劉凱亮，康洪震,2

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

1 概述

混凝土是現(xiàn)在工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的原材料，有強(qiáng)度高、剛度大、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地的大壩、橋梁、碼頭、隧道、高速公路等建筑中被廣泛應(yīng)用，但由于其抗拉強(qiáng)度低、韌性差、容易出現(xiàn)裂縫等缺點(diǎn)限制了其進(jìn)一步的大規(guī)模發(fā)展。纖維由于具有良好的抗彎曲、增韌特點(diǎn)，纖維混凝土開始投入了使用?？沽牙w維與結(jié)構(gòu)增強(qiáng)纖維是其兩種不同的應(yīng)用類型，結(jié)構(gòu)纖維實(shí)際應(yīng)用主要以鋼纖維為主，而有機(jī)合成纖維多為抗裂纖維[1]。因此，纖維混凝土對于傳統(tǒng)混凝土可以提高其各項(xiàng)力學(xué)性能，有力地促進(jìn)了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。

2 纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理

關(guān)于纖維對混凝土的增強(qiáng)作用機(jī)理，最早的是1964年Romualdi等[2]基于線彈性斷裂力學(xué)理論提出的纖維間距理論，由于混凝土內(nèi)部的裂紋尖端應(yīng)力過度集中而導(dǎo)致的破壞為混凝土的破壞原因所在。因此，纖維的最佳間距可以通過減少裂紋尖端應(yīng)力值來計(jì)算出。在混凝土內(nèi)部認(rèn)定纖維為亂向分布的條件下，纖維的內(nèi)徑大小與體積摻量為纖維內(nèi)部最優(yōu)間距的兩個影響因素。

而復(fù)合材料力學(xué)理論[3]，此理論由1975年Naaman提出，認(rèn)為纖維與基體之間有著很強(qiáng)的黏結(jié)力，這就使得混凝土在發(fā)生變形時無法產(chǎn)生相對滑移現(xiàn)象，此理論把纖維混凝土認(rèn)定為理想彈性體，混凝土所受外力的方向只能分布在沿纖維長度方向，那么纖維與混凝土兩者就擁有相同的縱橫向變形，最后基于受纖維取向、尺度和黏結(jié)力多重影響的纖維亂向分布系數(shù)，分情況進(jìn)行計(jì)算。

3 纖維混凝土斷裂特性研究現(xiàn)狀

3.1 宏觀試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

近年來許多的專家學(xué)者基于三點(diǎn)彎曲梁法下的混凝土切口梁進(jìn)行斷裂試驗(yàn)，從不同的試驗(yàn)角度出發(fā)探究摻加纖維后對混凝土斷裂特性的影響，現(xiàn)總結(jié)如下：

為研究定向鋼纖維層厚對地質(zhì)聚合物復(fù)合梁抗彎性能的影響，張偉杰等[4]通過三點(diǎn)彎曲梁法制備了不同纖維層厚的復(fù)合梁。結(jié)果隨著層厚的不斷增加，試件的斷裂能呈逐漸增大的趨勢，較空白試樣最多提高了55倍，且斷裂能增長速度隨纖維層厚度增大呈先快后慢趨勢。徐平等[5]研究了不同鋼纖維體積摻量對單邊切口三點(diǎn)彎曲高強(qiáng)混凝土斷裂能的影響，結(jié)果表明：鋼纖維的摻入能顯著提高其斷裂能，但摻入量越大其斷裂能增長速度越慢。丁亞紅等[6]通過三點(diǎn)彎曲梁法對高性能纖維混凝土斷裂性能進(jìn)行了宏觀試驗(yàn)，最后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙K斷裂參數(shù)計(jì)算，結(jié)果在鋼纖維摻量為2%和4%時，高性能混凝土的雙K斷裂參數(shù)韌度值分別是空白素混凝土的9.5倍和10.6倍。

混凝土的斷裂性能受到纖維摻量影響，劉瑞[7]通過試驗(yàn)研究了摻加硅灰后鋼纖維-水泥石界面黏結(jié)性能及對混凝土斷裂性能的影響，結(jié)果表明：在摻入硅灰后，降低了混凝土的脆性，使得基體變得更脆，鋼纖維拔出時消耗的能量變低，界面黏結(jié)性能降低，在一定程度上鋼纖維提高斷裂能的能力變低。趙亞偉[8]基于雙K斷裂模型，采用雙摻碳酸鈣和玄武巖纖維制備混凝土研究其斷裂特性。結(jié)果雙摻此兩種材料可在不同程度上提升材料的雙K斷裂韌度，在碳酸鈣摻量為2%，纖維長度為3 mm、摻量0.2%時，此類型混凝土增韌阻裂效果最佳。他還基于蒙特卡羅方法，從內(nèi)聚力單元牽引-分離原則細(xì)觀層次對混凝土斷裂破壞進(jìn)行模擬，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配程度較高。張鵬等[9]研究了納米二氧化硅粒子、鋼纖維雙摻對三點(diǎn)彎曲梁法下的混凝土斷裂特性研究，結(jié)果隨著二氧化硅粒子的摻量增大，斷裂能逐漸增大，但超過5%逐漸降低，鋼纖維在摻量低于2%時斷裂能隨摻量的增大逐漸增大，超過2%則下降。

而對于纖維種類及混合使用對混凝土斷裂性能的影響，鄧宗才等[10]研究了集束型玻璃纖維混凝土與鋼纖維混凝土和聚烯烴纖維混凝土斷裂特性的不同影響，結(jié)果顯示，當(dāng)纖維摻率同為0.45%時，玻璃纖維混凝土與鋼纖維混凝土接近，當(dāng)摻率同為0.75%時，玻璃纖維的斷裂韌度明顯低于聚乙烯烴纖維，說明玻璃纖維抑制裂縫能力較強(qiáng)。高化東[11]選擇以單摻和混摻鋼纖維和聚丙烯纖維到RAC再生混凝土中，探究纖維摻量以及方式對其力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示，鋼纖維體積摻量為1.5%、聚丙烯體積摻量為0.9%時，RAC試件的斷裂能最好。夏冬桃等[12]通過對體積摻量不超過1%的混雜纖維高性能混凝土進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果混雜纖維的摻入大幅度提高了混凝土的斷裂能，最大提高了6.98倍，且荷載撓度曲線與荷載-CMOD曲線走勢相似，均大于素混凝土，具有良好的韌性。朱洪波等[13]采用長度為4.7 cm，5.6 cm和6.5 cm的合成纖維并以5 kg/m3的摻量配制了C40混凝土，結(jié)果表明合成纖維混凝土可明顯提高斷裂能，其作用高于同體積摻量的鋼纖維，并且中等長度的合成纖維作用更加明顯。韓菊紅等[14]研究了不同鋼纖維體積摻量及不同鋼纖維長度混雜使用下的鋼纖維二級配混凝土斷裂特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入鋼纖維后，二級配混凝土延性更好，當(dāng)體積摻量為1.2%，長纖維占比50%時，斷裂韌度值提升明顯，而斷裂能提升最佳纖維摻量為鋼纖維體積1.2%，長纖維占比65%。楊光耀[15]在宏觀試驗(yàn)部分研究了纖維的尺寸、形狀、類型三者為變量的情況下UHPC混凝土的斷裂性能情況，最終試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度等級不同的UHPC與鋼纖維黏結(jié)性能最好，其斷裂韌性優(yōu)于其他類型的纖維，而形狀異型的鋼纖維與混凝土的黏結(jié)又優(yōu)于平直型，低強(qiáng)度的UHPC易于與長纖維黏結(jié)，高強(qiáng)度則恰恰相反。

最后從不同的試驗(yàn)條件下，丁明冬[16]研究了高溫作用下聚丙烯纖維和塑鋼混雜纖維混凝土的斷裂特性。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，各種配比摻纖維的混凝土脆性不斷降低，韌性相對提高。在200 ℃～700 ℃范圍內(nèi)，塑鋼混雜纖維混凝土起裂韌度與失穩(wěn)韌度均大于聚丙烯纖維混凝土，說明在混凝土中加入聚丙烯纖維會降低其失穩(wěn)韌度值。宋博[17]也在高溫條件下研究了玄武巖纖維混凝土的斷裂特性，其結(jié)果表明玄武巖纖維對混凝土的起裂斷裂韌度幾乎無影響，而失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能隨體積摻量的增大呈現(xiàn)先增大后降低趨勢。而李林澤[18]在凍融循環(huán)的試驗(yàn)環(huán)境下，制作了鋼纖維混凝土，其纖維體積摻量為0.25%，0.5%，0.75%，聚丙烯纖維混凝土摻量與其相同，結(jié)果表明鋼纖維與結(jié)構(gòu)型聚丙烯纖維的加入對韌性的影響與凍融循環(huán)次數(shù)的增加成正比，各組試件比例極限彎矩、比例極限荷載均發(fā)生一定程度的下降。王輝明等[19]通過軟件數(shù)值模擬了纖維在不同摻雜方向下的鋼纖維混凝土梁抗彎試驗(yàn)，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較后，結(jié)果表明，鋼纖維定向布放可以大幅度提高混凝土抗彎性能及斷裂過程阻裂增韌效果。

3.2 微觀試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

除了通過宏觀試驗(yàn)部分探究纖維混凝土斷裂特性以外，近幾年許多學(xué)者開始從微觀角度出發(fā)研究其斷裂特性，微觀是從更細(xì)化的材料組成方面入手進(jìn)行分析，對宏觀試驗(yàn)結(jié)果可以起到一定的驗(yàn)證作用，使纖維混凝土斷裂特性的研究更加全面。

高化東從微觀角度通過掃描電鏡觀察其微觀斷裂面形貌，結(jié)果摻入纖維的RAC與素RAC相比，結(jié)構(gòu)更加緊密，其空隙、裂縫較少，而且纖維呈亂向分布狀態(tài)，這就更加證實(shí)了宏觀部分的試驗(yàn)現(xiàn)象，骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)更加緊密，幾乎無裂縫和孔隙，說明纖維的摻入抑制了裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[20]。

李林澤首先對凍融循環(huán)作用下的纖維混凝土斷裂面進(jìn)行了3D掃描試驗(yàn)，然后通過繪圖軟件對其表面進(jìn)行了3D重構(gòu)，分析斷裂面的形態(tài)變化。結(jié)果顯示，凍融循環(huán)次數(shù)越多，斷裂面越不平整，鋼纖維混凝土的斷裂面粗糙程度大于聚丙烯纖維混凝土。

楊光耀則從微觀角度出發(fā)研究了纖維與水泥漿體間的界面過渡區(qū)特性，通過掃描電鏡對其斷裂面進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)界面區(qū)存在大量的CH晶體，且其呈取向性，加大了過渡區(qū)的薄弱性，另通過壓汞試驗(yàn)對其孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼纖維與水泥漿體的過渡區(qū)孔隙率要小于聚丙烯纖維，但大于水泥漿體孔隙率。

楊富花等[21]通過掃描電鏡(SEM)和X射線能譜分析對不同聚甲醛POM纖維體積摻量的GRC進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)觀測，根據(jù)纖維間距理論、復(fù)合材料理論及纖維混凝土損傷理論對其增韌機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:POM纖維在GRC中分布均勻，形成無規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過橋聯(lián)搭接作用增強(qiáng)了GRC的力學(xué)性能;當(dāng)GRC試件受力破壞時，POM纖維的斷裂、撥出和剝離行為分散和吸收了裂紋處的斷裂能，可以有效阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)張。

4 纖維混凝土工程實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀

我國關(guān)于纖維混凝土的研究近幾年發(fā)展十分迅速，有許多工程實(shí)例已運(yùn)用到纖維混凝土，對建筑結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定有了很大的提升。

上海地鐵建設(shè)公司與同濟(jì)大學(xué)的纖維混凝土相關(guān)研究學(xué)者研究了鋼纖維混凝土管片的實(shí)際應(yīng)用情況[22]，他們通過在上海M6地鐵線實(shí)際制作試驗(yàn)區(qū)，在運(yùn)行過程中觀察管片位移等數(shù)據(jù)變化情況，最終發(fā)現(xiàn)此材料性能良好，安全可靠。而在其他領(lǐng)域纖維混凝土也應(yīng)用情況良好，北京建工四建的馬小軍等[23]研究了緊靠黃河邊的通訊樓工程纖維混凝土具體應(yīng)用情況，此工程緊鄰黃河邊，是省級重點(diǎn)項(xiàng)目，但由于特殊的位置與環(huán)境因此地下結(jié)構(gòu)的抗裂性、抗?jié)B性要求很高，他們把聚丙烯纖維摻入到混凝土中制作纖維混凝土并投入實(shí)地運(yùn)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其抗裂與抗?jié)B性能相比普通混凝土有了很大的改善與提高。

5 結(jié)論及展望

本文通過綜述近幾年關(guān)于纖維混凝土增強(qiáng)斷裂韌性這一方面的研究，發(fā)現(xiàn)近幾年我國通過科研人員努力，已經(jīng)取得了一定的成果，但還是存在一些問題需要進(jìn)一步的研究：

1)纖維材料對于混凝土斷裂工作性能的影響與纖維摻量、纖維的種類、纖維長度、比重以及配合比中的粗細(xì)骨料的占比等因素均相關(guān)。

2)目前的研究主要還是采用單一纖維或摻其余材料等來增強(qiáng)混凝土的斷裂性能，混雜纖維若想大規(guī)模投入研究并實(shí)際應(yīng)用，還需形成系統(tǒng)的理論和增強(qiáng)機(jī)理來為此提供有力地支持。

3)微觀結(jié)構(gòu)分析從材料的界面結(jié)構(gòu)出發(fā)研究纖維混凝土增強(qiáng)斷裂特性的作用機(jī)理，更加印證了宏觀試驗(yàn)部分的結(jié)論，進(jìn)一步完善了纖維增強(qiáng)混凝土斷裂特性的理論和試驗(yàn)研究，但微觀樣品取樣時會存在一些問題，如何使選取的斷裂面樣品更具有代表性仍需探究。

4)關(guān)于裂縫寬度及控制方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究及全固廢等再生混凝土中添加纖維研究其斷裂特性的研究較少，應(yīng)進(jìn)一步完善其性能，提高資源利用率，響應(yīng)國家號召。

5)纖維種類較少，目前的應(yīng)用主要為鋼纖維，但鋼纖維造價(jià)較高不利于工程實(shí)際應(yīng)用，另還需提高施工工藝保證纖維摻入的均勻性。