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        超高性能纖維增強混凝土中纖維作用綜述

        2020-02-28 04:10:48陳寶春林毅焌黃卿維余新盟
        福州大學學報(自然科學版) 2020年1期
        關鍵詞:長徑鋼纖維韌性

        陳寶春, 林毅焌, 楊 簡, 黃卿維, 黃 偉, 余新盟

        (1. 福州大學土木工程學院, 可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350108; 2. 福州大學土木工程學院, 先進土木工程材料研究中心, 福建 福州 350108; 3. 東莞理工學院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院, 廣東 東莞 523808)

        0 引言

        混凝土是當今用量最大的建筑材料, 隨著科技發(fā)展與社會進步, 對其抗壓強度和耐久性要求不斷提高, 從普通混凝土向高性能和超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)發(fā)展. 與此同時, 在混凝土中加入纖維以改善其脆性大、 抗拉強度低等缺點的纖維增強混凝土(fiber reinforced concrete, FRC)也在不斷發(fā)展之中. 本研究討論的超高性能纖維增強混凝土(ultra-high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC), 既是UHPC中的一種, 也是FRC的一種[1].

        用于FRC的纖維種類很多, 按材質可分為金屬纖維(主要有鋼纖維)、 無機纖維(如玻璃纖維、 碳纖維、 玄武巖纖維)以及有機纖維(如聚乙烯纖維、 聚丙烯纖維等); 按彈性模量又可分為高彈性模量纖維(如鋼纖維、 玻璃纖維、 碳纖維、 玄武巖纖維)和低彈性模量纖維(如有機纖維). 高彈性模量纖維的剛度大于混凝土, 基體產(chǎn)生微裂縫后, 纖維開始受力, 分擔混凝土所受應力, 提高材料強度. 纖維剛度越大, 強度提高越明顯; 低彈性模量纖維的剛度小于混凝土, 受力一般在混凝土開裂之后, 主要用于提高材料延性[2].

        鋼纖維彈模的抗拉強度高、 綜合性能較佳是UHPFRC中最常用的纖維. 因此從一開始鋼纖維在UHPFRC中增強增韌作用的研究就得到重視. 由于實際工程對材料的功能要求不盡相同, 其他種類纖維對UHPFRC材料性能的影響也得到了一定的研究. 本研究對鋼纖維與其他纖維在UHPFRC中的作用研究進行綜述. 纖維不僅影響材料的力學性能, 也影響混凝土拌合物的工作性能, 纖維材料費用還是UHPFRC的控制性因素. 不同(類型和規(guī)格)纖維對UHPFRC增強增韌效果不同, 混摻得到性能優(yōu)于單摻纖維(正混雜效應)[3], 成為許多研究者追求的目標. 鑒于此, 本研究將對這方面的理論進行系統(tǒng)分析和整理.

        總之, 將UHPFRC看成由基體和纖維兩相材料組成的材料, 開展纖維在UHPFRC中作用的研究, 是UHPFRC研究的熱點與難點. 希望本綜述有助于推動UHPFRC材料學研究的深入并促進工程應用的推廣.

        1 鋼纖維

        1.1 基本作用

        1.1.1抗拉強度

        抗拉強度低是混凝土材料的主要缺點. 雖然UHPC基體的抗拉強度可達 5 MPa 以上, 比普通混凝土有很大的提高. 然而其拉壓比并無根本性改變, 一般仍維持在 0.1~0.2之間. 同時, UHPC基體抗壓、 抗拉的脆性問題愈顯突出, 因此普遍采用纖維增強增韌, 也即成為UHPFRC. 雖然, 近年來UHPC術語的應用越來越多, 但日本、 法國、 瑞士的指南或規(guī)范以及大量的文獻仍采用UHPFRC這個術語, 不用UHPC, 認為無纖維的UHPC不宜用于實際工程[1].

        UHPFRC中使用的鋼纖維一般為微細鋼纖維, 其抗拉強度很高(一般達 2 000 MPa及以上). 大量的直拉實驗表明: UHPFRC受拉時, 當拉應力超過其開裂強度后, 基體出現(xiàn)第一條裂紋. 纖維的橋接作用會抑制裂紋寬度的擴展從而在其他地方出現(xiàn)第二條裂紋, 繼而第三條、 第四條, 直到應力將某條裂紋中的纖維從基體中拔出, 構件才受拉破壞[4]. 因此, UHPFRC受拉存在應變硬化與類塑性的現(xiàn)象, 其強度指標有開裂強度與抗拉(極限)強度兩個. 抗拉強度和韌性的提高, UHPFRC在結構受力中抗拉能力得以發(fā)揮. 在設計計算中加以考慮, 這也是與普通混凝土最主要的區(qū)別之一(普通混凝土在設計計算中一般不考慮抗拉強度).

        研究發(fā)現(xiàn)纖維沿著受拉方向布置時抗拉強度最大, 比自然分布高45%, 垂直方向強度最低, 這說明纖維分布對UHPFRC強度有較大的影響[5-6]. 關于纖維分布取向對超高性能混凝土抗拉強度等性能的影響較少, 需要進一步探究.

        尤其鋼纖維摻量在0%~3%時, 隨著摻量的增大, UHPFRC抗拉性能遞增, 而3%后基本沒有提高[7], 摻量太大會導致造價上升且嚴重影響其流動性等問題[3, 8-11]. 實際工程常用的摻量范圍在2%~3%.

        1.1.2抗壓強度

        抗壓強度是混凝土最基本力學性能. 無纖維的UHPC受壓破壞時呈爆炸或類似爆炸狀態(tài), 纖維的摻入使這種脆性破壞現(xiàn)象得到極大改善[12]. 同抗拉強度一樣, 纖維摻量的提高, 一開始會提高抗壓強度, 隨后纖維摻量的增加會增大其不利的影響. 以常用的長度 13 mm、 直徑 0.2 mm鋼纖維為例, 摻量在0.5%~3%之間時, 纖維三維亂向分布形成了纖維網(wǎng)骨架, 限制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展. 隨摻量增加, 強度提高, 纖維摻量大于3%左右時, 易出現(xiàn)纖維分布不均勻, 會降低纖維與基體粘結強度, 增加混凝土中空隙數(shù)量, 其強度反而隨著摻量的增加而降低, 3%摻量稱其為轉折點. 不同鋼纖維轉折點不同, 如長度1 mm、 直徑0.2 mm鋼纖維的轉折點為7%, 長度30 mm約為5.5%[3,13-15]. 轉折點在工程上具有重要的意義, 影響因素也較多, 是一個值得研究的問題.

        1.1.3韌性與阻裂

        韌性是指材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力, 是延性和強度的綜合, 可以用應力-應變曲線下包圍的面積表示, 即斷裂能. 鋼纖維的摻入對提高混凝土韌性效果十分明顯, UHPFRC斷裂能一般在18 kJ·m-2以上, 比不摻纖維UHPC至少高出100%. 隨纖維摻量增加, 增韌效果遞增[4].

        混凝土開裂是構件失效的主要原因, 鋼纖維摻入可以阻止裂縫的產(chǎn)生和擴展. 鋼纖維對抑制裂縫的發(fā)展效果顯著, 對阻止初始微裂縫的產(chǎn)生作用不大[10]. 目前出現(xiàn)了一種非晶體鋼纖維(AMF), 呈細小長方形, 其與基體粘結強度很大, 對UHPFRC早期開裂阻止效果較強. 但其抗拉強度較弱, 纖維在被拔出基體之前斷裂, 無法有效抑制裂縫后期發(fā)展[16-17]. 所以, 如何同時提高纖維增強初裂強度和抗拉極限強度, 是一個難點, 也是今后研究的一個重點.

        1.1.4工作性能

        鋼纖維摻入會降低拌合物的流動性和纖維分布的均勻性, 影響工作性能, 隨摻量提高不斷加深. 因此, 實際工程中鋼纖維的摻量一般在5%以下, 以2%~3%最為常見[13].

        1.1.5收縮

        纖維對收縮性能的影響, 現(xiàn)有的研究存在著不同結論, 還需要深入分析. 鋼纖維的摻入可以分散毛細管的收縮應力, 有效緩解局部應力集中現(xiàn)象, 減小UHPFRC的收縮, 隨纖維摻量提高改善效果越好[7]. 而文獻[18]發(fā)現(xiàn)相比2%摻量鋼纖維, 3%材料的收縮僅降低1.5%, 提高幅度不大, 過多纖維可導致多孔薄弱界面區(qū)增加, 收縮抑制作用減小.

        相關學者研究了鋼纖維類型對收縮與徐變的影響, 結論是影響不明顯[19-23].

        1.1.6混凝土自愈合

        微裂縫寬度不超過0.3 mm, 大氣中的水分等成分滲透進混凝土, 在其中產(chǎn)生化學反應并生成物質填充間隙, 即自愈合能力.

        纖維有助于抑制微裂縫寬度, 有利于自愈合. 纖維摻量、 種類對自愈合影響規(guī)律需要進一步研究[24].

        1.2 鋼纖維參數(shù)

        1.2.1形狀

        鋼纖維形狀大致可分為圓直形、 波浪形、 波紋形(壓痕形)、 啞鈴形(扁頭形)、 端鉤形(弓形)、 螺紋形(扭曲形). 除了最常見的圓直形, 其余形狀的纖維(稱為異形鋼纖維) 與混凝土粘結強度較大, 形狀越曲折, 抑制微裂縫效果越強. 相比普通纖維, 雖然纖維形狀對其抗壓強度影響不大, 但是異形鋼纖維能更有效提高抗拉強度和韌性[25-30].

        在同等摻量和相同基體情況下, 扁頭形對抗拉強度提高最強, 其攪拌過程纖維分布均勻、 無結團現(xiàn)象. 端鉤形強度次之, 波紋形和端鉤形由于纖維形狀曲折使其與基體粘結強度較強, 與韌性提高相比其他形狀纖維更佳. 波紋形和端鉤形增韌效果存在爭議, 因此增韌效果最好的形狀須進一步研究; 抗壓方面, 波浪形提高效果最佳, 其次是扭曲形. 但波浪形抗拉強度和韌性提高相比扁頭形和端鉤形低[25-30]. 文獻[31]對圓直形、 端鉤形、 波浪形進行纖維拉拔試驗, 發(fā)現(xiàn)后兩種纖維和基體粘結強度分別比圓直形(14 MPa)約高出121%、 20%. 文獻[32]通過有限元模擬分析纖維拉拔試驗進一步證明了端鉤形粘結強度較高, 韌性提高效果較強. 今后可通過纖維拉拔實驗或模擬分析來探究纖維形狀的影響.

        表1 纖維形狀對UHPFRC材性影響

        Tab.1 Effects of fiber shape on properties of UHPFRC

        流動性方面, 異形對其流動性的降低幅度比等摻量圓直形約高出10%~22%[12, 26-28]. 纖維端部形狀越曲折, 流動性越小[25].

        統(tǒng)計結果如表1所示[25-30, 33-34], 分析表中內(nèi)容得到如下結論: 1) 纖維形狀在不同材料性能方面的提高強弱順序須進一步探究; 2) 受限于市場纖維的來源, 目前對纖維形狀影響的研究難以保持其他纖維參數(shù)一致; 3) 纖維形狀影響在不同基體中是否不變, 也缺乏研究.

        1.2.2d直徑、 長徑比

        鋼纖維按其直徑劃分, 可分為超細(d直徑≤0.08 mm)、 細(0.08 mm1 mm); 按長度劃分可分為超短(l長度≤8 mm)、 短(8 mm30 mm); 按長徑比可分為微細(長徑比≥65)、 中等(50<長徑比<65)以及粗短鋼纖維(長徑比≤50). 由于纖維在UHPFRC中攪拌均勻, 對強度提高顯著, 流動度影響較小, 故常用之[35].

        UHPFRC的臨界纖維體積率是指復合材料在基體開裂后的承載力不下降所必須的最小纖維體積率. 工程意義為在纖維體積率超過臨界纖維體積率時UHPFRC得到了充分的增韌, 能形成穩(wěn)定可靠的應變硬化現(xiàn)象. 在受拉時裂紋會穩(wěn)定充分傳遞直至基體無法再形成新的裂紋為止. 此種情況下, 基體的塑性達到了最大, 裂紋與拉應力得到了充分的傳遞. 由細觀力學理論可知: 當其他因素相同時, 纖維直徑越細, 長度越長, 臨界纖維體積率越小, 這個影響是二次方或三次方關系. 在基體相同, 基體與纖維的界面作用相近的情況下, 纖維越細長, 纖維臨界體積率越小, UHPFRC越容易達到穩(wěn)定的應變硬化狀態(tài). 然而, 越細的鋼纖維, 對材質與工藝要求越高, 造價也越高. 因此對于鋼纖維的直徑選擇, 須從性價比來考慮[36].

        纖維長短也是一個影響混凝土性能的重要參數(shù). 直徑與摻量相同時, 短纖維的根數(shù)多于長纖維, 更能抑制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展, 提高混凝土初裂強度和抗壓強度. 長鋼纖維在開裂斷面上, 錨固長度長, 與基體結合作用強, 更能抑制宏觀裂縫的發(fā)展, 提高抗拉極限強度和韌性[37].

        纖維長徑比綜合考慮了直徑、 長度, 是影響UHPFRC性能的重要參數(shù). 抗壓方面, 文獻[3]研究分別單摻2%長度 1、 12 mm 圓直纖維(長徑比分別50、 75), 強度分別為148.7、 188.5 MPa. 文獻[38]研究長度3、 12 mm 圓直纖維(長徑比為15、 75), 發(fā)現(xiàn)摻長徑比75的纖維材料強度更高. 文獻[37]研究分別單摻2.5%、 2.0%長度分別為6、 13 mm的纖維(長徑比分別為37.5、 81.25), 發(fā)現(xiàn)單摻2.5%、 2.0%的長徑比81.25 纖維材料的強度比長徑比37.5的分別提高2.6%、 7.2%. 以上說明隨長徑比增大, 其強度遞增. 而文獻[39]研究長度13.0、 19.5、 30.0 mm圓直纖維(長徑比分別為65.0、 97.5、 100.0), 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維, 強度隨著長徑比增大, 從 211.8 MPa下降到209.7 MPa; 文獻[40]研究了長度13、 16、 20 mm弓形纖維(長徑比分別為65、 80、 100), 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維, 隨長徑比增大, 強度遞減. 結論矛盾, 是因為沒有分析得出長徑比對抗壓強度提高的最佳值. 文獻[41]研究長度13.0、 16.3、 19.5 mm圓直纖維(長徑比分別為65、 81.5、 97.5), 發(fā)現(xiàn)單摻1.6%纖維強度分別為201.8、 204.5、 197.3 MPa, 強度在長徑比81.5取得最佳值.

        抗拉方面, 有學者研究單摻2%長度1、 12 mm圓直纖維(長徑比分別為50、 75), 劈裂強度分別為7.8、 12.6 MPa[3]. 文獻[37]研究分別單摻2.5%、 2%長度6、 13 mm 纖維(長徑比分別為37.5、 81.25), 發(fā)現(xiàn)單摻2.5%、 2.0%長徑比81.25纖維材料的劈裂強度比長徑比37.5的分別提高17.8%、 25.6%. 這說明隨長徑比增大, 劈裂強度遞增.文獻[42]研究了長度13、 25 mm弓形纖維(長徑比為65、 125), 發(fā)現(xiàn)同摻量下長徑比125的材料抗折強度比長徑比65強. 文獻[40]研究了長度13、 16、 20 mm弓形纖維(長徑比分別為65、 80、 100), 也發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維, 隨長徑比增大, 抗折強度遞增; 文獻[41, 43-44]研究長度13.0、 16.3、 19.5、 30.0 mm圓直纖維(長徑比分別為 65.0、 81.5、 97.5、 100.0), 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維, 隨長徑比增大, 抗折強度先遞增后遞減, 最佳長徑比為97.5.

        綜上, 長徑比對UHPFRC強度增強存在一個最佳值. 原因可能是同體積摻量, 較小長徑比的纖維數(shù)量較多、 長度較小, 較大長徑比的纖維長度較大、 數(shù)量較少. 在材料單位體積內(nèi)纖維數(shù)量、 長度越大, 對微裂縫控制越強, UHPFRC強度越高. 所以纖維對強度的提高存在一個最佳長徑比, 其值與基體、 纖維摻量、 纖維形狀的關系須進一步探究.

        圖1 纖維在澆筑過程的分布取向[45] Fig.1 Distribution orientation of fiber during casting process[45]

        隨纖維長徑比的增大, 流動性遞減. 澆筑過程中, 亂向分布的纖維取向, 除了靠近模具邊壁產(chǎn)生的邊壁效應(取向平行邊壁), 其他位置趨于垂直于流動方向. 尤其在邊壁之間的中間位置, 會產(chǎn)生最大抵抗力, 降低流動度[33]. 如圖1所示, 纖維長徑比越大, 纖維越細長, 或者纖維端部形狀越曲折, 取向更易趨于垂直流動方向. 文獻[3]研究單摻5%長度1、 12 mm圓直纖維(長徑比分別為50、 75), 坍落度分別為95、 65 mm. 文獻[30]研究長度7、 13、 20 mm圓直纖維(長徑比分別為35、 65、 50)對流動性影響, 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維, 長徑比65纖維材料流動性總是最小, 長徑比35纖維材料流動性總是最大. 文獻[40]研究了長度13、 16、 20 mm弓形纖維(長徑比分別為 65、 80、 100), 也發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維, 隨長徑比增大, 流動性遞減.

        纖維規(guī)格(形狀、 長度、 直徑、 長徑比)對UHPFRC性能有很大影響. 目前研究以試驗觀察為主, 缺乏有限元等模擬分析探究, 對于細觀作用機理研究極少. 纖維來源無論是在實驗中還是在工程應用中, 均以被動地接受市場成品為主. 今后, 應加強作用機理研究, 為纖維主動設計(含纖維規(guī)格的設計、 根據(jù)性能要求對UHPFRC中纖維規(guī)格選用與摻量確定) 打下基礎.

        2 其他纖維

        2.1 碳纖維

        碳纖維是一種含碳量90%以上的纖維狀材料, 可以克服無鋼纖維容易生銹和玻璃纖維致癌等缺點, 并提高UHPFRC的抗拉強度、 抗裂性能、 抗疲勞性能等. 隨著碳纖維摻入, 基體抗壓、 抗折強度有所提高, 摻量1%時, 抗折、 抗壓強度相比不摻纖維UHPC高出22.3%、 7.8%, 壓折比提高了11.4%. 同時, 隨摻量增加抗壓強度先遞增后遞減, 臨界值約在1.5%. 相比鋼纖維, 其對混凝土強度和韌性的提高較弱, 脆性改善效果不佳, 但對早期阻裂效果較強[46-47]. 養(yǎng)護制度對碳纖維UHPFRC強度有不同的影響, 其中熱養(yǎng)護可以顯著提高其力學強度, 蒸汽養(yǎng)護后材料后期強度存在倒縮現(xiàn)象[47]. 碳纖維表面吸水嚴重, 加入基體內(nèi)會使流動性大幅度降低. 采用先加干料后加水的制備方式可以有所緩解, 建議工程上纖維摻量不超 1%[48]. 碳纖維也可以碳纖維層形式包裹在構件表面提高強度和剛度[49].

        2.2 玻璃纖維

        玻璃纖維抗拉強度大, 對基體強度和韌性有一定的提高. 文獻[50]發(fā)現(xiàn)摻量2.5%時抗折、 抗壓強度達到20、 170 MPa, 但摻量過大或者攪拌過程出現(xiàn)結團, 會對強度造成不利影響. 玻璃纖維彈模小于鋼纖維, 對混凝土強度提高相對較弱. 相對于玄武巖、 聚乙烯和聚丙烯纖維, 同長徑比、 摻量的玻璃纖維UHPFRC干燥收縮較小, 抗壓、 彎曲強度較大[51]. 但玻璃纖維有一定的致癌作用, 人體接觸后易受傷, 在工程上很少應用.

        2.3 玄武巖纖維

        玄武巖纖維具有高抗拉強度、 高彈模、 耐腐蝕等優(yōu)點, 其極限抗拉強度為4 800 MPa, 遠大于鋼纖維強度. 其與混凝土攪拌時易分散, 施工性能好, 對抗壓、 抗折強度有一定提高. 文獻[52]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維含量為3 kg·m-3時, 抗壓、 抗折強度提高最大. 此時, 對比長度分別為6、 12、 25 mm的纖維可知: 長度12 mm的纖維在抗壓、 抗折強度上相比不摻纖維UHPC分別提高約34.6%、 27.2%, 比其他兩種長度纖維改善效果更佳. 說明玄武巖纖維的長度等纖維參數(shù)會影響其在基體中作用. 玄武巖纖維與基體粘結強度較弱, 限制了其對混凝土性能的改善作用, 極少在實際工程中應用[52]. 因此, 提高其與基體之間粘結強度, 是今后研究重點.

        2.4 有機纖維

        有機纖維一般是低彈模纖維, 主要用于提高韌性, 對強度提高效果不大. 主要是通過提高混凝土初裂時撓度來提高韌性, 其長度不宜過長, 否則容易結團, 造成混凝土內(nèi)部空隙增大, 降低強度. 有機纖維種類有很多, 在工程上常用的有聚乙烯醇纖維(PVA)、 聚乙烯(PE)、 聚丙烯(PP)等.

        PVA是一種合成纖維, 與基體粘結強度很高, 一定程度上可控制混凝土早期塑性裂縫, 并且提高其韌性和抗沖擊性能. 該纖維自重小、 價格低廉, 對混凝土抗裂性能提高顯著, 但是對28 d之前的抗壓有所降低. 另外, 該纖維的摻入會降低流動性, 摻量增加, 下降幅度越大, 在工程應用中建議最佳摻量為0.1%[2].

        聚丙烯纖維摻量適當時可提高UHPFRC抗拉強度和抗裂能力, 并且有效提高斷裂能. 纖維摻量0.15%時材料韌性達到最大, 繼續(xù)增加反而下降[53]. 該纖維長度以不大于19 mm為佳, 否則分散困難, 其最適合摻量是0.2%, 同樣其會降低工作性能, 但能顯著提高延性[54]. 然而, 文獻[55]認為該纖維不會提高強度, 如果攪拌不均甚至還會導致強度下降. 文獻[56]發(fā)現(xiàn)UHPFRC中摻入該纖維無法有效提高結構的耐火性能. 此外, 聚乙烯纖維能顯著提高力學強度以及韌性. 摻量2%時, 抗折、 抗壓強度分別為28、 157 MPa, 相比不摻纖維基體分別提高47.3%、 28.1%[57].

        有關UHPFRC 中有機纖維作用的研究還不多, 有些結論相互矛盾, 須開展進一步研究.

        3 纖維混雜

        3.1 不同規(guī)格鋼纖維混雜

        3.1.1不同長度圓直形鋼纖維混雜

        圓直形是工程上最常用的鋼纖維, 其長度有多種, 從1 mm到70 mm都有. 將不同長度的圓直形纖維進行混雜, 已開展了一定的研究. 長度16 mm和長度19 mm 的鋼纖維混摻時, 總摻量不超2%, UHPFRC抗裂、 抗折強度比單摻纖維強[58]. 混雜2%長度6 mm和1%長度13 mm 鋼纖維, 抗壓強度(156.1 MPa)比單摻最大值(單摻2%長度6 mm 抗壓145.8 MPa、 單摻1%長度13 mm 抗壓136.9 MPa)高7%. 混雜1%長度6 mm和2%長度13 mm 纖維, 抗壓強度比單摻2%長度13 mm纖維低8.7%[59]. 這說明不同混雜比例產(chǎn)生不同混雜結果, 以上兩種混雜抗壓強度均比單摻3%長度6 mm(161.8 MPa)低. 從纖維總量不變分析, 這兩種混雜產(chǎn)生的都是負混雜效應. 纖維總摻量3%, 混雜1%長度1 mm、 直徑0.02 mm 圓直纖維和2%長度12 mm、 直徑0.16 mm 圓直纖維, 抗壓強度達到正效應峰值253.2 MPa, 較單摻3%長度12 mm 纖維增加10.96%[3]. 保持鋼纖維 2%摻量不變, 混雜以上兩種纖維, 發(fā)現(xiàn)混雜1.5%長度13 mm和0.5%長度6 mm, 抗壓達到最大值141.5 MPa, 比單摻2%長度13 mm纖維高1.6%[45]. 而文獻[33]發(fā)現(xiàn)其值高出6.9 %[33], 數(shù)值不等可能是所采用的基體材料和配比不同.

        通過對長度分別為13.0、 19.5、 30.0 mm 鋼纖維進行兩兩混雜. 發(fā)現(xiàn)30.0 mm 和 19.5 mm 混雜有提高抗折強度的作用, 其他組合反而降低. 長、 短鋼纖維混雜發(fā)揮協(xié)同效應, 如圖2所示, 不僅與混雜比例有關系, 也與纖維長度相關[60]. 不同直徑的混雜研究較少見.

        混雜纖維流動性需要考慮長短纖維之間相互作用, 長纖維相對短纖維等同于“邊壁”, 導致長纖維附近的短纖維趨于與長纖維平行. 其整體提高了邊壁效應, 流動性比單摻纖維大, 呈現(xiàn)正混雜效應, 如圖3所示. 保持2%摻量, 發(fā)現(xiàn)混雜0.5%長度13 mm纖維(直徑 0.2 mm)和1.5%長度6 mm纖維(直徑 0.16 mm), 流動性達到正效應峰值, 比單摻2% 長度13 mm纖維高 4.2%[45]. 文獻[33]研究發(fā)現(xiàn)混雜纖維正效應峰值243 mm, 較單摻高 6.6%, 不同值原因是UHPFRC材料、 配合比不同.

        圖2 長短纖維混雜優(yōu)勢互補現(xiàn)象[61]Fig.2 Complementary advantages of long and short fibers[61]

        圖3 混雜纖維澆筑過程中發(fā)生的邊壁效應[45]Fig.3 Sidewall effect in the casting process of hybrid fiber[45]

        3.1.2不同形狀纖維混雜

        不同形狀鋼纖維混雜時, 常以圓直形為基本纖維, 將其與其他異形纖維混雜. 圓直形以短纖維為主, 異形以長纖維為主. 端鉤形對韌性提高優(yōu)越, 很多學者將長端鉤形與短圓直形纖維進行混雜. 文獻[62]中采取適當混雜比例, 可以有效提高強度、 韌性. 其中短圓直形主要提高抗壓強度, 長端鉤鋼形主要提高抗拉強度、 韌性, 二者結合體現(xiàn)協(xié)同效應. 文獻[63]進行了纖維總摻量為2%的不同摻量組合實驗, 發(fā)現(xiàn)1.5%圓直形(長度19 mm)和0.5%端鉤形(長度35 mm)混摻效果最佳, 其抗折、 抗壓強度僅比單摻2%圓直形低4.9%、 10.3%, 但韌性得到提高. 纖維總量不變, 混雜后某材料性能沒有像正混雜效應出現(xiàn)高于單摻最大值, 也沒有像負混雜效應出現(xiàn)低于單摻最小值, 而是介于單摻之間, 稱為零混雜效應. 這是不同纖維之間沒有發(fā)生混雜作用的結果, 既沒有纖維之間的協(xié)同作用, 也沒有纖維之間互斥作用. 實際應用中可以在混雜比例中找到平衡點, 使UHPFRC在一定程度上具有不同纖維的改善優(yōu)點. 文獻[63]混雜在抗壓、 抗折強度呈現(xiàn)零效應, 說明長短纖維長度須相差一定數(shù)值, 才能發(fā)揮優(yōu)勢互補作用.

        文獻[64]研究短圓直形(長度 13 mm)和長端鉤形(長度 30 mm)混雜, 發(fā)現(xiàn)總摻量2%不變, 流動性呈現(xiàn)零混雜效應. 隨長纖維數(shù)量提高, 擴展度從510 mm(單摻2%短纖維)遞增到566 mm(0.5%短+1.5%長), 強度呈現(xiàn)正混雜效應. 抗壓強度在0.5%長+1.5%短取得最大值, 比單摻最大值高14.2%. 抗拉強度在0.75%長+1.25%短取得峰值, 比單摻最大值高6.9%. 這說明混雜效應在不同材料性能上有多面性, 之間是否存在聯(lián)系須進一步探究. 端鉤形和圓直形纖維混雜效應還受到纖維長度的影響, 目前只能通過實驗探究, 理論尚未突破. 文獻[65]在保持2%摻量, 混雜長度13 mm圓直和長度30 mm、 直徑0.7 mm弓形纖維, 發(fā)現(xiàn)抗壓、 抗拉強度呈現(xiàn)零混雜效應, 雖然長度和文獻[64]相同, 混雜中相同摻量(質量)情況下長度30 mm纖維數(shù)量比較少, 限制宏觀裂縫較弱. 這表明長短纖維優(yōu)勢互補不僅需要在長度上滿足一定相對差值, 混雜的纖維直徑不宜過大.

        文獻[66]采用短圓直形(長13 mm)和長波紋形(長31 mm)進行混雜, 纖維摻量3%不變, 隨波紋形比例的提高, 流動性下降, 從230 mm(3%短纖維)降到150 mm(3%長纖維). 兩種纖維等比例混摻, UHPFRC抗壓、 抗拉最強, 比單摻中最大值分別高16%、 25%. 說明短圓直形和長異形纖維在適當混雜比例情況下, 可能得到優(yōu)越效果的正混雜效應. 目前多數(shù)鋼纖維混雜試驗都是不同尺寸圓直形混雜、 圓直形和異形混雜, 缺乏異形纖維之間混雜探究.

        3.2 其他纖維與鋼纖維混雜

        3.2.1有機纖維與鋼纖維混雜

        鋼纖維彈性模量高, 有機纖維一般彈性模量較低. 前者屬于主要提高強度的剛性纖維, 后者多數(shù)屬于主要提高延性的柔性纖維, 二者混雜目的在于同時提高混凝土強度和韌性. 目前鋼纖維的混雜, 以短直圓形纖維為主.

        有學者把聚丙烯、 鋼纖維進行混雜, 發(fā)現(xiàn)混雜0.5%鋼纖維和0.15%聚丙烯纖維顯著提高了UHPFRC的抗高溫爆裂性能. 原因是聚丙烯纖維熔點低, 高溫后熔化形成孔隙能提高高溫抗爆性[67-68]. 其與長度30 mm的波紋形鋼纖維混雜, 纖維的最佳長度19 mm, 在力學性能上, 混雜2%鋼纖維和0.1%聚丙烯纖維力學性能優(yōu)越, 抗壓、 抗折強度分別達到138.13、 37.19 MPa, 壓折比低, 韌性強[69]. 文獻[70]發(fā)現(xiàn)以3%摻量的鋼纖維和0.5%摻量的聚丙烯纖維混雜, 抗壓最大, 比單摻3%鋼纖維時約高10.56%. 鋼纖維和聚丙烯纖維最佳混雜比例、 摻量存在異議, 須進一步探究.

        文獻[71]研究鋼、 聚乙烯混雜, 保持2%總量, 在抗壓、 抗拉強度、 流動性均呈現(xiàn)零混雜效應. 鋼纖維對流動性影響較小, 抗壓強度提高較大, 聚乙烯對抗拉強度提高較強.

        在動態(tài)試驗中, 文獻[72]發(fā)現(xiàn)溫度對鋼、 PVA纖維混雜有影響. 常溫二者混雜在動態(tài)抗壓和韌性均產(chǎn)生負混雜效應. 文獻[73]研究結果與此相反, 呈正混雜效應, 存在歧義需要進一步研究. 該文認為高溫過火后, 混雜材料出現(xiàn)塑性強化現(xiàn)象, 產(chǎn)生正混雜效應, 最佳摻量為2%鋼纖維+0.1% PVA纖維. 在靜態(tài)試驗中, 文獻[74]給出了PVA纖維摻量大于0.25%時流動度明顯下降, 適當混雜比例可以提高抗折強度、 韌性及其耐高溫性的結論. 文獻[75]認為總摻量2%, 混雜二者有正混雜效應, 摻1%鋼纖維+1% PVA 纖維材料彎曲韌性最大. 文獻[7]則認為摻1.5%鋼纖維+0.5PVA 纖維材料彎曲韌性最大, 比單摻鋼纖維分別提高10、 15%, 收縮減少40%, 不同最佳摻量可能和不同基體有關. 文獻[76]分別將PVA纖維、 聚丙烯混入鋼纖維UHPFRC中, 相比單摻2%鋼纖維, 抗壓強度分別提高 5.4%、 10.6%, 抗折強度分別提高10.2%、 19.2%這說明鋼纖維和聚丙烯混雜效果較好. 鋼纖維與各種有機纖維的混雜可能結合高強度、 高延性纖維各自優(yōu)點, 其混雜將是未來研究熱點.

        3.2.2無機纖維與鋼纖維混雜

        玻璃纖維、 玄武巖纖維、 碳纖維也具有較高彈模. 對混雜玻璃、 鋼纖維的研究發(fā)現(xiàn)摻入玻璃纖維會降低混凝土的流動性, 但對早期阻裂效果優(yōu)于單摻. 文獻[77]發(fā)現(xiàn)當混雜0.4% 玻璃纖維和1.5%鋼纖維時UHPFRC性能得到很大提高, 抗壓強度達到較大值131.16 MPa, 抗折強度達到最大值34.69 MPa, 得到正混雜效應. 玻璃、 鋼纖維最佳混雜比例須進一步探究.

        文獻[78]通過實驗發(fā)現(xiàn)混雜玄武巖、 鋼纖維可以提高UHPFRC性能. 文獻[70]發(fā)現(xiàn)以3%摻量的鋼纖維和1%摻量的玄武巖纖維混雜, UHPFRC抗侵徹性能最優(yōu). 由于玄武巖纖維與基體粘結強度較弱, 和鋼纖維混雜易在基體中產(chǎn)生孔洞, 故很少研究其與鋼纖維混雜的意義.

        碳、 鋼纖維混雜目前很少在基體中直接摻入纖維混雜, 而是采取碳纖維層形式包裹在構件表面提高摻有鋼纖維UHPFRC的強度剛度[49]. 碳纖維是否適合和鋼纖維混雜須進一步探究.

        3.3 混雜效應

        圖4 材料性能隨混雜比率變化規(guī)律Fig.4 Variation of material properties with hybrid ratio

        在研究UHPFRC中混雜纖維時, 若各實驗組的纖維總摻量沒有保持統(tǒng)一, 則實驗結果受纖維混雜、 摻量變化的共同作用無法單獨分析混雜效應的影響. 鑒于此, 進行實驗時保持總摻量不變, 才能單獨分析混雜效應因素對試驗結果的影響. 總結文獻[58-78]中的纖維混雜研究, 可知混雜效應有正、 零、 負效應, 取決于混雜纖維種類、 UHPC基體. 而混雜效應是否受纖維總摻量影響須進一步探究. 纖維混雜比例不決定效應類型, 材料性能在三種效應隨兩種纖維混雜比率(纖維總量保持不變, 混摻另一種纖維占總量的比率)變化規(guī)律如圖4所示, 而能否用函數(shù)關系模擬二者關系須進一步探究.

        綜上所述, 目前纖維混雜研究多以實驗探究進行, 缺乏混雜作用機理的理論研究, 以至于實際工程中極少應用; 現(xiàn)有的研究, 混雜數(shù)量以兩種為主, 三種及以上研究較少; 混雜種類集中在不同鋼纖維、 鋼纖維和其他材質纖維混雜上, 缺乏是否能夠通過其他不同材質纖維混雜替代 UHPFRC 中鋼纖維作用的探究, 還缺乏混雜效應對不同基體影響的研究.

        4 結語

        1) 鋼纖維彈模大、 抗拉強度高, 是UHPFRC中最常用的纖維. 適當摻量對UHPFRC抗壓強度、 抗裂性能、 抗拉強度、 韌性等均有不同的提高作用. 也會影響拌合物工作性能, 摻量達到轉折點時對強度韌性等材料性能提高不大, 甚至降低. 這個轉折點在工程上具有重要的意義, 影響的因素也較多, 是一個值得研究的問題. 對于抗拉, 如何同時提高抗裂性能與抗拉強度, 是研究的難點也是重點.

        2) 鋼纖維規(guī)格(形狀、 直徑、 長度等)對UHPFRC的增強增韌效果有很大影響. 隨長徑比增大, 抗壓、 抗拉性能遞增, 也存在一個轉折點, 最佳長徑比的研究有重要意義. 同時, 隨長徑比提高, 流動性遞減. 現(xiàn)有的研究以實驗觀察為主, 今后, 應加強作用機理研究, 為纖維規(guī)格的主動設計以及根據(jù)性能要求選用纖維規(guī)格和摻量設計, 打下理論基礎.

        3) 無機纖維(比如玻璃纖維、 碳纖維、 玄武巖纖維)和有機纖維(如聚乙烯纖維、 聚丙烯纖維等)在UHPFRC中的作用不盡相同, 進一步的研究是必要的, 以適應不同工程對不同性能要求, 并為混摻研究提供基礎.

        4) 圓直形鋼纖維不同長度的混雜、 不同種類鋼纖維混雜、 鋼纖維與其他纖維的兩兩混雜均有了相當?shù)难芯砍晒? 混雜有正、 零、 負效應, 取決于混雜纖維種類、 UHPC基體, 混雜效應隨兩種纖維混雜比率具有一定變化規(guī)律. 然而, 目前的研究多以實驗為主, 缺乏有限元等模擬分析研究, 缺乏混雜時不同纖維協(xié)同作用機理的理論研究. 混雜種類以兩種為主, 三種及以上研究較少.

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