纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

劉浩然 柳亞男 劉華新 遼寧工業(yè)大學(xué)

1 前言

混凝土是當(dāng)代工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的原材料，優(yōu)點(diǎn)是能夠就地取材，資源儲(chǔ)備量大，價(jià)格低廉，可塑性和耐火性好，并且由于溫度線膨脹系數(shù)相近，所以能與鋼構(gòu)件結(jié)合使用并且整體性好。

因此在世界各地的橋梁、大壩、高速公路、隧道、港口、沿海工程、工業(yè)與民用建筑上得到廣泛應(yīng)用。但其韌性差、自重大、抗拉強(qiáng)度低等因素也制約了自身的進(jìn)一步發(fā)展。因?yàn)橐陨线@些缺點(diǎn)，纖維混凝土就應(yīng)運(yùn)而生了。多數(shù)學(xué)者主要對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2 纖維混凝土的力學(xué)性能

2.1 纖維素纖維混凝土

纖維素纖維作為一種天然纖維，抗拉性能、延性性能和耐久性能表現(xiàn)優(yōu)異，摻加到混凝土中對(duì)基體受力時(shí)裂縫開展初期階段有良好的阻裂作用。同時(shí)纖維素纖維在我國來源廣泛，具有價(jià)格低廉和資源充足的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)纖維素纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用研究主要包括力學(xué)性能和耐久性能方面，具有抗凍融、抗?jié)B和抗疲勞等優(yōu)勢(shì)。目前，纖維素纖維在實(shí)際工程中已有眾多應(yīng)用，主要集中在橋梁工程、管道工程及海底隧道等領(lǐng)域[1-4]。

文獻(xiàn)[5]通過彎曲韌性試驗(yàn)研究了纖維素纖維對(duì)混凝土的抗彎韌性和變形性能，并將其與合成纖維、鋼纖維和混雜纖維進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果表明：纖維素纖維可有效提高混凝土的抗彎韌性和變形能力，并且在體積摻量相同的情況下，纖維素纖維的抗彎性能優(yōu)于聚丙烯纖維?；鞊嚼w維素纖維和鋼纖維能夠明顯增強(qiáng)混凝土延性性能。

文獻(xiàn)[6]將纖維素纖維摻加到混凝土中探究其抗裂、抗凍融和抗火性能，結(jié)果表明：纖維素纖維的加入能夠有效改善混凝土的早期開裂以及抗裂、抗凍融和抗火性能，最終提高混凝土后期耐久性。

文獻(xiàn)[7]從微觀上研究了纖維素纖維的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明：纖維素纖維混凝土相較于普通混凝土的內(nèi)部靜水壓和滲透壓較小，抗凍融性能有一定提高，凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和動(dòng)彈模量損失較小。

文獻(xiàn)[8]對(duì)混雜纖維混凝土的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相較于單摻聚乙烯醇，混摻聚乙烯醇和纖維素纖維的混凝土抗壓性能、劈拉性能和抗氯離子滲透性能具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.2 玄武巖纖維混凝土

玄武巖纖維是熔化的玄武巖巖石通過擠壓工藝制成的一種新型無機(jī)纖維。由于玄武巖纖維不含有其他添加劑，因此更具有經(jīng)濟(jì)性。眾所周知，玄武巖纖維具有比玻璃纖維更好的拉伸強(qiáng)度，比碳纖維更大的破壞應(yīng)變，以及更優(yōu)良的抗化學(xué)侵蝕、抗沖擊荷載和抗火性能。因此，在許多工程應(yīng)用中玄武巖纖維有望成為玻璃纖維、鋼纖維和碳纖維的合適替代品。先前的研究表明：摻加玄武巖纖維后的混凝土抗拉強(qiáng)度明顯提高，并且提高了韌性、抗變形能力和斷裂模量[9]。

文獻(xiàn)[10]等人的研究得出：玄武巖纖維混凝土在凍融過程中的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

文獻(xiàn)[11]研究了玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：添加玄武巖纖維可以有效減輕混凝土的試件的破壞，減輕變形和增強(qiáng)吸能能力。但是，玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度沒有提高。

文獻(xiàn)[12]研究顯示玄武巖纖維對(duì)于增強(qiáng)高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊、耐火性、抗?jié)B透性和抗凍性能提高明顯。

3 纖維增強(qiáng)混凝土耐久性研究

混雜纖維增強(qiáng)混凝土耐久性的研究主要集中在疲勞變形性能、抗裂防滲、抗凍性能和抗腐蝕性能等方面。

3.1 凍融機(jī)理研究

隨著現(xiàn)有建筑物和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的不斷惡化，長期的生物化學(xué)侵蝕對(duì)混凝土性能影響不容忽視。有些在北半球寒冷地區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)，凍融破壞是影響其耐久性能的主要因素。

混凝土的凍融耐久性與其孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?；炷羶?nèi)部孔隙的形狀、體積和分布決定了孔內(nèi)溶液凝固點(diǎn)和在孔內(nèi)形成的結(jié)冰量。通常，在一定的溫度范圍內(nèi)，混凝土內(nèi)部溶液越多就會(huì)引起更大的內(nèi)部壓力，最終會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的凍融破壞。因此，溶液凝固點(diǎn)和結(jié)冰量能夠反應(yīng)混凝土的抗凍性。通過了解凍融過程中的冰含量，可以計(jì)算出由于冰的形成的混凝土內(nèi)部液壓，從而可以評(píng)估和預(yù)測(cè)混凝土的凍融劣化程度，最終結(jié)果將有助于混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)。

對(duì)于混凝土凍融耐久性的研究已持續(xù)近百年，眾多研究學(xué)者基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論研究，發(fā)表了一系列假說。盡管這些假說或理論并未形成同意結(jié)論，但這些假說為混凝土結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐，確保了經(jīng)受凍融循環(huán)作用地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和工作性能[13]。

其中，在20世紀(jì)40年代先后提出靜水壓理論和滲透壓理論。靜水壓理論認(rèn)為混凝土基體內(nèi)率先達(dá)到冰點(diǎn)的溶液體積膨脹，導(dǎo)致未達(dá)到冰點(diǎn)的溶液向外移動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)孔隙壁的壓力，引起混凝土體積膨脹。而滲透壓理論認(rèn)為基體中大孔徑內(nèi)的溶液冰點(diǎn)較小孔徑內(nèi)溶液低，并且大孔徑內(nèi)剩余溶液離子濃度升高，周圍小孔徑內(nèi)溶液濃度較低，兩者形成的濃度差導(dǎo)致小孔內(nèi)溶液向大孔徑內(nèi)轉(zhuǎn)移。雖然這兩種理論被多數(shù)學(xué)者一定程度認(rèn)可，但其不能有效解釋混凝土經(jīng)歷凍融過程中體積收縮以及吸水率升高的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[14]提出的微冰透鏡模型對(duì)Powers的理論進(jìn)行了有效補(bǔ)充，模型對(duì)混凝土受凍過程中的體積收縮現(xiàn)象和凍融過程中基體內(nèi)溶液不斷增加的現(xiàn)象做出了較好的解答。

3.2 高溫機(jī)理研究

實(shí)際工程中，高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在冶煉爐等長期經(jīng)受高溫作用的結(jié)構(gòu)或者經(jīng)歷火災(zāi)的建筑物等之中。高溫對(duì)混凝土基體的破壞主要反映在對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙的影響上。學(xué)者M(jìn)ehta提出的理論表明：雖然混凝土基體中孔隙形狀、大小不一，但對(duì)基體力學(xué)性能和滲透性能影響明顯的只有孔徑大于132nm的孔隙，對(duì)此類孔隙的深入研究將有助于解釋高溫對(duì)混凝土的破壞。

一般而言，將混凝土基體中小于10nm的孔隙稱為凝膠孔，介于10nm和200nm的孔隙稱為毛細(xì)孔，超過200nm的孔隙稱為大孔?；w內(nèi)部的這三類孔隙隨著高溫作用的進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)變化，其主要變化體現(xiàn) 在基體中毛細(xì)水和結(jié)合水的消散。

研究表明：基體內(nèi)部分毛細(xì)水和部分結(jié)合能力較差的物理結(jié)合水在40℃逐漸蒸發(fā)。隨著升溫進(jìn)行，全部的毛細(xì)水和大部分的物理結(jié)合水在105℃時(shí)消散，超過這個(gè)溫度后，水化反應(yīng)開始發(fā)生，C-S-H凝膠和鈣礬石中的結(jié)晶水會(huì)漸漸消失。物理方面，孔徑較小的凝膠孔之間的界限會(huì)被打破，眾多凝膠孔會(huì)相互連通。此時(shí)基體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)明顯變化，宏觀上表現(xiàn)為混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的不同。

4 混雜纖維混凝土性能研究

關(guān)于混雜纖維增強(qiáng)再生混凝土的各種力學(xué)性能和耐久性能的影響已有許多研究。其中相較于單摻同體積纖維時(shí)，摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后的再生混凝土試件的峰值荷載、斷裂韌度及斷裂能均明顯提高，其中斷裂能增幅最大。研究了50次腐蝕凍融對(duì)混雜纖維再生混凝土耐久性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于單摻聚丙烯纖維和玻璃纖維，不同尺寸和體積摻量的混摻纖維表現(xiàn)出良好的正混雜效應(yīng)，提高了再生混凝土的抗凍能力。

此外，混摻纖維可以有效改善耦合腐蝕和凍融循環(huán)復(fù)雜環(huán)境下再生混凝土的耐久性?；祀s鋼纖維-聚乙烯醇（PVA）纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能及彎曲韌性的改善效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混雜纖維對(duì)再生混凝土性能提高效果明顯，并且影響程度大小為抗彎＞抗拉＞抗壓。利用有限元軟件ABAQUS對(duì)再生混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了一系列研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相較于普通混凝土梁，箍筋承受剪應(yīng)力較早，并且混凝土梁受剪區(qū)更早破壞。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，反映出所建模型的合理性和準(zhǔn)確性。