宋哲生 王 鈞 李明釗

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

水泥混凝土路面作為一種重要的路面結(jié)構(gòu)形式，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，一直以來在世界各國得到廣泛應(yīng)用。我國水泥混凝土路面使用起步較晚，但近年來發(fā)展速度十分迅猛。據(jù)統(tǒng)計，截止到2015年年底，全國水泥混凝土路面總里程已達(dá)204.63萬km2。但與發(fā)達(dá)國家相比我國水泥混凝土路面主要應(yīng)用于低等級公路，且部分水泥混凝土路面的使用壽命遠(yuǎn)低于其設(shè)計壽命，這主要與水泥混凝土是一種脆性材料的特性有關(guān)。有研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化在其服役期內(nèi)均與混凝土材料的脆性開裂特征緊密相關(guān)[1]?；炷两Y(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)、溫度變化和荷載等因素的共同作用下，結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力較大的部位極易產(chǎn)生脆性開裂。隨著裂紋的增加和裂縫寬度的不斷增長，混凝土路面的耐久性能也不斷劣化。

試驗(yàn)研究表明，混凝土的滲透系數(shù)與裂紋寬度有關(guān)，開裂混凝土的滲透性顯著大于非開裂混凝土[2]。此外，路面基層的早期裂縫也是水泥混凝土路面抗疲勞性能弱化的主要原因[3]，因此混凝土的開裂將嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的長期使用性。為了改善水泥混凝土路面的耐久性能，在混凝土中摻加纖維是當(dāng)前工程界普遍采用的方法。現(xiàn)階段常見的纖維混凝土大多采用單摻纖維體系，通過不同特性的纖維改善混凝土基材的性能。其中較為常見的纖維材料包括鋼纖維、碳纖維和聚丙烯纖維。不同的纖維因其不同的材料特性在混凝土中起到的作用也不盡相同。但混凝土路面的使用環(huán)境較為復(fù)雜，對纖維混凝土性能的要求是多方面的，且混凝土裂縫的擴(kuò)展過程由細(xì)觀到宏觀跨越多個尺度，單一纖維在混凝土開裂過程中的作用相對有限。因此，國內(nèi)外學(xué)者開始嘗試采用不同力學(xué)特性、不同尺寸的纖維進(jìn)行混摻，以期進(jìn)一步優(yōu)化混凝土材料的性能。

纖維混雜作為目前纖維混凝土新的研究方向，國內(nèi)外學(xué)者在力學(xué)性能及耐久性方面對不同纖維混雜的混凝土材料進(jìn)行了研究并取得相應(yīng)成果。本文基于混雜纖維對混凝土路用性能改善的闡述與分析，為混雜纖維在路用混凝土中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 力學(xué)性能

1975年英國學(xué)者Walton等[4]在混凝土中將有機(jī)纖維和無機(jī)纖維混雜是最早有關(guān)混雜纖維混凝土性能的研究。之后，混雜纖維改善混凝土性能的研究得到快速發(fā)展。目前纖維混雜方式主要分為三種[5,6]：不同尺寸纖維的混雜、不同本構(gòu)關(guān)系纖維的混雜以及基于纖維不同功能的混雜。同時，這三種混雜方式可同時存在?；谶@三種不同形式的纖維混雜，國內(nèi)外學(xué)者對混雜纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)。

Park等[8]將不同尺寸的鋼纖維混摻，研究混摻纖維水泥基復(fù)合材料抗拉力學(xué)行為。結(jié)果表明，盡管小尺寸纖維可以改善混雜體系的應(yīng)變硬化和多點(diǎn)開裂特征，但軸拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀主要受大尺寸纖維控制。隨著纖維摻量增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變逐漸提高，微裂紋數(shù)量顯著增加，混凝土呈塑性破壞形態(tài)。

Ahmed等[9]將不同尺寸的聚乙烯醇纖維混摻，研究混摻纖維增強(qiáng)砂漿抗彎力學(xué)性能。結(jié)果表明，大尺寸纖維主要控制材料的變形性能，而小尺寸纖維主要控制材料的強(qiáng)度。同時，通過纖維混雜，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了材料的應(yīng)變硬化和多點(diǎn)開裂，但對混凝土強(qiáng)度的影響總體不大。

武漢大學(xué)的徐禮華等[10]進(jìn)行了混雜鋼纖維與聚丙烯纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土受拉過程中，混雜纖維的增強(qiáng)效果呈現(xiàn)出逐級阻裂的特點(diǎn)，纖維增強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)明顯的塑性破壞特征。其中，混凝土的極限強(qiáng)度隨鋼纖維長徑比的提高不斷提升，而聚丙烯纖維在改善混凝土的脆性，提高混凝土的延性方面發(fā)揮了重要作用。

國內(nèi)外學(xué)者對混雜纖維混凝土力學(xué)性能的研究普遍顯示：不同尺寸的同種纖維材料混摻時，大尺寸纖維有利于提高混凝土的抗拉和抗折強(qiáng)度，小尺寸纖維則有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；不同彈性模量的纖維混摻時，高彈模的纖維對混凝土的強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，低彈模的纖維對混凝土強(qiáng)度影響較小，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

3 阻裂增韌性能

纖維阻裂作用機(jī)理目前主要包括兩種理論：復(fù)合材料理論和纖維間距理論。復(fù)合材料理論認(rèn)為混凝土作為一種非勻質(zhì)材料，在荷載作用下，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限即出現(xiàn)裂縫。摻加纖維后，可以約束混凝土的收縮變形，分擔(dān)混凝土的應(yīng)力，推遲裂縫出現(xiàn)的時間。纖維間距理論則提出當(dāng)混凝土內(nèi)微裂縫產(chǎn)生并向任意方向延伸時，在不超過纖維平均中心距的范圍內(nèi)存在一根纖維，并阻止裂縫的發(fā)展?；谶@兩種理論，國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行了大量摻加單一纖維混凝土抗裂性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對混雜纖維混凝土的阻裂增韌效應(yīng)進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。

Hsie等[11]將不同尺寸的聚丙烯纖維混雜以研究混凝土韌性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，混雜聚丙烯纖維能有效抑制混凝土的干燥收縮，但對混凝土開裂后韌性的提升幅度較小，且對抗彎強(qiáng)度的影響不大。由于纖維總摻量較低(1.0%附近)，混雜纖維混凝土仍然表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征。

Cominoli等[12]研究了不同尺寸鋼纖維混雜對混凝土的阻裂作用。研究表明，小尺寸鋼纖維僅能抑制在一定寬度范圍內(nèi)的裂縫擴(kuò)展，對混凝土后期的韌性提升效果有限，而大尺寸纖維則能有效抑制較大寬度裂縫的發(fā)展。

劉思國等[13]研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維的混雜對自密實(shí)混凝土早期約束收縮的影響。結(jié)果表明，相對于單摻纖維，混雜纖維具有更加優(yōu)異的限縮和抗裂能力。其中，聚丙烯纖維對早期塑性收縮的限制效果更明顯，但隨著基體強(qiáng)度的增加，玻璃纖維的阻裂能力愈加明顯。

4 抗凍性能

對于水泥混凝土路面，凍融破壞能夠引起混凝土表面出現(xiàn)微裂縫，并使裂縫逐漸向內(nèi)部延伸，導(dǎo)致混凝土表層剝落，最終造成路面板斷裂?；炷恋膬鋈谄茐闹饕c其內(nèi)部的毛細(xì)水和凝膠水有關(guān)。毛細(xì)水結(jié)冰后體積膨脹，擠壓毛細(xì)孔在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力；凝膠水雖不結(jié)冰，但在凍融條件下會產(chǎn)生較大的滲透壓。在凍脹力和滲透壓的共同作用下，混凝土內(nèi)產(chǎn)生微裂縫并逐步延伸，導(dǎo)致混凝土凍融破壞。為提高混凝土的抗凍性能，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量混雜纖維對混凝土抗凍性能影響的試驗(yàn)。

趙兵兵等[14]采用慢凍法研究了混雜玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混凝土的抗凍性能。研究結(jié)果顯示，混雜纖維有利于改善混凝土基體的抗凍性。其中，聚丙烯纖維主要通過限制混凝土初裂縫的形成來改善混凝土的抗凍性。玄武巖纖維則主要通過抑制大尺寸裂縫的發(fā)展，抵抗凍融產(chǎn)生的膨脹壓力和滲透壓力。因此，兩種纖維在不同階段共同作用，提高混凝土的抗凍性。

李燕等[15]采用慢凍法測得不同凍融循環(huán)后鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土抗壓強(qiáng)度值和凍融循環(huán)數(shù)量呈正比例關(guān)系。試驗(yàn)同時建立了精度較高的鹽凍條件下混凝土強(qiáng)度衰減模型。

5 疲勞強(qiáng)度

疲勞強(qiáng)度是混凝土路面設(shè)計及其性能表現(xiàn)的一個關(guān)鍵指標(biāo)?；炷恋钠谄茐氖怯捎谠谄谧饔孟缕鋬?nèi)部的損傷不斷積累造成的。混凝土路面在硬化過程中不可避免會產(chǎn)生一些初始缺陷，在車輛循環(huán)荷載的作用下，由于原始缺陷的存在，缺陷處的損傷不斷累積，開裂韌度不斷降低并達(dá)到一定界限后初始缺陷將穩(wěn)定發(fā)展，直至新的損傷區(qū)附近的混凝土又以較高的抗裂韌度阻止已有裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展,于是就開始了新一輪的損傷積累。上述過程不斷循環(huán)，終于在疲勞應(yīng)力作用累計到一定程度后導(dǎo)致破壞[16]。目前，部分學(xué)者采用摻加混雜纖維的方式，提高混凝土的疲勞強(qiáng)度，延長混凝土路面的使用壽命。

華淵等[17]將碳纖維和聚丙烯纖維混摻入混凝土中，觀察了混雜纖維混凝土在疲勞作用下內(nèi)部的損傷發(fā)展規(guī)律，并建立了相應(yīng)的疲勞損傷模型。研究結(jié)果表明，混雜纖維加入混凝土中，由于纖維能夠延緩裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，混凝土的疲勞強(qiáng)度得到提升，疲勞變形性能也得以大大改善。

Singh[18]研究了混雜鋼纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎疲勞強(qiáng)度，并利用疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為混雜纖維混凝土生成了S-N-Pf曲線族，確定了疲勞應(yīng)力水平、疲勞壽命和失效概率之間的關(guān)系，得到了含不同比例鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土疲勞方程，并用以預(yù)測混凝土的疲勞壽命。結(jié)果顯示，混雜纖維有利于提高混凝土的疲勞強(qiáng)度。

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混雜纖維混凝土疲勞強(qiáng)度的研究顯示，在疲勞加載過程中，混雜纖維混凝土的裂縫擴(kuò)展普遍具有“潛伏期現(xiàn)象”。素混凝土的疲勞應(yīng)變變化規(guī)律具有很明顯的三段式發(fā)展特征。其中，第二階段即應(yīng)變穩(wěn)定發(fā)展階段持續(xù)時間最長，約占混凝土疲勞壽命周期的70%左右。與素混凝土相比，混雜纖維混凝土同樣具有上述特征，但第一階段即內(nèi)部損傷形成階段相對更短，第二階段則達(dá)到90%左右。第二階段的大部分能量由微觀裂縫間的纖維吸收。因此，混雜纖維可以延緩疲勞損傷的積累速率，抑制裂縫的發(fā)展，從而提高混凝土的疲勞強(qiáng)度。

6 結(jié)語

混雜纖維混凝土作為纖維混凝土的主要研究方向之一，大量的研究結(jié)果顯示，混雜纖維有利于提高混凝土的抗凍性、抗裂性和耐疲勞性等路用性能。通過兩種或兩種以上不同尺寸、不同本構(gòu)關(guān)系的纖維混雜，可以在混凝土使用的不同階段、不同結(jié)構(gòu)層次發(fā)揮各自纖維的作用，以達(dá)到正混雜效應(yīng)，改善混凝土的性能。

但目前混雜纖維混凝土的研究依然存在一些局限?，F(xiàn)階段，大部分的混雜纖維試驗(yàn)依然集中于普通混凝土中，高強(qiáng)高性能混凝土的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對混雜纖維的作用效應(yīng)具有何種影響需要進(jìn)一步探討。此外，目前的混雜纖維研究多集中于宏觀纖維之間的混雜，納米技術(shù)發(fā)展至今，已在材料工程中得到大量應(yīng)用，并展現(xiàn)了極具發(fā)展?jié)摿Φ臓顟B(tài)。因此，研究納米級纖維與其他纖維混雜增強(qiáng)混凝土的性能對混凝土材料進(jìn)一步發(fā)展也將極具現(xiàn)實(shí)意義。