淺析纖維增強的高延性混凝土

楊丙輝　劉昂　曾滿菊

摘 要：混凝土材料以其優越的性能在土木建筑行業有著不可動搖的地位，但眾所周知，其抗拉性能卻不好。能夠解決裂縫發展與脆性這兩個問題，那么混凝土的性能就會得到質的飛躍。科研學者們經研究發現，在混凝土拌合過程中，摻加一些纖維，可以大大改善混凝土的抗拉能力。

關鍵詞：纖維增強；高延性；混凝土

1 纖維增強的高性能混凝土的發展歷史

纖維增強的高性能混凝土是在混凝土制作過程中工程纖維水泥基復合材料而制作成的。摻加纖維可以在一定程度上增強混凝土材料的抗拉強度、彎曲強度、抗剪強度等抗裂性指標。工程纖維增強水泥基復合材料（簡稱ECC）最早由美國密歇根大學的Victor.C.Li教授提出。在此基礎上國際上又提出了應變硬化水泥基復合材料（簡稱SHCC）。為了制備低成本高性能的ECC，Li和Kanda將聚乙烯醇（簡稱PVA）用于纖維增強水泥基復合材料中，制成聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料。近幾年的混雜纖維混凝土的研究也是科研工作者正在著手的熱點。

2 纖維增強的高性能混凝土的各種力學性能。

作為土建行業最廣泛應用的材料，混凝土材料制作而成的各種構建必須滿足安全性和耐久性的要求。這里我們主要從高性能纖維混凝土的力學狀態與普通混凝土的力學狀態對比進行分析來闡述纖維增強的高性能混凝土的優點。

2.1 抗拉性能。目前拉伸試驗是驗證ECC各項性能參數的最直接有效的方法。通過拉伸試驗我們可以直接得出拉伸彈性模量、開裂荷載、初始裂縫寬度、開裂應變、極限應變以及最大裂縫寬度等。通過延性增強混凝土單軸拉伸性能研究發現摻加不同PVA纖維纖維增強混凝土的拉伸試驗，其抗拉強度最終取決于裂縫面上纖維最低的跨越裂縫的橋接作用。在摻有一定量的亂向纖維的纖維混凝土復合材料中，由于非連續的纖維隨即在混凝土中分布，在裂紋開展到一定程度時，開裂區的纖維可以有效地起到橋接作用，從而阻止裂紋的開裂程度，約束裂紋繼續發展，達到增強效應的目的。

2.2 抗壓性能。纖維增強的高性能混凝土在單軸受壓的情況下，纖維的添加改善了受壓應力作用下砂漿機體的壓縮韌性，實驗表明纖維的添加使得單軸受壓的棱柱體和立方體的抗壓強度都有所提高。

上圖是美國密歇根大學Wang等采用典型曲線配合比ECC-45 的一圓柱體試件抗壓強度發展曲線圖。實驗研究表明，在混凝土制作過程中，粉煤灰的摻加量對其強度影響顯著。

2.3 延性。ECC具有超高延性，這就表明其很少出現類似于普通混凝土的脆性失效的可能，在工程上的表現就是為事故的發生提供可預見性。試驗研究表明，在相同的幾何尺寸和荷載條件下，ECC的強度最高，延性最大，且具有最強的能量吸收能力和裂縫控制能力。

2.4 抗彎性能。三點彎曲試驗能夠很好地描述纖維增強的高性能混凝土構件的性能。大連理工大學徐世烺采用薄板試件和梁試件對 PVA 纖維增強水泥基復合材料的彎曲性能進行研究。實驗研究表明薄板試件能夠在峰值荷載時產生很大的變形，但試件的完整性能夠得以保持。

2.5 耐久性。高強混凝土委員會指出為評價高延性混凝土的耐久性，應該按照滲透性與抗裂性兩方面進行評定。

抗滲性準則用以評價無裂縫混凝土抵抗外界物質包括水、氣體等的侵入能力。抗裂性準則用于評定混凝土抵抗裂縫開展及繼續發展的能力。現有資料表明，高延性混凝土的抗裂性能要高于普通鋼筋混凝土的抗裂性能。高性能纖維在復合材料中的均勻亂向分布形成了一種空間支撐體系，則有助于產生二級加強效應，它的這種分散形式可以抑制混凝土的收縮，吸收開裂釋放的能量，減小混凝土初期干燥收縮產生的裂縫，提高其韌性，并且可以減少裂縫引起的鋼筋銹蝕。ECC 材料具有很好的延展性及抑制裂縫寬度的特性。

3 纖維增強的高性能混凝土的成因理論分析

關于纖維混凝土的增強理論主要基于兩種理論：復合材料理論和纖維間距理論。

3.1 復合材料理論。復合材料理論就是將高延性纖維混凝土的性能看作是各項單一材料性能的集合，具有各種單一材料的綜合性能，因而能夠獲得較好的延性及其他優良性能，從而使材料的性能得到質的飛躍。

3.2 纖維間距理論。該理論從線彈性斷裂力學出發。認為如果要提高混凝土材料的強度就必須減小或消除其內部本身的固有缺陷，韌性取決于混凝土體內裂縫端部的應力集中系數。在混凝土基體中纖維可以彌補自身的缺陷，起到減少裂縫源的尺寸和數量，達到提高基體的強度目的，如果纖維的間距越小，則裂縫所引起的應力集中就越小，從而就能夠提高復合材料的強度和韌性。

4 纖維增強的高性能混凝土的類型與特點

已研究的纖維混凝土材料有：碳纖維和聚丙烯纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維、抗堿玻璃纖維和聚乙烯纖維增強的混凝土。

實驗研究表明：采用高模纖維制作成的混凝土可以獲得單一纖維增強混凝土所不能達到的強度和韌性等力學性能。但也可能使由纖維的種類材料差異、配比不同而制成的混雜纖維高性能混凝土出現正負兩種不同的混雜效應。

5 纖維增強的高性能混凝土在工程實踐中的應用

5.1 用高延性纖維增強的混凝土材料作為結構的主要材料從而提高結構的抗震性能。

5.2 用高延性纖維混凝土防治橋頭跳車。

5.3 作為油氣管道的保護層。

參考文獻

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作者簡介：楊丙輝（1991- ），男，漢族，河南鄭州人，鄭州大學道；劉昂（1994- ），男，漢族，河南人，鄭州大學；曾滿菊（1992-），女，漢族，河南周口人，鄭州大學。