與工程上的實(shí)際應(yīng)用。