纤维混凝土断裂性能研究进展综述★

2023-01-10刘凯亮康洪震

山西建筑 2022年4期

刘凯亮，康洪震,2

(1.华北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063009；2.唐山学院土木工程学院，河北唐山 063000)

1 概述

混凝土是现在工程领域应用最广泛的原材料，有强度高、刚度大、耐久性能好等优点，在世界各地的大坝、桥梁、码头、隧道、高速公路等建筑中被广泛应用，但由于其抗拉强度低、韧性差、容易出现裂缝等缺点限制了其进一步的大规模发展。纤维由于具有良好的抗弯曲、增韧特点，纤维混凝土开始投入了使用。抗裂纤维与结构增强纤维是其两种不同的应用类型，结构纤维实际应用主要以钢纤维为主，而有机合成纤维多为抗裂纤维[1]。因此，纤维混凝土对于传统混凝土可以提高其各项力学性能，有力地促进了其进一步发展及应用。

2 纤维混凝土增强机理

关于纤维对混凝土的增强作用机理，最早的是1964年Romualdi等[2]基于线弹性断裂力学理论提出的纤维间距理论，由于混凝土内部的裂纹尖端应力过度集中而导致的破坏为混凝土的破坏原因所在。因此，纤维的最佳间距可以通过减少裂纹尖端应力值来计算出。在混凝土内部认定纤维为乱向分布的条件下，纤维的内径大小与体积掺量为纤维内部最优间距的两个影响因素。

而复合材料力学理论[3]，此理论由1975年Naaman提出，认为纤维与基体之间有着很强的黏结力，这就使得混凝土在发生变形时无法产生相对滑移现象，此理论把纤维混凝土认定为理想弹性体，混凝土所受外力的方向只能分布在沿纤维长度方向，那么纤维与混凝土两者就拥有相同的纵横向变形，最后基于受纤维取向、尺度和黏结力多重影响的纤维乱向分布系数，分情况进行计算。

3 纤维混凝土断裂特性研究现状

3.1 宏观试验研究现状

近年来许多的专家学者基于三点弯曲梁法下的混凝土切口梁进行断裂试验，从不同的试验角度出发探究掺加纤维后对混凝土断裂特性的影响，现总结如下：

为研究定向钢纤维层厚对地质聚合物复合梁抗弯性能的影响，张伟杰等[4]通过三点弯曲梁法制备了不同纤维层厚的复合梁。结果随着层厚的不断增加，试件的断裂能呈逐渐增大的趋势，较空白试样最多提高了55倍，且断裂能增长速度随纤维层厚度增大呈先快后慢趋势。徐平等[5]研究了不同钢纤维体积掺量对单边切口三点弯曲高强混凝土断裂能的影响，结果表明：钢纤维的掺入能显著提高其断裂能，但掺入量越大其断裂能增长速度越慢。丁亚红等[6]通过三点弯曲梁法对高性能纤维混凝土断裂性能进行了宏观试验，最后对试验数据进行双K断裂参数计算，结果在钢纤维掺量为2%和4%时，高性能混凝土的双K断裂参数韧度值分别是空白素混凝土的9.5倍和10.6倍。

混凝土的断裂性能受到纤维掺量影响，刘瑞[7]通过试验研究了掺加硅灰后钢纤维-水泥石界面黏结性能及对混凝土断裂性能的影响，结果表明：在掺入硅灰后，降低了混凝土的脆性，使得基体变得更脆，钢纤维拔出时消耗的能量变低，界面黏结性能降低，在一定程度上钢纤维提高断裂能的能力变低。赵亚伟[8]基于双K断裂模型，采用双掺碳酸钙和玄武岩纤维制备混凝土研究其断裂特性。结果双掺此两种材料可在不同程度上提升材料的双K断裂韧度，在碳酸钙掺量为2%，纤维长度为3 mm、掺量0.2%时，此类型混凝土增韧阻裂效果最佳。他还基于蒙特卡罗方法，从内聚力单元牵引-分离原则细观层次对混凝土断裂破坏进行模拟，与试验数据匹配程度较高。张鹏等[9]研究了纳米二氧化硅粒子、钢纤维双掺对三点弯曲梁法下的混凝土断裂特性研究，结果随着二氧化硅粒子的掺量增大，断裂能逐渐增大，但超过5%逐渐降低，钢纤维在掺量低于2%时断裂能随掺量的增大逐渐增大，超过2%则下降。

而对于纤维种类及混合使用对混凝土断裂性能的影响，邓宗才等[10]研究了集束型玻璃纤维混凝土与钢纤维混凝土和聚烯烃纤维混凝土断裂特性的不同影响，结果显示，当纤维掺率同为0.45%时，玻璃纤维混凝土与钢纤维混凝土接近，当掺率同为0.75%时，玻璃纤维的断裂韧度明显低于聚乙烯烃纤维，说明玻璃纤维抑制裂缝能力较强。高化东[11]选择以单掺和混掺钢纤维和聚丙烯纤维到RAC再生混凝土中，探究纤维掺量以及方式对其力学性能的影响，结果显示，钢纤维体积掺量为1.5%、聚丙烯体积掺量为0.9%时，RAC试件的断裂能最好。夏冬桃等[12]通过对体积掺量不超过1%的混杂纤维高性能混凝土进行三点弯曲试验，结果混杂纤维的掺入大幅度提高了混凝土的断裂能，最大提高了6.98倍，且荷载挠度曲线与荷载-CMOD曲线走势相似，均大于素混凝土，具有良好的韧性。朱洪波等[13]采用长度为4.7 cm，5.6 cm和6.5 cm的合成纤维并以5 kg/m3的掺量配制了C40混凝土，结果表明合成纤维混凝土可明显提高断裂能，其作用高于同体积掺量的钢纤维，并且中等长度的合成纤维作用更加明显。韩菊红等[14]研究了不同钢纤维体积掺量及不同钢纤维长度混杂使用下的钢纤维二级配混凝土断裂特性，试验结果表明，掺入钢纤维后，二级配混凝土延性更好，当体积掺量为1.2%，长纤维占比50%时，断裂韧度值提升明显，而断裂能提升最佳纤维掺量为钢纤维体积1.2%，长纤维占比65%。杨光耀[15]在宏观试验部分研究了纤维的尺寸、形状、类型三者为变量的情况下UHPC混凝土的断裂性能情况，最终试验发现强度等级不同的UHPC与钢纤维黏结性能最好，其断裂韧性优于其他类型的纤维，而形状异型的钢纤维与混凝土的黏结又优于平直型，低强度的UHPC易于与长纤维黏结，高强度则恰恰相反。

最后从不同的试验条件下，丁明冬[16]研究了高温作用下聚丙烯纤维和塑钢混杂纤维混凝土的断裂特性。结果表明：随着温度的升高，各种配比掺纤维的混凝土脆性不断降低，韧性相对提高。在200 ℃～700 ℃范围内，塑钢混杂纤维混凝土起裂韧度与失稳韧度均大于聚丙烯纤维混凝土，说明在混凝土中加入聚丙烯纤维会降低其失稳韧度值。宋博[17]也在高温条件下研究了玄武岩纤维混凝土的断裂特性，其结果表明玄武岩纤维对混凝土的起裂断裂韧度几乎无影响，而失稳断裂韧度和断裂能随体积掺量的增大呈现先增大后降低趋势。而李林泽[18]在冻融循环的试验环境下，制作了钢纤维混凝土，其纤维体积掺量为0.25%，0.5%，0.75%，聚丙烯纤维混凝土掺量与其相同，结果表明钢纤维与结构型聚丙烯纤维的加入对韧性的影响与冻融循环次数的增加成正比，各组试件比例极限弯矩、比例极限荷载均发生一定程度的下降。王辉明等[19]通过软件数值模拟了纤维在不同掺杂方向下的钢纤维混凝土梁抗弯试验，与试验结果进行比较后，结果表明，钢纤维定向布放可以大幅度提高混凝土抗弯性能及断裂过程阻裂增韧效果。

3.2 微观试验研究现状

除了通过宏观试验部分探究纤维混凝土断裂特性以外，近几年许多学者开始从微观角度出发研究其断裂特性，微观是从更细化的材料组成方面入手进行分析，对宏观试验结果可以起到一定的验证作用，使纤维混凝土断裂特性的研究更加全面。

高化东从微观角度通过扫描电镜观察其微观断裂面形貌，结果掺入纤维的RAC与素RAC相比，结构更加紧密，其空隙、裂缝较少，而且纤维呈乱向分布状态，这就更加证实了宏观部分的试验现象，骨料与水泥浆体界面过渡区更加紧密，几乎无裂缝和孔隙，说明纤维的掺入抑制了裂缝的产生和发展[20]。

李林泽首先对冻融循环作用下的纤维混凝土断裂面进行了3D扫描试验，然后通过绘图软件对其表面进行了3D重构，分析断裂面的形态变化。结果显示，冻融循环次数越多，断裂面越不平整，钢纤维混凝土的断裂面粗糙程度大于聚丙烯纤维混凝土。

杨光耀则从微观角度出发研究了纤维与水泥浆体间的界面过渡区特性，通过扫描电镜对其断裂面进行扫描，发现界面区存在大量的CH晶体，且其呈取向性，加大了过渡区的薄弱性，另通过压汞试验对其孔隙结构进行分析，发现钢纤维与水泥浆体的过渡区孔隙率要小于聚丙烯纤维，但大于水泥浆体孔隙率。

杨富花等[21]通过扫描电镜(SEM)和X射线能谱分析对不同聚甲醛POM纤维体积掺量的GRC进行了微观结构观测，根据纤维间距理论、复合材料理论及纤维混凝土损伤理论对其增韧机理进行了分析。结果表明:POM纤维在GRC中分布均匀，形成无规则网状结构，通过桥联搭接作用增强了GRC的力学性能;当GRC试件受力破坏时，POM纤维的断裂、拨出和剥离行为分散和吸收了裂纹处的断裂能，可以有效阻止裂纹继续扩张。

4 纤维混凝土工程实际应用现状

我国关于纤维混凝土的研究近几年发展十分迅速，有许多工程实例已运用到纤维混凝土，对建筑结构的安全与稳定有了很大的提升。

上海地铁建设公司与同济大学的纤维混凝土相关研究学者研究了钢纤维混凝土管片的实际应用情况[22]，他们通过在上海M6地铁线实际制作试验区，在运行过程中观察管片位移等数据变化情况，最终发现此材料性能良好，安全可靠。而在其他领域纤维混凝土也应用情况良好，北京建工四建的马小军等[23]研究了紧靠黄河边的通讯楼工程纤维混凝土具体应用情况，此工程紧邻黄河边，是省级重点项目，但由于特殊的位置与环境因此地下结构的抗裂性、抗渗性要求很高，他们把聚丙烯纤维掺入到混凝土中制作纤维混凝土并投入实地运用，结果发现其抗裂与抗渗性能相比普通混凝土有了很大的改善与提高。