纖維增強混凝土增強增韌機理分析及對比實驗研究

施國棟

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康監(jiān)測與災害預防技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，安徽 合肥 230601)

纖維混凝土由于具有增強增韌力學性能，并能較好地解決工程中構件在凍融、腐蝕、鹽侵等極端環(huán)境下引起的耐久性問題，一直以來是復合材料領域研究的熱點問題之一[1]。連續(xù)玄武巖纖維(Continuous Basalt Fiber，簡稱BF)是在 1 450～1 500 ℃條件下，將玄武巖礦石熔融，經(jīng)鉑銠合金拉絲漏板拉制，進而形成的一種連續(xù)性纖維。隨著復合材料的發(fā)展，玄武巖纖維在全球范圍內(nèi)基本形成了俄羅斯、烏克蘭和中國三足鼎立的新格局[2]。進入21世紀后，中國開始涉足玄武巖纖維生產(chǎn)及應用研究。由于具有抗拉強度高、耐酸堿和耐高溫等優(yōu)點，并與混凝土之間具有較好的相容性，玄武巖纖維常被用于改造和增強混凝土結構的力學性能。與鋼纖維相比，玄武巖纖維更具有耐久性和耐腐蝕性特點，近年來，將玄武巖纖維代替鋼纖維作為混凝土結構增強材料越來越受到研究人員重視[3-6]。由于不同類型的纖維，其力學性能存在一定的差異，因此，纖維材料不同增強的效果也存在較大區(qū)別，目前研究比較多的主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等。不同纖維彈性模量、抗拉強度以及密度之間的對比如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維盡管密度小于鋼纖維，但其抗拉強度遠遠大于鋼纖維，僅僅次于碳纖維。

圖1 不同纖維材料的基本材料屬性

近年來，關于纖維混凝土復合材料力學性能及增強增韌機理的研究，研究人員圍繞纖維摻量、纖維尺寸和試驗方法開展了大量的工作。潘慧敏[7]研究了玄武巖纖維含量對混凝土力學性能的影響，并給出玄武巖纖維的最佳含量為2～5 kg/m3,研究結果表明玄武巖纖維混凝土抗壓強度提高了20%，抗沖擊性能提高了50%～180%；李文蕾[8]等研究了兩種規(guī)格的玄武巖纖維體積摻量對機場道面混凝土抗折、抗壓強度性能的影響規(guī)律，給出機場混凝土道面施工最佳玄武巖纖維體積摻量為0.1%；劉永勝[9]等對超細短切玄武巖纖維混凝土開展了不同加載速率下的壓縮試驗，結果表明試件的極限荷載和極限變形隨著加載速率的提高而增大，體現(xiàn)了玄武巖纖維混凝土低應變率下的應變率效應；彭苗[10]等對短切浸膠玄武巖纖維混凝土進行了抗壓、劈裂和抗折強度試驗，試驗結果表明不同纖維摻量對BFRC力學性能存在一定的差異，纖維摻量為4 kg/m3時抗壓強度提高率為46.3%，摻量為4 kg/m3時劈裂和抗折強度提高率分別為27.3%和25%；陳欣[11]等對混凝土基體與纖維間的界面力學傳遞進行了理論分析，分析了玄武巖纖維阻裂和增強增韌機理；占文[12]等研究了聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維對混凝土抗?jié)B和抗裂性能的影響，結果表明纖維含量為0.9 kg/m3時，能提高混凝土的開裂性能；王海良[13]等研究了5種不同短切玄武巖纖維摻量對C50混凝土抗壓、抗折和抗拉強度的影響，研究結果表明玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時對混凝土強度的提高效果最顯著；吳江[14]等對不同玄武巖纖維長度和摻量混凝土力學性能開展了試驗研究，結果表明玄武巖纖維長度對強度影響較小，玄武巖長度為18 mm和體積摻量為0.1%時，BFRC的抗折和抗裂能力增加最為明顯；王均[15]等對不同纖維長度、體積摻量和混凝土強度等級組合而成的玄武巖纖維混凝土開展了抗壓、劈裂抗拉和彎曲抗拉強度試驗，試驗結果表明纖維長度、體積摻量和混凝土強度等級對立方體試件的抗壓強度影響較小，并給出了不同纖維長度和摻量對混凝土抗壓和抗拉強度的影響系數(shù)；趙兵兵[16]等研究了玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜混凝土的抗凍性，研究結果表明混雜纖維對混凝土抗凍性能的改善優(yōu)于單摻量纖維；趙冬雪[17]等研究了聚丙烯纖維、鋼纖維和玄武巖纖維在不同摻入量與長度時，自密實混凝土流動性、間隙通過性、抗壓強度及劈裂強度的變化情況，并給出了相應的試驗結果；李克江[18]等研究了鋼纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維及纖維摻量對三元混雜混凝土軸心抗壓強度、軸壓韌性及軸壓破壞形態(tài)的影響，研究結果表明，鋼纖維體積含量為2%，聚丙烯纖維體積摻量為0.1%，玄武巖纖維體積摻量為0.2%時，混雜纖維混凝土試件在破壞時的軸壓韌性較好；趙燕茹[19]等采用數(shù)字圖像相關方法實時觀測三點彎試驗中切口混凝土梁全場變形，分析了混凝土梁斷裂破壞過程中水平位移和應變的變化規(guī)律，建立了起裂韌度和失穩(wěn)韌度隨玄武巖纖維摻量和凍融次數(shù)的擬合模型；高真[20]等采用現(xiàn)場試驗、電鏡掃描及數(shù)值模擬相結合的研究手段，對玄武巖纖維對混凝土抗壓強度的影響機制開展研究，研究結果表明玄武巖纖維的摻入能夠改善混凝土的抗壓性能，纖維長度為6mm時的效果最佳；張培輝[21]等通過試驗對比了不同纖維體積摻量下玄武巖纖維增強混凝土的力學性能和破壞形態(tài)，并對比了5種不同纖維摻加方案，結果表明體積摻量為0.05%～0.2%時可以提高混凝土的劈裂強度，改善破壞后試樣的完整性；范煒[22]等采用有限元軟件建立了細觀層面上玄武巖纖維隨機分布力學模型，數(shù)值模擬結果表明，玄武巖纖維體現(xiàn)了明顯的阻裂效果，隨著纖維摻量的增大，纖維對混凝土應力集中的分散效應逐漸增強；程新[23]等研究了玄武巖纖維體積摻量與長徑比對泡沫混凝土收縮開裂的影響和體積摻量對泡沫混凝土的減縮抗裂機理，結果表明在相同玄武巖纖維體積摻量條件下，長徑比大的玄武巖纖維改善收縮和阻裂的效果更明顯；焦華喆[24]等采用DBV和JSCE標準對BFRS韌性進行評價，實驗結果表明最優(yōu)玄武巖纖維含量為4.5 kg/m3；孫一民[25]等對不同纖維體積摻量下的抗壓強度變化規(guī)律進行研究，結果表明隨著纖維摻量的增加，BFRC的抗壓和抗劈拉強度呈現(xiàn)先增加、后變緩和再下降的變化趨勢。

綜上所述，對纖維增強混凝土的研究一直活躍在土木工程領域，說明玄武巖纖維混凝土在該領域中具有廣闊的應用范圍。隨著研究的深入，研究人員對玄武巖纖維增強混凝土的研究方法也不斷改進，從一開始的試驗分析，逐漸發(fā)展到機理探索和數(shù)值仿真。但是，目前對于混雜類纖維增強混凝土方面的研究仍然較少?；祀s纖維由于綜合吸收了不同纖維的優(yōu)勢，在增強增韌混凝土上更具應用價值。研究從理論上分析了纖維增強增韌機理，并在微觀上分析了不同工藝對纖維增強混凝土力學性能的影響因素，然后對兩種不同制備工藝玄武巖纖維增強混凝土開展準靜態(tài)力學性能試驗，并與常規(guī)鋼纖維混凝土力學性能進行綜合對比。試驗結果表明BFRC增強增韌效果在一定條件下優(yōu)于常規(guī)鋼纖維混凝土，研究結果對進一步拓寬BFRC應用領域具有一定的參考價值和重要的應用價值。

1 纖維增強增韌理論分析

混凝土是典型的脆性材料，其抗壓強度遠大于抗拉強度，但在實際應用中，難免存在一定的拉應力作用。已有研究表明將纖維材料摻入到混凝土中，可以阻止混凝土內(nèi)部微小裂紋擴展和抑制損傷的積累。關于纖維增強增韌理論的分析，具有代表性的有基于復合材料力學的混合定律、基于斷裂力學的纖維間距理論和基于界面應力傳遞的剪滯理論。

1.1 纖維混合定律

混合定律將纖維增強復合材料的各項性能等效于基體性能和纖維性能的加權和，并且假定纖維均勻平行分布、纖維與混凝土基體均為各項同性、纖維與基體間不存在相對滑動，混合定律簡化模型如圖2所示。

由圖2所取簡化計算模型，則有：

Pc=Pf+Pm,

(1)

式中,Pc、Pf和Pm分別為作用在復合材料、纖維和基體上的荷載。

將其轉化為應力表示，則有：

σc=σfVf+σmVm,

(2)

式中,Vf和Vm分別為纖維體積比和基體體積比。

由于該模型假定材料處于線彈性范圍，所以有：

Ec=EfVf+EmVm。

(3)

纖維在混凝土中的分布實際上是不連續(xù)的亂向分布，因此，在實際應用過程中，需要綜合考慮纖維的取向、長度以及與基體界面的粘結等因素對纖維增強復合材料強度的影響。

1.2 纖維間距理論

纖維間距理論認為纖維復合材料的增強效果與纖維間距有關，并認為材料破壞機理是其內(nèi)部微裂紋和微孔洞等初始缺陷在外荷載作用下產(chǎn)生的應力集中所導致。纖維間距理論纖維約束模型如圖3所示。根據(jù)該模型得到纖維材料強度的半經(jīng)驗抗拉強度公式如下：

(4)

式中,σct為纖維復合材料的抗拉強度；k為與纖維粘結性能有關的參數(shù)；s為纖維平均間距；sc為纖維產(chǎn)生增強的最大間距；σmt為基體的抗拉強度。

圖2 纖維復合材料力學模型 圖3 纖維間距理論模型

纖維間距理論忽略了纖維自身的復合增強效應和纖維長度對增強效果的影響，因此，在實際應用中仍需結合試驗數(shù)據(jù)給出定量分析結果。

1.3 剪滯理論

剪滯理論認為纖維與基體間存在界面層，當外荷載作用于纖維復合材料時，荷載先作用于基體，荷載通過纖維-基體界面進行應力傳遞，使得荷載由纖維和基體共同承載，進而起到增韌增強作用。

剪滯模型示意圖如圖4所示。圖4中rf表示纖維半徑；R表示基體半徑。由平衡方程則有：

(5)

式中，σf為纖維軸向應力；τi為界面上的剪應力。

在式(5)基礎上，根據(jù)胡克定律以及纖維與基體間的邊界連續(xù)條件，可以得到纖維的正應力與剪應力如下：

(6)

(7)

由剪滯理論得到的纖維拉應力與剪應力分布如圖5所示。剪滯理論認為纖維與基體之間不發(fā)生相對滑動，但在實際試驗中發(fā)現(xiàn)，纖維端部高剪應力區(qū)存在相對滑動現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)纖維被拔出現(xiàn)象。由此可以看出，關于纖維增強復合材料的強度問題，其理論模型仍處于定性分析階段。由于實際纖維增強材料的復雜性，定量描述其強度特征及其破壞規(guī)律，需要進一步的試驗結果作理論分析的支撐?；诖?，在已有理論分析的基礎上，設計了纖維增強混凝土壓縮試驗，通過試驗進一步探索其增強增韌機理。

圖4 剪滯模型 圖5 纖維剪應力與拉應力分布

2 實驗研究

2.1 纖維增強混凝土試件制備

研究所涉及的實驗材料有：水泥、中粗砂、花崗巖骨料、減水劑、玄武巖纖維和鋼纖維。兩種不同纖維材料力學性能指標如表1所示，綜合分析已有BFRC的研究成果，實驗中所采用的兩種纖維長度均約為18 mm，其中鋼纖維幾何形狀為端鉤形。纖維含量分別為0.4%、0.8%、1.5%、2.0%、2.5%和3%，制備方法分別采用一次摻加和分層摻加。

表1 兩種纖維材料力學性能

兩種纖維增強混凝土試件根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》( GB/T 50081-2002) 進行制備，初始混凝土配合比如表2所示。試件制備如圖6所示，在攪拌機中先加入砂子和骨料攪拌均勻，靜置180 s后，加入減水劑、水泥和玄武巖纖維。其中玄武巖纖維不同的制備工藝，采用不同的摻入方式，有一次摻加和分層摻加。

表2 初始混凝土中不同材料含量(單位：g/cm3)

圖6 試件制備過程示意圖

所需原材料均加入后進行攪拌，靜置180 s后將纖維混凝土砂漿注入標準模具。為進一步減少試件的孔隙率，將磨具放到振動臺上振動密實成型，并需靜置24 h后進行拆模，拆模后將試件放入恒溫養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。養(yǎng)護室的溫度為20±2 ℃，將試件放在試件放置架上，霧化加濕，相對濕度保持在95%以上，如圖7所示。

圖7 試件養(yǎng)護

圖8 準靜態(tài)壓縮實驗原理

2.2 準靜態(tài)壓縮實驗

準靜態(tài)壓縮實驗在DSN600試驗機上完成，試件放置在試驗機下方承壓盤上，試件的中心軸與試驗機的中心保持對中。采用位移控制方法勻速加載，為確保試件接近準靜態(tài)壓縮狀態(tài)，加載時其加載速度為0.001 mm/s，并以此作為參考值，與較大加載速率下的抗壓強度進行對比，試件加載原理如圖8所示。試驗中，壓頭向下以一定的加載速度運動對試件進行加載，并由負荷傳感器記錄荷載大小及其位移變化值。

3 實驗結果及分析

3.1 制備工藝對BFRC增強增韌性能分析

研究所采用的BFRC制備方法分別為一次摻加和分層摻加，不同制備工藝得到的BFRC試樣斷口微觀組織結構示意圖如圖9所示。從圖9中可以看出,一次摻加玄武巖纖維制備的BFRC試件，其內(nèi)部纖維容易產(chǎn)生聚集，在聚集區(qū)附近，存在一定的空隙與空洞現(xiàn)象，玄武巖纖維與混凝土之間的膠結較為松散；分層法摻加玄武巖纖維避免了纖維聚集現(xiàn)象，纖維分散較為均勻，纖維表面與混凝土之間膠結緊致，空隙與空洞少。根據(jù)纖維間距理論得到的半經(jīng)驗抗拉強度式(4)可知，纖維復合材料增韌增強性能主要取決于組成復合材料的結合程度及其間距分布均勻性，由此可以判斷，分層法得到的BFRC，其增韌增強作用效果更優(yōu)。

圖9 不同制備工藝BFRC試樣斷口SEM示意圖

通過準靜態(tài)壓縮實驗得到兩種不同制備工藝的試件破壞模式，分層摻加BFRC破壞形態(tài)如圖10所示,一次摻加BFRC破壞形態(tài)如圖11所示。試驗結果表明分層摻加混凝土強度增強效果明顯，一次摻加的強度增強效果較差。一次摻加工藝對垂直于添加面的抗壓強度提高較為明顯，由于漿液不能有效地粘結玄武巖纖維與混凝土的交界面，此種工藝的弱點是降低了交界面有效應力，但可以提高垂直于交界面的沖擊韌性。分層摻加工藝可以有效地把玄武巖纖維均勻地拌合到混凝土中，對提高整體的沖擊韌性效果明顯。

圖10 分層摻加BFRC破壞形態(tài) 圖11 一次摻加BFRC破壞形態(tài)

3.2 纖維增韌增強分析

通過準靜態(tài)加載實驗得到不同玄武巖纖維含量BFRC試件的抗壓強度，如圖12所示。試驗結果表明，玄武巖纖維含量低于0.4%時，對混凝土增韌效果不明顯；含量為0.8%時，對混凝土的韌性增強有了較大提高；當含量達到1.5%時，其抗壓強度出現(xiàn)降低現(xiàn)象，但韌性有了很大提高，只產(chǎn)生了部分破壞，BFRC整體性較好。實驗結果表明：由于玄武巖纖維的吸水性較強，導致混凝土中的含水量降低，對BFRC的和易性具有一定的影響，不利于混凝土強度的提高；玄武巖纖維含量在0.2%～1.5%區(qū)間內(nèi)，玄武巖纖維對BFRC抗壓強度的影響較小。

玄武巖纖維對砂漿強度的影響如圖13所示。由圖13可知，玄武巖纖維含量較高時得到的BFRC抗壓強度。實驗結果表明：當玄武巖纖維含量低于1%時，隨著玄武巖纖維含量的增加，BFRC的強度降低；當玄武巖纖維含量在1%～2%時，隨著玄武巖纖維含量的增加,BFRC的強度不斷得到提高；當含量超過2%后，隨玄武巖纖維的含量增加，BFRC的強度提高相對比較緩慢。

圖12 玄武巖纖維對混凝土強度的影響圖13 玄武巖纖維對砂漿強度的影響

為進一步分析纖維增強增韌力學特性，對SFRC試件也開展了準靜態(tài)壓縮實驗。不同鋼纖維含量SFRC試件的抗壓強度對比曲線如圖14所示。從圖14中可以看出，鋼纖維對混凝土強度的增強效果較明顯，當含量低于1.5%時，鋼纖維對混凝土的增強呈線性增加；當含量高于1.5%時，鋼纖維的增強效果明顯減弱。

圖14 鋼纖維對混凝土強度的影響

鋼纖維混凝土破壞形態(tài)如圖15所示。從圖15中可以看出，由于鋼纖維的加入，明顯提高了混凝土的抗剪性能，裂紋呈豎線狀態(tài)。

圖15 鋼纖維混凝土破壞形態(tài)

鋼纖維對砂漿強度的影響如圖16所示。由圖16可知，由于砂漿相對混凝土的和易性較好，試驗表明鋼纖維對混凝土的增強呈線性增加，此次試驗鋼纖維的含量最大為2%。

圖16 鋼纖維對砂漿強度的影響

SFRC破壞形態(tài)如圖17所示。由圖17可知，鋼纖維混凝土破壞形態(tài)呈豎狀裂紋，SFRC破壞形態(tài)未發(fā)生崩碎現(xiàn)象，說明鋼纖維混凝土的韌性有很大提高。

圖17 SFRC破壞形態(tài)

3.3 混雜纖維對砂漿強度的增強效果

實驗中所采用的混雜纖維為固定玄武巖纖維的含量，通過改變鋼纖維的含量從而找到最佳的鋼纖維含量，實驗測出不同鋼纖維含量的混雜纖維砂漿強度如圖18所示。實驗表明：摻入玄武巖纖維降低了砂漿的和易性，提高了砂漿的早期強度，對后期強度影響不大，鋼纖維增強了纖維增強混凝土的強度與韌性。

圖18 混雜纖維對砂漿強度的影響

實驗得到三種不同纖維含量增強混凝土試件的抗壓強度如圖19所示。從圖19中可以看出，玄武巖纖維含量為2%時，BFRC的抗壓強度增強幅度較小，相同纖維含量下SFRC的抗壓強度增強幅度大于BFRC；玄武巖纖維含量為1.5%和鋼纖維含量為2%的混雜纖維增強混凝土，其抗壓強度增加幅度最大。

為進一步探索BFRC與SFRC的增強增韌力學性能，采用不同加載速率進行壓縮實驗。加載速率為0.01 mm/s時，兩種不同纖維增強混凝土試件的抗壓強度對比如圖20所示。從圖20中可以看出，當加載速率提高10倍時，BFRC強度提高幅度為15%，SFRC強度提高幅度為7.85%。

圖19 兩種纖維及混雜纖維對砂漿強度影響的對比圖20 快速加載條件下兩種纖維對砂漿強度的影響

綜上分析，纖維增強混凝土存在不同的增強增韌機制，其中作用范圍較大的(如骨料)為一級增韌機制，骨料與混凝土之間的橋接作用范圍為二級增韌機制，混凝土中的砂粒為三級增韌機制。由于混凝土制作過程中難免出現(xiàn)空洞與初始缺陷，纖維的摻入是對已有增韌機制的補充。實驗結果表明，纖維增強混凝土屬于典型的增韌相匹配問題，不同配合比混凝土與不同纖維材料、纖維幾何特征、纖維體積摻量均存在一個最佳增韌相匹配，在綜合分析已有研究成果基礎上開展了部分增韌相匹配試驗。在普通混凝土中摻入鋼纖維可有效提高混凝土的抗折強度，但是對混凝土的抗壓強度提高有限。盡管纖維的強度和韌性大于素混凝土，但是，增韌相匹配不合理會導致不同相之間力學性能的突變。根據(jù)最小作用原理反而會影響纖維性能的發(fā)揮，導致SFRC強度的局部衰減，進而影響SFRC整體力學性能。如在鋼纖維含量混凝土中，雖然提高基體混凝土的性能至關重要，但是，纖維的摻量對混凝土抗壓和抗折強度也存在較大影響，研究表明鋼纖維體積摻量每提高1%，抗壓強度提高8%左右，抗折強度提高35%左右。

4 結論

試件破壞結果表明纖維增強混凝土復合材料破壞以基體破壞為主，剪滯理論認為纖維與基體之間不發(fā)生相對滑動，更適合用于描述實際試驗中的破壞模式。玄武巖纖維含量小于1.5%時，BFRC抗壓強度隨著纖維含量的升高而降低；當玄武巖纖維含量大于2%時，BFRC抗壓強度隨著纖維含量的升高而增強。準靜態(tài)壓縮實驗中，玄武巖纖維對提高BFRC抗壓強度作用較小，玄武巖纖維含量過大時，其抗壓強度存在降低現(xiàn)象。玄武巖纖維含量為1.5%和鋼纖維含量為2%的混雜纖維增強混凝土，其抗壓強度增加幅度最大。當加載速率提高10倍時，BFRC強度提高幅度為15%，SFRC強度提高幅度為7.85%，BFRC抗壓強度的提高幅度約為SFRC抗壓強度的兩倍。