柔性和剛性纖維砼的斷裂性能對(duì)比分析

賀麗麗, 楊建江, 劉津明, 臧登科(.天津大學(xué)仁愛學(xué)院 建筑工程系，天津 30636； .中國建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 00044)

柔性和剛性纖維砼的斷裂性能對(duì)比分析

賀麗麗1, 楊建江1, 劉津明1, 臧登科2
(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院 建筑工程系，天津 301636； 2.中國建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044)

論文分別對(duì)以鋼纖維砼(SFRC)為代表的剛性纖維砼和以聚丙烯纖維砼(PPFC)為代表的柔性纖維砼進(jìn)行分析，分析主要從力學(xué)特性、增韌阻裂機(jī)理和應(yīng)用前景三方面著手，其中斷裂性能分析為重點(diǎn)，對(duì)比總結(jié)出兩種纖維砼的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，以期對(duì)相關(guān)工程人員施工和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中材料選取時(shí)有一定的參考價(jià)值。

纖維；砼；力學(xué)特性；斷裂性能；對(duì)比分析

普通砼既非均質(zhì)又不是各項(xiàng)同性，不是理想的彈塑性材料。加之其自重大，抗拉強(qiáng)度低，易開裂的特點(diǎn)，尤其是具有本質(zhì)脆性的特征，嚴(yán)重影響了它的耐久性，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。所以，提高砼的抗拉強(qiáng)度和延性具有重要意義。纖維砼的出現(xiàn)很大程度上改善了這一弱點(diǎn)。目前，國內(nèi)對(duì)纖維砼的普通力學(xué)性能研究的較多，但對(duì)其斷裂韌性研究較少。1961年Kaplan首先將斷裂力學(xué)概念引用于砼，并進(jìn)行了砼斷裂韌度試驗(yàn)。因其優(yōu)異的阻裂特性，纖維砼已成為世界上研究最多，應(yīng)用最廣的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。

目前關(guān)于均勻而任意分布的纖維對(duì)砼的增強(qiáng)機(jī)理存在著兩種不同的理論解釋，其一為美國Romualdi提出的“纖維間距機(jī)理”：其二為英國的Swamy，mangat等人提出的“復(fù)合材料機(jī)理”。兩種機(jī)理均為估計(jì)纖維砼初裂強(qiáng)度或比例極限。其增韌機(jī)理為：纖維砼的破壞過程中，主要存在3種破壞機(jī)制，即水泥石基體中的破壞機(jī)制(如微裂縫屏蔽機(jī)制)、集料偏轉(zhuǎn)裂縫破壞機(jī)制和拔出破壞機(jī)制。利用這些機(jī)制，增加斷裂過程中的能量耗散是降低材料脆性、改變砼斷裂特性的主要措施，增加能量耗散強(qiáng)的分散相使裂縫受阻和產(chǎn)生裂縫偏轉(zhuǎn)有兩種方式。由于纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于硁內(nèi)部，猶如在砼中摻入巨大數(shù)量的微細(xì)筋，故微裂縫在發(fā)展的過程中必然受到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展，從而達(dá)到抗裂的作用和有效的抗沖擊目的，提高了硁的斷裂韌性，這些單靠加強(qiáng)鋼筋是不能實(shí)現(xiàn)的。

纖維的種類眾多，根據(jù)纖維的彈性模量，分為剛性纖維(彈性模量約為砼的10倍)和柔性纖維(彈性模量約為砼的1/10倍)兩種。本文主要從斷裂力學(xué)的角度對(duì)以鋼纖維砼(SFRC)為代表的剛性纖維砼和以聚丙烯纖維砼(PPFC)為代表的柔性纖維砼的斷裂性能進(jìn)行分析、對(duì)比。為使讀者對(duì)兩者的斷裂性能性有一個(gè)更直觀的對(duì)比，本文以普通砼為媒介，把兩者間的直接比較轉(zhuǎn)換為兩者的間接比較，即兩者分別與普通砼的斷裂力學(xué)性能作比較。

1 剛性纖維砼

SFRC是在普通砼中隨機(jī)摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的短纖維主要阻礙砼內(nèi)部微裂縫的發(fā)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生與發(fā)展,增大了砼的韌性[1]。目前對(duì)于鋼纖維砼的研究工作進(jìn)行的較多，取得了許多研究成果。

1.1 鋼纖維砼(SFRC)力學(xué)特性

根據(jù)國內(nèi)外理論研究和試驗(yàn)結(jié)果，鋼纖維砼不僅保持普通砼自身優(yōu)點(diǎn)，更重要的是因鋼纖維的摻入，對(duì)砼基體產(chǎn)生了增強(qiáng)、增韌(由于鋼纖維是典型的高模量纖維)和阻裂效應(yīng)，從而顯著的提高了砼的抗拉、抗彎強(qiáng)度，阻裂、限裂能力(圖1)，抗沖擊、耐疲勞性能，明顯延長(zhǎng)了其使用壽命。可見，鋼纖維砼作為一種新的復(fù)合材料，具有普通砼至今還未有的性能，彌補(bǔ)了砼的不足，最初成為砼良好的改性材料。但鋼纖維砼與普通砼比較，最為明顯的不足是由于鋼纖維的加入，其和易性明顯降低。

圖1 鋼纖維砼和普通砼受壓破壞荷載—位移曲線對(duì)比

1.2 鋼纖維砼的增韌阻裂機(jī)理

鋼纖維砼增韌屬于增加能量耗散兩種方式中的第一種方式，主要利用鋼纖維拔出破壞機(jī)制，即由于鋼纖維的阻裂增強(qiáng)作用，使鋼纖維砼在破壞之前有大范圍的緩慢穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展，以及裂縫尖端存在微裂縫區(qū)或裂縫過渡區(qū)。

在斷裂力學(xué)中，對(duì)于鋼纖維砼的增強(qiáng)機(jī)理，最早的解釋是美國Romualdi提出的纖維間距機(jī)理。Romualdi等人揭示了纖維在砼中的阻裂機(jī)理[2]，并沿用至今。Romualdi等人假設(shè)纖維與砼完全連接并將纖維的作用等效為鉚固力，得出的結(jié)論只適用于剛性纖維。也有研究人員從其他角度定性的闡述了鋼纖維砼的增韌阻裂機(jī)理[3]。此文應(yīng)用纖維間距機(jī)理進(jìn)行分析。纖維間距機(jī)理是基于線彈性斷裂力學(xué)來說明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。該機(jī)理認(rèn)為，在硁內(nèi)部原來就存在缺陷，欲提高這種材料的強(qiáng)度，就必須盡可能地減小缺陷的程度，提高韌性，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。由拉伸應(yīng)力所引起的粘結(jié)應(yīng)力分布(τ)產(chǎn)生于和纖維相鄰近的裂縫端部附近，起著約束裂縫開展的作用。如果設(shè)拉伸應(yīng)力引起的內(nèi)部裂縫端部應(yīng)力集中系數(shù)為Kc，而與裂縫端部相鄰近的粘結(jié)應(yīng)力分布τ產(chǎn)生的具有相反意義的、起約束作用的應(yīng)力集中系數(shù)為Kf，則總的應(yīng)力系數(shù)KI就將減小，初裂強(qiáng)度得以提高。即：

KI= Kc-Kf

式中：Kc為砼基體的應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kf為剛性纖維作用產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子；當(dāng)KI≥Kcr時(shí)，材料則發(fā)生斷裂破壞；當(dāng)KI

顯然，這一方法能較好地解釋纖維在砼基體中的阻裂機(jī)理。因?yàn)槔w維作用產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子降低了裂紋的總應(yīng)力強(qiáng)度因子KI，降低值的大小為由纖維作用產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子Kf。所以纖維砼的初裂強(qiáng)度較普通砼得以提高，且Kf越大，總應(yīng)力強(qiáng)度因子KI越小，纖維砼的初裂強(qiáng)度提高的幅度越大。可見，單位面積內(nèi)的纖維數(shù)越多，纖維間距愈小，強(qiáng)度提高的效果就越好；纖維的彈性模量越大，抗裂效果越好。從而其抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、延展性韌性等力學(xué)性能也相應(yīng)的提高。

1.3 鋼纖維砼應(yīng)用及前景

鋼纖維砼和普通砼相比具有良好的材料性能:較好的開裂荷載和極限承載力，優(yōu)良的抗收縮、抗開裂能力等。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、路面、橋面鋪裝等等結(jié)構(gòu)物中，可以充分發(fā)揮其彎拉強(qiáng)度高,抗裂,抗疲勞, 耐磨,抗沖擊性能好的特點(diǎn),可取代鋼筋,減薄道面厚度,加大縮縫間距,縮短施工周期,提高工程質(zhì)量,降低工程維修費(fèi)用,延長(zhǎng)工程使用壽命。

鋼纖維砼固然有很多長(zhǎng)處，但目前在進(jìn)一步推廣應(yīng)用上還受到一定的限制。這雖然有工藝上的一些原因，如施工和易性較差，攪拌和振搗時(shí)會(huì)發(fā)生纖維成團(tuán)或折斷等問題，粘結(jié)性能也有待進(jìn)一步改善，但是，價(jià)格貴亦是影響鋼纖維推廣使用的一個(gè)重要因素。鋼纖維砼中的鋼纖維必須達(dá)到一定的體積摻量(體積率的1 %，每1 m3砼需要鋼纖維約78 kg)，才能使鋼纖維砼的性能發(fā)生明顯的改變。一般鋼纖維的長(zhǎng)度選擇在20～30 cm，長(zhǎng)徑比一般為60～100，摻量在1.0 %～1.5 %。故鋼纖維砼的造價(jià)相對(duì)較高。

因此,改進(jìn)鋼纖維的生產(chǎn)工藝，加大鋼纖維與硁基體間的粘結(jié)力，使鋼纖維的增效性能充分發(fā)揮，在保證鋼纖維硁力學(xué)性能的前提下，降低鋼纖維用量以便取得較高經(jīng)濟(jì)效益，是鋼纖維砼在我國工程中得以廣泛應(yīng)用的另一發(fā)展前景。鋼纖維的制造價(jià)格也將隨著生產(chǎn)方法的改善和技術(shù)設(shè)備的更新而不斷降低。但我們完全有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來，它一定會(huì)在國外更多的應(yīng)用范圍內(nèi)顯示出強(qiáng)大的優(yōu)越性。

2 柔性纖維砼

基于上述情況，鑒于剛性纖維增強(qiáng)砼造價(jià)、施工、攪拌的不便，鋼纖維增強(qiáng)砼的配制和施工方法必須得到改進(jìn)，為此，促進(jìn)了柔性纖維增強(qiáng)砼的產(chǎn)生。

1960年，Goldfein的早期研究工作發(fā)現(xiàn)，在水泥靜漿與砂漿中摻加少量聚丙烯纖維可以明顯提高它們的抗沖擊性。此后，英國將短切聚丙烯膜裂纖維少量(≤0.05 %)摻加入混凝土中用以制造樁殼、墻板、浮體等預(yù)制品。1970年美國開始大力開發(fā)絲束相連的膜裂聚丙烯纖維，用以代替鋼筋網(wǎng)片控制砼的收縮。近20多年陸續(xù)開發(fā)出一系列可摻入砼中的單絲合成纖維，如聚丙烯、尼龍、聚酯、聚丙烯晴、聚乙烯等。

2.1 聚丙烯纖維砼(PPFC)力學(xué)特性

通過柔性纖維砼抗壓測(cè)試[4]加入柔性纖維后，硁的抗壓強(qiáng)度和普通硁的抗壓強(qiáng)度相比如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維砼和普通砼受壓破壞荷載—位移對(duì)比曲線

圖2表明普通砼受壓破壞荷載—位移曲線始終或多或少的在聚丙烯纖維砼受壓破壞荷載—位移曲線的下方。從接近極限荷載到達(dá)到極限荷載直至超過極限荷載的過程中，柔性纖維砼的豎向變形量較大，材料仍能夠承擔(dān)較大的荷載，荷載位移曲線從走平到下降的趨勢(shì)較弱；而普通砼在達(dá)到其極限荷載時(shí)，荷載位移曲線從走平到下降的趨勢(shì)更明顯。這是由于柔性纖維砼中由于纖維的存在，使得裂紋有一個(gè)較長(zhǎng)的穩(wěn)定擴(kuò)展過程。跨越裂紋的柔性纖維提供了阻滯裂紋發(fā)展的閉合集中力，這說明加入柔性纖維提高了砼受沖擊時(shí)吸收動(dòng)能的能力，阻滯或延緩了砼中裂縫的擴(kuò)散與發(fā)展，并使柔性纖維砼最終破壞需要較多的能量。

受壓狀態(tài)下柔性纖維砼中裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的規(guī)律很好地解釋了柔性纖維砼砼具有二次承壓的試驗(yàn)現(xiàn)象[5]。二次承壓即當(dāng)纖維砼抗壓試件達(dá)到它的極限荷載后，進(jìn)行二次加載，它仍能承受極限荷載75% 以上的荷載；而對(duì)比的普通砼達(dá)到極限承載力后幾乎不能再承受二次加載。這一性質(zhì)對(duì)于延性要求高的路面結(jié)構(gòu)尤其是對(duì)地震設(shè)防烈度高的地區(qū)具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

通過對(duì)柔性纖維砼進(jìn)行斷裂韌性實(shí)驗(yàn)研究[6-7]和疲勞試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[6]取得的初步結(jié)果顯示：柔性纖維砼的斷裂韌性比普通砼高，表明其抗裂性能明顯優(yōu)于普通砼，斷裂能顯著高于普通砼；文獻(xiàn)[7]結(jié)果顯示：同等應(yīng)力水平下，柔性纖維砼的疲勞壽命高于普通砼，一般為普通硁的疲勞壽命的2倍左右。同時(shí)加入柔性纖維后，硁抗收縮、抗沖擊、抗?jié)B性能和耐久性均有相當(dāng)提高。和剛性纖維砼最大的不同是：柔性纖維的加入，沒有影響砼的和易性。

2.2 聚丙烯纖維砼的阻裂增強(qiáng)機(jī)理

鑒于應(yīng)用Romualdi等人最早揭示的纖維在砼中的阻裂機(jī)理，得出的結(jié)論只適用于剛性纖維，而對(duì)彈模小于砼的柔性纖維來說該的理論不再適用。研究發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有的線彈性斷裂模型分析柔性纖維增強(qiáng)砼的阻裂機(jī)理最直接的方法是K疊加法[8]，同時(shí)按照更合理的力學(xué)分析方法來闡明柔性纖維的阻裂增強(qiáng)機(jī)理。按照K疊加法，柔性纖維增強(qiáng)水泥砼中裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI可以表示為：

KI= Kc-Kf

式中：Kc為砼基體的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

由遠(yuǎn)場(chǎng)均勻拉力σ產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

式中：Kf為柔性纖維作用產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子．

先考慮1根纖維的作用(圖3)，由圣維南原理，柔性纖維等效為集中力P，P所產(chǎn)生的裂紋近端應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

圖3 裂紋表面作用一對(duì)等效集中力P

當(dāng)KI≥Kcr時(shí)，材料則發(fā)生斷裂破壞；當(dāng)KI

配制纖維砼時(shí)，盡可能控制其斷裂時(shí)，纖維是被拉斷而不是被拔出。判斷纖維的斷與不斷要以應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)，與纖維的粗細(xì)無關(guān)，也不是以外力大小來衡量。

2.3 聚丙烯纖維砼應(yīng)用及前景

柔性纖維的應(yīng)用相對(duì)剛性纖維的應(yīng)用較晚。柔性纖維硁具有明顯的抗收縮、抗裂，抗沖擊和耐疲勞性能。同時(shí)柔性纖維配置高性能砼時(shí)不需要改變?cè)信浔龋辉陧虐韬蜁r(shí)加入柔性纖維即可，亦即完全采用普通砼的配比。因此配置砼的材料無需特別選擇。柔性纖維容易分散，施工方便、快捷，無特殊的質(zhì)量控制要求。柔性纖維配置高性能砼時(shí)，只要很小的體積摻量(0.05 %)，柔性纖維砼就會(huì)產(chǎn)生明顯的抗收縮和抗裂效果，可見經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。柔性纖維砼性能優(yōu)良、造價(jià)較低，施工方便，是一種良好的建筑材料，尤適用于承受反復(fù)荷載的道路及鋪面工程的修建。

因此，從某種意義上講說，柔性纖維砼就是一種高性能砼，且用柔性纖維配制高性能砼具有明顯的可行性。相信柔性纖維砼在土木工程中的應(yīng)用必將帶來可觀的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。在不遠(yuǎn)的將來，它一定會(huì)在國外更多的應(yīng)用范圍內(nèi)顯示出更加強(qiáng)大的優(yōu)越性。

3 結(jié) 論

通過以上的分析比較，得出以下結(jié)論：

(1)使砼達(dá)到相同的質(zhì)量，柔性纖維的體積摻量(一般不超過0.2 %)小于剛性纖維的摻量(一般在1.0 %～1.5 %之間)。鋼纖維硁中的鋼纖維必須達(dá)到一定的體積摻量(體積率的1 %，每1 m3砼需要鋼纖維約78 kg)，才能使鋼纖維硁的性能發(fā)生明顯的改變。而柔性纖維加入砼中后，只要很小的體積摻量(0.05 %，每13砼需要柔性纖維約為0.455 kg)，柔性纖維硁就會(huì)產(chǎn)生明顯的抗收縮和抗裂效果。

(2)在低摻量(纖維的體積含量不超過0.2 %)的條件下，柔性纖維砼的抗裂、抗沖擊。抗疲勞等性能優(yōu)于剛性纖維砼。

(3)柔性纖維砼的成本低于剛性纖維砼的成本，由于剛性纖維體積摻量大，故鋼纖維砼的成本相對(duì)較高。

(4)柔性纖維砼沒有影響普通砼的和易性，而剛性纖維砼的和易性差。尤其在實(shí)際工程中，常常因拌和物干澀而加水，影響剛性纖維砼的強(qiáng)度；在施工中，由于拌和物的和易性差導(dǎo)致堵管，最終影響施工質(zhì)量和進(jìn)度。柔性纖維的加入則在不改變砼配合比的前提下，砼的和易性也不受影響。

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賀麗麗(1980～)，女，碩士，講師，主要從事力學(xué)教學(xué)和研究工作。

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[定稿日期]2016-09-06