短切BFRC復合建筑材料增強增韌機理分析*

孫一民， 李忠良， 張 健， 楊 璐

(1. 沈陽工程學院 經濟與管理學院， 沈陽 110136； 2. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

混凝土是當代最主要的建筑材料，它具有抗壓強度高、耐久性好和強度等級范圍寬等優點，并且具有廣泛的用途，不僅適用于各種土木工程，也適用于造船業、機械工業和海洋運輸等領域.由于混凝土本身具有抗拉和抗折強度低、收縮開裂、韌性低和抗沖擊性能差等缺點，限制了該材料在工程中一些關鍵部位的應用[1].為此，克服混凝土的弊病并完善其性能，一直是學者們和工程技術人員長期不斷探尋的目標.很多學者嘗試將各類纖維加入到普通混凝土中，以改良混凝土某些方面的性能，嘗試開發出一種性能更加優越的新型復合建筑材料[2].近年來，玄武巖纖維因其優異的物理力學性能引起了人們的廣泛關注.連續玄武巖纖維(CBF)是一種呈金褐色的無機纖維材料，以純天然玄武巖為基本原料，在1 450～1 500 ℃的高溫熔融狀態下快速通過鉑銠金漏板拔絲而成的石質纖維[3].CBF具有耐高溫、耐腐蝕、成本低廉、取材廣泛、生產過程環保并具有優越的力學性能等特點，在一定程度上得到了應用.目前，玄武巖纖維增強混凝土的力學特性和環境耐久性理論分析及試驗研究是當前領域的一個熱點[4-9].本文以玄武巖纖維增強混凝土(BFRC)的增強、增韌機理為主要內容開展了理論研究，并借助電子顯微鏡對該新型復合建筑材料進行細觀研究，得出有益結論.

1 BFRC增強理論

復合材料具有增強體和基體兩種不同性質的組分，并通過界面復合在一起.在纖維增強復合材料中，纖維和基體都保持著各自的物理和化學特性，但由于二者之間界面的存在，使得復合材料派生出了獨特的力學性能.BFRC是一種新型復合建筑材料，其增強機理主要來自兩個經典材料理論：

1) 基于將多種單一材料結合所構成的材料整體看成一個多相系，并遵循混合規律原理的復合材料理論.材料整體性能是各個相性能的疊加值.

2) 基于線彈性斷裂力學基礎理論的纖維間距理論.該理論認為纖維均勻分布在混凝土基體中能起到阻止基體內微裂縫發展的作用.以上兩種經典材料理論以不同視角和方式，較好地解釋了纖維增強混凝土基材的原理，其結果大同小異.

1.1 復合材料理論

對于復合材料來說，界面是一種極為重要的微結構，是聯系增強體和基體的“紐帶”，對各組分性能的發揮程度和復合材料的最終性能都具有極其重要的影響.在復合材料理論中，纖維混凝土被認為是一種基于混凝土的纖維增強體系.因此，纖維混凝土可分為兩種材料：一種是混凝土作為基礎相，也可以稱為連續相；另一種是增強相，也可以稱為分散相，即纖維分散在混凝土基相中.復合材料比單一材料具有優異的性能，之所以如此是因為其各組分間的協同效應，而復合材料兩相材料間的界面就是產生這種效應的根本原因.通常情況下，增強相的性能發揮可使基相的某些性能得以改善.作為復合材料，BFRC的性能取決于兩種組分的性質、各相的比例、各自分布和基體相與增強相之間的界面性質以及一些其他影響因素.

結合復合材料理論，復合材料的基體相和增強相的性能特征、二者的比例、分散相的分布和界面微觀結構受復合材料的綜合因素影響，針對復合材料理論做如下幾方面假設：

1) 復合材料的組成材料均屬于各向同性的，分布均勻且連續分布；

2) 分散相與連續相的界面結合良好，各組分產生的應變始終一致，即沒有發生相對位移；

3) 結合后，復合材料中各相的性質完全保留，與單獨存在時一致，不發生任何改變；

4) 分散相和連續相內部始終不含初始應力.

本文建立一種纖維復合材料模型，以便更充分地解釋復合材料的力學特性和機理，如圖1所示.

圖1 纖維復合材料模型Fig.1 Model for fiber composite

在模型圖中，復合材料的分散相與連續相均遵守“混合定律”，當單一方向承受外加荷載時，纖維復合材料試件整體承受的應力是組成其材料的連續相和分散相各自應力與體積率乘積之和，即

σ=σfρf+σmρm

(1)

式中：ρf為增強相體積率；ρm為基相體積率；σf為增強相應力；σm為基相應力.同時，基相和增強相的自彈性模量與體積率乘積之和為復合材料的彈性模量，即

Ec=Efρf+Emρm

(2)

式中：Ef為增強相彈性模量；Em為基相彈性模量.

此外，當纖維體積比很低時，連續相混凝土的彈性模量對復合材料的彈性模量起著決定性的作用，而分散相纖維對混凝土強度和模量的影響較小.如果纖維對混凝土有顯著的增強效果，纖維的數量必須增加，纖維的強度必須提高.

上述復合材料理論僅適用于纖維混凝土復合材料發生較大開裂之前，當復合材料受外加荷載出現較大開裂后，裂紋兩側連續相混凝土的應力下降為零，此時的材料承載力完全由增強相纖維承擔，因而，該理論應用范圍具有一定的局限性.該理論還與復合材料的各項力學基本性能、各組分自身性能、所占比例、是否均勻分布以及彼此之間相互作用情況等相關，因此，運用上述復合材料理論時，必須首先了解該復合材料的上述各項因素.

1.2 纖維阻裂理論

纖維阻裂理論也稱為纖維間距理論，是由國外學者于1963年首次基于線彈性斷裂力學基本原理提出的.按照斷裂力學理論，混凝土內部原本就有大小各異的微裂縫、空隙和各種缺陷，在外力的作用下發生拓展.纖維阻裂理論解釋了在阻止混凝土裂縫的發生及發展過程中纖維所起到的作用，并分析了材料本身抵抗裂縫發展性能、裂縫尺寸以及材料斷裂應力之間的相互關系.該理論合理地解釋了材料在特殊環境下低應力脆斷的現象，同時認為微裂縫、孔隙和其他缺陷一般均處于混凝土內部水泥漿與粗、細骨料的接觸界面上，當受到外部荷載作用時，裂縫和孔隙等這些缺陷處勢必將引起應力集中現象.隨著應力集中程度加劇，裂縫不斷拓展和延伸，當達到一定程度時將導致混凝土失效破壞.當纖維均勻地分散到混凝土中后，纖維會在上述缺陷處起到橋連兩側的作用.由于纖維與混凝土之間存在一定的粘結力，當微裂縫等缺陷增大后，纖維依靠其強有力的抗拉性能對裂縫起到了錨固作用，從而抑制了裂縫的發展，提高了混凝土的抗拉強度，增加了混凝土的耗能能力，增強了材料的韌性.

纖維阻裂理論認為當復合材料構件受到外加荷載后，纖維與混凝土之間的粘結力τ在裂縫處發揮了強有力的作用，產生相反方向的應力場，減少了應力集中現象，有效延緩了裂紋擴展，大大提高了材料的韌性[10].假設纖維與混凝土之間粘結力τ產生的方向應力場強度因子為Kf，設由拉應力引起的裂縫尖端的應力場強度因子為Kσ，則該處實際應力場強度因子為

(3)

式中：a為裂縫半寬；σfc為纖維同向拉應力.由此可得纖維混凝土抗拉強度的計算公式，即

(4)

式中：K1c為臨界強度因子；β為裂縫形狀系數，用來區分不同形狀裂縫對纖維混凝土抗拉強度的影響；S為纖維平均間距.考慮復合材料中纖維平均間距對材料強度的影響.纖維平均間距S計算關系式為

(5)

(6)

式中：n為材料構件任意斷面上纖維數量；V為復合材料中纖維的體積摻率；ηθ為考慮材料中纖維分布方向因素的影響因子；lf、df分別為纖維的長度和直徑.V、df、S、ηθ四個參數彼此相關.當纖維體積摻率V一定時，纖維直徑df越大，纖維平均間距S也越大，這時纖維對混凝土的增強效果越弱；當纖維直徑df一定時，纖維體積摻率V越大，纖維平均間距S越小，纖維對混凝土的增強效果也越顯著.事實上，許多因素影響纖維對混凝土基材的增強效果，包括纖維本身的基本力學性能、體積分數、纖維與混凝土界面的粘結條件、纖維直徑、長度直徑比等.

2 纖維混凝土增強機理分析

復合材料結構多為受拉受剪破壞，主要依靠骨料間的粘結力和靜摩擦力來消耗能量.在開裂條件得以滿足的情況下，試樣在外力下的微裂紋將迅速被撕裂，該情況在試驗中已得到驗證.對于玄武巖纖維增強混凝土來說，除了具備普通混凝土的耗能性能外，分布在骨料間的纖維能夠依靠其良好的抗拉能力進一步增強其耗能能力.試件受力開裂后，由于玄武巖纖維的橋接效應，材料的抗拉強度明顯提高.在纖維增強混凝土復合材料受力過程中，纖維的耗能形式主要體現為兩種方式，即纖維的斷裂功和纖維的拔出功.

纖維混凝土在外力作用下，當其內部應力集中處超過材料強度時，材料內部首先會出現數量眾多但尺寸微小的裂紋，微裂縫內的受力纖維在受力過程中不斷被拔出，如圖2所示.

假定根據復合材料單位面積內纖維分布的平均量，可以得到纖維在裂縫中的平均功.復合材料中纖維分布均勻，且單位面積上分布的纖維數為n，可推出裂縫處纖維被拔出所做的平均功為

(7)

式中：τf為纖維被拔出界面時的剪應力；lcr為纖維材料的臨界長度.

圖2 纖維拔出模型Fig.2 Model for fiber pull-out

纖維的臨界長度是影響纖維受力耗能方式的最直接因素.有研究表明當纖維長度在臨界長度范圍內時，裂縫附近纖維的拔出功占據耗能主體，具體與纖維的體積率、有效直徑、纖維同周圍骨料間粘結狀況等因素密切相關.相反，當纖維長度超出臨界長度時，纖維的耗能方式將發生改變，此時裂縫處的纖維失效方式將分成兩種形式：一部分纖維由于與骨料粘結非常牢固而被拉斷；另一部分因界面粘結不牢固而被整根拔出.與此同時，在纖維受力耗能斷裂過程中，因某局部粘結力被外力克服以后，造成纖維與基材骨料接觸面發生分離，進而導致纖維脫離基材，當基材開裂后該部分纖維單獨承受拉應力.在此過程中的初始階段，纖維僅發生彈性變形，進而過渡到彈塑性變形，當超出極限后隨即發生斷裂，其斷裂功可以表示為

(8)

由此可見，纖維混凝土增強的核心因素是纖維的拔出功和斷裂功協同耗能能力.由此可以推斷在復合材料中，纖維力學性能特性越好，彈性模量越高，體積摻率越大，其耗能勢必越多，增強效果必將越顯著.

3 復合材料增韌機理分析

纖維對混凝土增韌作用直接體現為復合材料破壞過程中所表現出來的延性特征.決定材料裂縫開展特性的主要決定因素是裂縫拓展的驅動應力和材料的抗拉性能.如果某個部位的裂縫驅動應力超出了材料的抗拉強度，裂縫勢必進一步開展，直至其失效破壞，裂縫開展過程模型如圖3所示.

圖3中當出現裂縫以后，裂縫邊緣是應力高度集中的地方，應力場強度因子可表示為

(9)

圖3 裂縫模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of crack model

式中：y為幾何影響因子，其取值由裂縫受力方式、裂縫形狀和開裂的尺寸綜合確定；σ為裂縫處所承受的均布拉應力.

當應力場強度因子低于材料本身的臨界應力場強度因子kcr時，材料將始終處于正常狀態，不會開裂破壞或失效.一旦由于外力作用增加，導致應力場強度因子超過材料所能承受的臨界應力場強度因子kcr，材料將瞬間開裂，并不斷拓展，發展到最終的失效狀態.在存在裂縫的纖維復合材料中，均勻分布的纖維將裂縫周圍材料橋連起來，良好的抗拉性能使纖維能夠有效克服因束縛裂縫開展所需要的拉應力.纖維的受拉作用相當于在裂縫尖端處施加一個反向的應力場σf，起到了抵消外力應力場的作用，由此可以計算裂縫處實際的應力場強度因子，即

(10)

由式(10)可以判斷出，當混凝土基材摻入纖維形成復合材料后，在外力作用下纖維主要承擔拉力作用.位于材料裂縫處纖維承受的拉應力抵消了原有的部分外應力，降低了裂縫處的應力場強度因子，緩解了裂縫周圍的應力集中狀況，減緩了裂縫開展速度，從而增強材料的韌性.

4 掃描電鏡細觀結構分析

對玄武巖纖維混凝土開展細觀結構分析，使用的電鏡設備為日立S-3400N SEM，如圖4所示.

SEM分辨率為3.0 nm(30 kV)，放大倍率為5～300 000.所形成的圖像分二次電子像和背散射電子像，本試驗觀察的是二次電子像.本次細觀電鏡試驗分別對直摻法和預處理法工藝制備的玄武巖纖維混凝土進行細觀分析.通過掃描電鏡對試樣典型代表斷口表觀形態進行判斷和分析，結果發現，直摻法相對于預處理法工藝制備的纖維混凝土缺陷多，內部的空隙分布普遍且尺寸較大，骨料之間粘結性能不佳.采用直摻法制備的試樣斷口SEM圖如圖5所示.

圖4 電子顯微鏡Fig.4 Scanning electron microscope

圖5 直摻法纖維在混凝土中分布狀況Fig.5 Distribution situation of fiber in concrete fabricated with direct blending method

根據圖5可以清楚地看到，直摻法工藝制備的纖維混凝土內部纖維聚集成束現象比較普遍，在纖維聚集成束端部和附近出現尺寸較大、形狀各異的孔隙和孔洞.纖維表面比較光滑，附在其上的骨料顆粒很少見，纖維與混凝土骨料間的粘結也非常松散，不緊湊.根據復合材料理論和纖維間距理論可以推斷，纖維復合材料的性能是否良好，在很大程度上取決于組成兩種材料各自性能的優異性及兩種材料結合的理想程度.由此可以推斷，采用直摻法制備的纖維混凝土性能由于其纖維和基材存在結合上的缺陷，很難達到理想的性能效果.采用預處理法制備工藝的纖維混凝土試樣典型斷口SEM圖如圖6所示.

圖6 預處理法纖維在混凝土中分布狀況Fig.6 Distribution situation of fiber in concrete fabricated with pretreatment method

對比圖5、6可以看出，纖維預處理法制備的纖維混凝土，其纖維分散性十分均勻，基本沒有出現聚集成束的現象.纖維表面沾滿基材骨料的細微顆粒，不再光滑、裸露而是比較粗糙.玄武巖纖維與混凝土基材骨料間的空隙十分微細，粘結非常細密、牢固，觀察視野里未見大的孔隙和孔洞.由復合材料理論和纖維間距理論可確定，對比預處理法和直摻法兩種工藝制備的纖維混凝土材料的基本力學性能，前者勢必要優于后者.

通過對玄武巖纖維增強混凝土材料破壞斷口的電鏡掃描圖片進行觀察和分析，可以確定：由于抗拉性能良好的玄武巖纖維摻入，并采用科學的預處理法工藝制備，確保不同材料、骨料之間的界面獲得良好的粘結能力，抵抗拉力的能力顯著增加.采用預處理法工藝制備的纖維混凝土，由于制備時纖維與水泥漿進行了事先充分的拌合，能夠讓原本成束的纖維分散性更好，在基材中分布更加均勻，促使每根纖維可以被水泥漿充分浸潤和包裹，周圍孔隙被彌灌和充實，從而使缺陷減少，讓纖維周圍水泥基水化作用更加充分.當水泥漿與纖維結合后再與混凝土拌合，纖維在基體中的分散性能夠充分得到保證，且纖維與周圍粗細骨料界面的粘結力勢必得到進一步增強.與此同時，預處理法制備工藝也使復合材料內部孔隙及連接薄弱面處數量降低，面積總量減少，由此促使抵御外加荷載時纖維能夠承擔的摩阻力更大.總而言之，預處理法制備工藝能夠使玄武巖纖維對混凝土基材力學性能的增強、增韌效果更為顯著.

5 結 論

本文結合復合材料理論和纖維間距理論，從耗能角度開展了纖維混凝土的增強、增韌機理分析，通過對電鏡試驗結果進行分析，對比兩種工藝制備法的材料細觀特點，得到如下結論：

1) 玄武巖纖維良好的抗拉性能，使其在外力作用下能夠承擔拉力作用，能夠降低裂縫處的應力場強度因子，緩解裂縫周圍的應力集中狀況，減緩裂縫開展速度，從而增強材料的韌性；

2) 玄武巖纖維自身的幾何尺寸、力學特性、體積摻率、纖維在基材中的分散性、纖維與基材粗細骨料間界面的粘結牢固程度等，均是影響纖維對混凝土增強增韌效果的重要因素；

3) 采用預處理工藝法制備的纖維混凝土，其玄武巖纖維的分散性良好，內部孔隙率低，結構缺陷少，纖維與基材混凝土界面間的粘結力良好，基本力學性能均優于直摻法.