關(guān)于復(fù)合材料-土建結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與加固技術(shù)探究

霍 軍

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

天然有機(jī)質(zhì)復(fù)合材料在土建混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，用以加強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)，防止其在后續(xù)應(yīng)用及風(fēng)化過程中產(chǎn)生裂隙，該技術(shù)在17世紀(jì)混凝土出現(xiàn)早期既有廣泛應(yīng)用。后期隨著鋼筋籠加強(qiáng)技術(shù)在土建混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，該技術(shù)逐漸被淘汰[1]。

但是，近年來出現(xiàn)兩個(gè)技術(shù)契機(jī)：其一，鋼筋混凝土土建結(jié)構(gòu)被證實(shí)其混凝土力學(xué)特性表現(xiàn)并不及早期混凝土結(jié)構(gòu)，如17世紀(jì)構(gòu)建的基于天然有機(jī)復(fù)合材料加固的混凝土土建結(jié)構(gòu)，其裂隙率遠(yuǎn)小于20世紀(jì)構(gòu)建的鋼筋混凝土土建結(jié)構(gòu)；其二，合成復(fù)合材料技術(shù)近年來取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，且改性混凝土提升混凝土土建結(jié)構(gòu)自身力學(xué)特性的相關(guān)研究也出現(xiàn)了大量研究成果[2]。所以，保持使用鋼筋混凝土復(fù)合材料的同時(shí)，使用合成復(fù)合材料纖維對(duì)混凝土土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)力學(xué)特性的優(yōu)化，使其自身加固性能得到充分發(fā)揮，是該文分析的重點(diǎn)[3]。

1 復(fù)合材料的選擇與其自身力學(xué)特性

17世紀(jì)采用的天然有機(jī)土建結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要為棉纖維或木棉纖維，主要成分是纖維素，也還有部分蛋白質(zhì)等有機(jī)材料。近年來使用的合成復(fù)合材料纖維，主要成分為聚氯乙烯纖維、聚酯纖維、聚苯乙烯纖維等，采用熱拉絲工藝制作成直徑0.3mm的合成材料纖維，其纖維長度遠(yuǎn)超過天然復(fù)合材料纖維，抗拉性能也遠(yuǎn)超過天然復(fù)合材料纖維[4]。

該研究將聚酯纖維合成復(fù)合材料纖維采用體積比1:30，重量比1:500的比例混入到C30混凝土材料中，形成復(fù)合材料改性混凝土。在Matlab下加載Simuworks仿真組件，在仿真環(huán)境下分析其力學(xué)性能[5]。

1.1 合成復(fù)合材料對(duì)混凝土抗壓性能的改性效果

比較分析平均纖維長度20mm至200mm的聚酯纖維合成復(fù)合材料對(duì)混凝土抗壓性能的改性效果，得到圖1。

圖1 復(fù)合材料纖維長度對(duì)改性混凝土抗壓性能的影響Fig.1 Effect of fiber length of composite material on compressive performance of modified concrete

圖1 中，所有混凝土結(jié)構(gòu)模型均設(shè)定為500×500× 500(mm)，且所有模型采用的除復(fù)合材料纖維外的配方保持不變，所有模型的纖維材料摻入比（包括體積比和重量比）均保持一致，影響其力學(xué)性能的工藝參數(shù)僅為復(fù)合材料纖維的長度。可以看到，未摻入復(fù)合材料的參照模型，其抗壓強(qiáng)度約為30.4MPa，符合C30混凝土的基本要求，當(dāng)纖維長度為40mm時(shí)，可以將改性混凝土的抗壓強(qiáng)度增加到35.7MPa，較改性前高出17.4%，達(dá)到最佳的改性優(yōu)化結(jié)果。但是，當(dāng)復(fù)合材料纖維長度超過40mm時(shí)，其實(shí)際優(yōu)化效果會(huì)逐漸降低，當(dāng)復(fù)合材料纖維長度達(dá)到200mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度仿真結(jié)果達(dá)到29.7MPa，低于改性前水平。可以發(fā)現(xiàn)，如果采用直徑0.3mm聚酯纖維合成復(fù)合材料進(jìn)行混凝土加固改性優(yōu)化時(shí)，其纖維長度應(yīng)選擇在40mm水平[6]。

1.2 合成復(fù)合材料對(duì)混凝土抗拉性能的改性效果

混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)榭估阅苓h(yuǎn)不及鋼筋，所以在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基本不考慮混凝土的抗拉性能。但相關(guān)研究考察的17世紀(jì)天然復(fù)合材料改性混凝土抗拉表現(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)其抗拉性能達(dá)到當(dāng)前混凝土的2.3倍以上，以至于其整個(gè)結(jié)構(gòu)中并未使用鋼筋籠結(jié)構(gòu)，也可以保持較高的穩(wěn)定性。當(dāng)前技術(shù)條件下，如果配合鋼筋籠技術(shù)，進(jìn)一步增加混凝土結(jié)構(gòu)本身的抗拉性能，可以利用合成復(fù)合材料對(duì)土建結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行充分優(yōu)化[7]。

仿真測(cè)試中，用線載荷劈裂強(qiáng)度測(cè)試混凝土的抗拉性能，得到圖2結(jié)果。

圖2 復(fù)合材料纖維長度對(duì)改性混凝土抗拉性能的影響Fig.2 Effect of fiber length of composite material on tensile properties of modified concrete

圖2 中，40mm聚酯纖維復(fù)合材料產(chǎn)生的抗拉加固效果最佳，與抗壓加固效果的差異表現(xiàn)在，當(dāng)聚酯纖維復(fù)合材料長度達(dá)到150mm時(shí)，其實(shí)際改性混凝土的抗拉效果就會(huì)低于改性前表達(dá)值。同時(shí)，相比較其對(duì)抗拉性能的改性效果，復(fù)合材料對(duì)改性混凝土的抗拉效果改進(jìn)效果顯著更強(qiáng)，加入40mm聚酯纖維復(fù)合材料后，混凝土抗拉性能提升150.7%，遠(yuǎn)超過其對(duì)混凝土抗拉性能17.4%的改進(jìn)效果[8]。

同時(shí)需要指出，文獻(xiàn)記載17世紀(jì)的天然復(fù)合材料改性混凝土抗拉性能提升幅度約為2.3倍，即其提升幅度達(dá)到130%以上，但該技術(shù)相比較今天的混凝土技術(shù)有兩點(diǎn)不足：第一，其改性后實(shí)際混凝土抗拉強(qiáng)度僅能達(dá)到C15或C20標(biāo)準(zhǔn)，而該試驗(yàn)中使用的混凝土抗拉強(qiáng)度為C30標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際工程中還可能使用C50甚至更高標(biāo)準(zhǔn)的混凝土土建結(jié)構(gòu)；第二，今天的混凝土技術(shù)除混凝土本身的土建結(jié)構(gòu)力學(xué)特征表現(xiàn)外，還使用了鋼筋籠結(jié)構(gòu)等輔助結(jié)構(gòu)加強(qiáng)混凝土性能。所以，今天的混凝土技術(shù)仍然顯著優(yōu)于17世紀(jì)混凝土技術(shù)[9]。

2 合成復(fù)合材料對(duì)土建結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的作 用原理

2.1 合成復(fù)合材料對(duì)混凝土力學(xué)特征的提升原理

合成復(fù)合材料纖維，以該研究中考察的直徑0.3mm聚酯纖維為例，其本身具有一定的抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性，加之改性前，混凝土材料本身為分子鍵連接的顆粒粘結(jié)結(jié)構(gòu)，本身不存在“各向異性”。即顆粒間通過相鄰接觸面的分子鍵發(fā)生粘結(jié)，不論是抗壓性能還是抗拉性能，其發(fā)生結(jié)構(gòu)破潰時(shí)，均是大范圍分子鍵發(fā)生斷裂，其核心表現(xiàn)均為混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能。所以，提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能，是在混凝土材料中加入合成復(fù)合材料纖維的核心目的[10]。

加入合成復(fù)合材料前后，其微分子結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料對(duì)改性混凝土的微分子結(jié)構(gòu)影響示意圖Fig.3 Effect of composite materials on micro molecular structure of modified concrete

圖3 中，為簡化思路下假定混凝土中微分子顆粒為SiO2顆粒，分子間通過Si-O分子鍵連接，分子內(nèi)通過Si-O化學(xué)鍵連接。圖3（a）中，未加入復(fù)合材料前，每個(gè)分子最多對(duì)外生成4個(gè)分子鍵，即2個(gè)O原子與1個(gè)Si原子形成2個(gè)分子鍵；圖3（b）中，加入高分子復(fù)合材料后，復(fù)合材料中的大部分H原子均可與鄰近的O原子產(chǎn)生分子鍵，且高分子復(fù)合材料中的C鏈由化學(xué)鍵進(jìn)行連接，不同類型化學(xué)鍵（如C-C鍵、C-H鍵、Si-O鍵等）的鍵能有所差異，但絕大部分化學(xué)鍵的鍵能是分子鍵的104～106倍，所以結(jié)構(gòu)力學(xué)中的壓力、拉力等作用，基本無法破開化學(xué)鍵，該研究僅考慮分子鍵的破潰可能。復(fù)合材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際影響，是將相當(dāng)一部分分子鍵連接轉(zhuǎn)化成了負(fù)荷材料纖維內(nèi)部的化學(xué)鍵，足以提升混凝土材料的穩(wěn)定性，增加其力學(xué)性能[11-12]。

從微分子尺度分析中可以發(fā)現(xiàn)，不論何種高分子纖維材料，不僅僅是該研究中使用的聚酯纖維材料，其對(duì)混凝土改性過程的促進(jìn)原理基本相同，均為將混凝土材料中的大量分子鍵轉(zhuǎn)化成C鏈中的化學(xué)鍵，增加混凝土材料的穩(wěn)定性，所以，更細(xì)的高分子纖維材料在理論上可以發(fā)生更多分子間接觸，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的改性性能。選擇不同的高分子復(fù)合纖維材料，主要考察其最小工藝直徑是否能達(dá)到更細(xì)纖維的工藝要求。

2.2 長纖維合成復(fù)合材料纖維的弊端

在更大尺度上，因?yàn)檫^長的復(fù)合材料纖維容易在混凝土拌和及固化過程中接團(tuán)或者結(jié)縷，造成微觀結(jié)構(gòu)上的局部不勻稱性。且混凝土澆筑過程中，過長的復(fù)合材料纖維容易形成氣泡、裂隙等振動(dòng)成型瑕疵，混凝土施工難度加大，造成混凝土筑塊的實(shí)際穩(wěn)定性受到影響。裂隙和氣泡對(duì)混凝土筑塊的結(jié)構(gòu)力學(xué)影響，同樣表現(xiàn)為分子鍵的形成過程。在氣泡和裂隙中，因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)中大量分子之間無法有效接觸，難以形成分子鍵連接，導(dǎo)致材料中分子鍵密度顯著下降，最終導(dǎo)致混凝土材料雖然加入了較長的長纖維復(fù)合材料纖維，其實(shí)際力學(xué)特征反而表現(xiàn)為下降。

當(dāng)前混凝土材料的施工工藝，多為鑄模、澆筑、振動(dòng)、成型、養(yǎng)護(hù)的過程。該工藝過程允許使用的最長復(fù)合材料纖維約為40mm，更長的纖維則會(huì)在當(dāng)前施工工藝中形成大量氣泡、裂隙結(jié)構(gòu)，影響混凝土結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性，進(jìn)而影響其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。上述微分子視角分析中，復(fù)合材料纖維的加入目的，本身是改變混凝土材料的“各向同性”，增加其“各向異性”，利用纖維材料與混凝土顆粒之間的分子鍵-化學(xué)鍵體系，使其形成微觀上的長帶型結(jié)構(gòu)，增加混凝土材料的微觀抗拉性能，防止壓力作用下混凝土材料的法向崩壞。但如果加入過長的纖維材料，在混凝土材料中形成裂隙和氣泡，則會(huì)嚴(yán)重破壞這些長帶型結(jié)構(gòu)之間的分子鍵聯(lián)系，反而導(dǎo)致混凝土材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)環(huán)境破壞。

3 結(jié)語

仿真實(shí)驗(yàn)中選擇長度40mm直徑0.3mm的聚酯纖維作為混凝土加固復(fù)合材料，加入比例為質(zhì)量比1:500，體積比1:30，可以讓混凝土材料的抗壓特征提升17.4%，抗拉特征提升150.7%。從高分子材料的微分子結(jié)構(gòu)分析，加入高分子纖維材料的實(shí)際微分子結(jié)構(gòu)力學(xué)表達(dá)，是將大量低鍵能的分子鍵轉(zhuǎn)化為高鍵能的化學(xué)鍵，部分連接鍵鍵能提升104～106倍，這一過程可以大幅度提升混凝土材料的穩(wěn)定性。但是，加入長度過長的聚酯纖維，會(huì)在當(dāng)前工藝下產(chǎn)生氣泡和裂隙，導(dǎo)致混凝土材料結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的下降。后續(xù)研究應(yīng)側(cè)重高分子合成復(fù)合材料在混凝土中應(yīng)用的施工工藝研究，如果更長的合成材料纖維不會(huì)在施工工藝中產(chǎn)生氣泡、裂隙等瑕疵，在理論上可以為混凝土材料提供更優(yōu)越的改性特征。