纖維增強混凝土力學(xué)性能研究進展

劉浩然 柳亞男 劉華新 遼寧工業(yè)大學(xué)

1 前言

混凝土是當代工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的原材料，優(yōu)點是能夠就地取材，資源儲備量大，價格低廉，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、抗拉強度低等因素也制約了自身的進一步發(fā)展。因為以上這些缺點，纖維混凝土就應(yīng)運而生了。多數(shù)學(xué)者主要對纖維增強混凝土的力學(xué)性能進行了研究。

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，摻加到混凝土中對基體受力時裂縫開展初期階段有良好的阻裂作用。同時纖維素纖維在我國來源廣泛，具有價格低廉和資源充足的優(yōu)勢。

針對纖維素纖維對混凝土的增強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。目前，纖維素纖維在實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[5]通過彎曲韌性試驗研究了纖維素纖維對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行對比，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。混摻纖維素纖維和鋼纖維能夠明顯增強混凝土延性性能。

文獻[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[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)量損失和動彈模量損失較小。

文獻[8]對混雜纖維混凝土的力學(xué)性能和耐久性能進行了試驗研究，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。

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)濟性。眾所周知，玄武巖纖維具有比玻璃纖維更好的拉伸強度，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[10]等人的研究得出：玄武巖纖維混凝土在凍融過程中的動彈性模量和質(zhì)量損失性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

文獻[11]研究了玄武巖纖維增強混凝土的抗沖擊性能，試驗結(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，減輕變形和增強吸能能力。但是，玄武巖纖維增強混凝土的動態(tài)抗壓強度沒有提高。

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

3 纖維增強混凝土耐久性研究

混雜纖維增強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)。混凝土內(nèi)部孔隙的形狀、體積和分布決定了孔內(nèi)溶液凝固點和在孔內(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)部溶液越多就會引起更大的內(nèi)部壓力，最終會導(dǎo)致更嚴重的凍融破壞。因此，溶液凝固點和結(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，可以計算出由于冰的形成的混凝土內(nèi)部液壓，從而可以評估和預(yù)測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)計和維護。

對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)展提供了堅實的理論支撐，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40年代先后提出靜水壓理論和滲透壓理論。靜水壓理論認為混凝土基體內(nèi)率先達到冰點的溶液體積膨脹，導(dǎo)致未達到冰點的溶液向外移動，產(chǎn)生對孔隙壁的壓力，引起混凝土體積膨脹。而滲透壓理論認為基體中大孔徑內(nèi)的溶液冰點較小孔徑內(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[14]提出的微冰透鏡模型對Powers的理論進行了有效補充，模型對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 高溫機理研究

實際工程中，高溫對混凝土結(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。高溫對混凝土基體的破壞主要反映在對混凝土內(nèi)部孔隙的影響上。學(xué)者Mehta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，對此類孔隙的深入研究將有助于解釋高溫對混凝土的破壞。

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的孔隙稱為毛細孔，超過200nm的孔隙稱為大孔。基體內(nèi)部的這三類孔隙隨著高溫作用的進行會產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)變化，其主要變化體現(xiàn) 在基體中毛細水和結(jié)合水的消散。

研究表明：基體內(nèi)部分毛細水和部分結(jié)合能力較差的物理結(jié)合水在40℃逐漸蒸發(fā)。隨著升溫進行，全部的毛細水和大部分的物理結(jié)合水在105℃時消散，超過這個溫度后，水化反應(yīng)開始發(fā)生，C-S-H凝膠和鈣礬石中的結(jié)晶水會漸漸消失。物理方面，孔徑較小的凝膠孔之間的界限會被打破，眾多凝膠孔會相互連通。此時基體內(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，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。混雜鋼纖維-聚乙烯醇（PVA）纖維對再生混凝土力學(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對再生混凝土梁的抗剪性能進行了一系列研究，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)果與試驗結(jié)果接近，反映出所建模型的合理性和準確性。