隋昊良,王福斌,楊 鑫

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080)

1 概 述

隨著技術(shù)科技的發(fā)展,將纖維摻入素混凝土中的纖維混凝土成為了主要的建筑材料和研究方向。纖維材料在纖維混凝土中起到了特別重要的作用,纖維的加入改善了水泥抗拉強(qiáng)度低、抗變形能力差以及抗凍能力弱的特點(diǎn)。主要的理論基礎(chǔ)是1963年由J.P.Romualdi和B.Batsonti提出的纖維間距理論,和復(fù)合材料理論[1]。

在纖維混凝土中摻入何種纖維是影響混凝土土體強(qiáng)度的最主要因素,在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的纖維有鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維等等,在適當(dāng)摻量下將2種或2種以上的纖維進(jìn)行混摻會(huì)進(jìn)一步對(duì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行提升。值得注意的是混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不會(huì)隨著纖維摻量的增加而增加,達(dá)到一定的比例時(shí)會(huì)存在最優(yōu)摻量,過(guò)量摻和時(shí)混凝土的強(qiáng)度則會(huì)降低。摻入纖維的長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度造成影響,在摻和時(shí)還需要注意摻和的方法,不當(dāng)?shù)膿胶头椒〞?huì)使纖維聚團(tuán)對(duì)纖維的強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 纖維間距理論

該理論基于線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上解釋了即使是經(jīng)過(guò)振搗臺(tái)振搗等使混凝土密實(shí)的操作,仍不可避免地會(huì)產(chǎn)生孔隙孔洞以及危害混凝土強(qiáng)度的裂縫,但摻入纖維可以有效的控制混凝土中的裂縫產(chǎn)生。纖維間距理論認(rèn)為混凝土中摻入分散均勻的纖維可以形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu),當(dāng)混凝土土體發(fā)生斷裂破壞時(shí)力向各個(gè)方向進(jìn)行傳遞,傳遞過(guò)程中可以通過(guò)纖維形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)阻礙力的傳導(dǎo),在力進(jìn)行傳遞的過(guò)程中會(huì)遇到在前進(jìn)方向上橫亙的多條纖維,因纖維相較于混凝土有更好的抗拉伸能力, 可以連接在發(fā)生斷裂時(shí)左右的混凝土體,因此可以起到抑制混凝土裂縫擴(kuò)展的作用,改變混凝土脆性破壞的特征,增大了在進(jìn)行建筑檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)破損處的機(jī)率。

2.2 復(fù)合材料理論

復(fù)合材料理論將摻入混凝土中的各個(gè)成分視為一個(gè)整體,其整體性能視為各個(gè)成分所具有能力的疊加,混摻纖維混凝土也是根據(jù)這個(gè)理論,將彈性模量小的纖維與彈性模量大的纖維進(jìn)行混摻,以達(dá)到整個(gè)強(qiáng)度的提升?；炷琳w并非均質(zhì)的,因此加入纖維可以起到如同抗拉力筋的作用,從而分擔(dān)混凝土內(nèi)的應(yīng)力,減少在進(jìn)行工程及試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力不均,減小混凝土體的損傷程度。

3 纖維長(zhǎng)度的影響

黨軍亮等采用碳纖維材料,通過(guò)改變摻入纖維的長(zhǎng)度與體積摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的變化進(jìn)行研究,并且進(jìn)行了在抗壓、抗拉、抗劈拉3個(gè)方面的強(qiáng)度測(cè)試。在碳纖維含量為2%時(shí)摻入10mm、15mm和20mm三種不同長(zhǎng)度的纖維發(fā)現(xiàn),與摻入10mm和20mm的碳纖維混凝土相比較,在摻入碳纖維長(zhǎng)度為15mm時(shí)得出的抗壓、抗劈拉、抗拉3個(gè)方面的數(shù)據(jù)為最大值分別為82.4MPa,7.1MPa,11.7MPa。同理對(duì)碳纖維的摻量改為6%時(shí),發(fā)現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度、抗劈拉強(qiáng)度、以及抗拉強(qiáng)度3個(gè)方面上,摻入15mm長(zhǎng)度的碳纖維時(shí)可以達(dá)到最好的抵抗效果,分別為75.2MPa、7.1MPa、和10.5MPa。綜上可以看出混凝土的強(qiáng)度與纖維的長(zhǎng)度有關(guān),但并非線性相關(guān),在摻入量一定時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)的長(zhǎng)度可以使混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大[2]。

4 纖維結(jié)構(gòu)的影響

胡玉璟等通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)型短切纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究。近十幾年來(lái)專家學(xué)者們注意到,纖維的幾何尺寸差異會(huì)影響到纖維在幾何基體中起到的不同的作用[3]。幾何尺寸小的纖維主要是為了限制混凝土體中的微觀裂縫的擴(kuò)展,而幾何尺寸更大的纖維主要是為了維持混凝土體的整體性減小宏觀裂縫產(chǎn)生的影響,尺寸小的纖維和尺寸大的纖維相互結(jié)合從而提升混凝土的整體韌性,對(duì)此將用于增強(qiáng)混凝土的纖維分為非結(jié)構(gòu)型纖維和結(jié)構(gòu)型纖維,兩者的主要區(qū)別在于纖維的直徑大小,非結(jié)構(gòu)型纖維的直徑較小,結(jié)構(gòu)型纖維的直徑則相對(duì)較大,非結(jié)構(gòu)纖維一般用于控制微觀裂縫的擴(kuò)展,但在微觀裂縫擴(kuò)展為宏觀裂縫時(shí),這種直徑較小的纖維的能力通常無(wú)法達(dá)到預(yù)期。而結(jié)構(gòu)型纖維在受力過(guò)程中,纖維作用主要體現(xiàn)在抵抗和限制構(gòu)件中出現(xiàn)的宏觀裂縫,結(jié)構(gòu)型纖維承受荷載的能力強(qiáng)并且可以傳遞到未開裂的混凝土。由于纖維的橋接作用,當(dāng)混凝土開裂時(shí)需要承受較大的應(yīng)力,當(dāng)試塊某處不能承受時(shí)則會(huì)發(fā)生斷裂,其中的纖維產(chǎn)生拉斷和拉出的現(xiàn)象,此時(shí)試塊的承載能力下降,裂縫會(huì)繼續(xù)延伸致另一結(jié)構(gòu)纖維處。為了克服這種作用,試塊的承載能力會(huì)相應(yīng)的提高,裂縫會(huì)繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)展,反復(fù)重復(fù)這類過(guò)程。因此,結(jié)構(gòu)型纖維增強(qiáng)混凝土試件在彎曲實(shí)驗(yàn)中能表現(xiàn)出良好的延性、韌性和裂后承載能力。在實(shí)際應(yīng)用中大部分鋼纖維屬于結(jié)構(gòu)型纖維,常見的結(jié)構(gòu)型鋼纖維分為端勾型、啞鈴型、波浪型、剪切壓痕型、扭曲型、銑削折型。常見的結(jié)構(gòu)型合成纖維則分為平直型、扭曲型、波折型、螺紋型、竹節(jié)型和壓花型。但是鋼纖維在進(jìn)行混凝土基體混合時(shí)不宜分散,且鋼纖維的耐腐蝕性能不好,同時(shí)結(jié)構(gòu)型合成纖維在制作時(shí)不環(huán)保等缺點(diǎn),因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了更易均勻分散,加工性能好,拉伸強(qiáng)度更高抗腐蝕性能好,且工藝綠色環(huán)保更有環(huán)境友好性的結(jié)構(gòu)型玄武巖纖維。

上述試驗(yàn)采用了6種不同的纖維:①平直型BFRP纖維;②加捻型BFRP纖維;③波浪型BFRP纖維;④端勾型鋼纖維;⑤結(jié)構(gòu)型聚丙烯纖維;⑥非結(jié)構(gòu)型短切玄武巖纖維。將非結(jié)構(gòu)型短切玄武巖纖維視為對(duì)照樣。

進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后,其中,加捻型BFRP纖維、鋼纖維和結(jié)構(gòu)型聚丙烯纖維能夠在一定程度上提升混凝土的抗壓強(qiáng)度,分別比對(duì)照試樣提升12%、16%和11%;而平直型BFRP纖維和波浪型BFPR纖維對(duì)于混凝土的強(qiáng)度有削弱作用,比對(duì)照式樣分別降低7%和18%。在發(fā)生破壞時(shí)平直型BFRP為明顯的脆性破壞。加捻型BFRP纖維在拉斷過(guò)程中纖維表面樹脂則會(huì)產(chǎn)生一定的剝離,導(dǎo)致纖維裸露,斷裂時(shí)同樣具有脆性。波浪型則是會(huì)發(fā)生每股纖維先后斷裂,最后直至全部斷裂的現(xiàn)象。

而結(jié)構(gòu)型纖維對(duì)于混凝土的強(qiáng)度削弱主要是出于以下4個(gè)原因:①結(jié)構(gòu)型纖維摻入混凝土后,包裹纖維所用的水泥漿增多,因水泥砂漿的總量不變從而導(dǎo)致用于包裹砂石骨料的水泥減少;②纖維的加入會(huì)降低混凝土拌合物的流動(dòng)性,從而使得試塊振搗變得不易,基體不夠密實(shí),混凝土內(nèi)部孔洞增多,影響試件強(qiáng)度;③纖維分布不夠均勻,纖維聚團(tuán)成簇,導(dǎo)致內(nèi)部缺陷較多;④纖維和混凝土基體之間存在一個(gè)過(guò)度黏結(jié)面,由于纖維材料本身性質(zhì)以及時(shí)間發(fā)展,二者之間的界面可能出現(xiàn)孔隙,從而形成受力薄弱面。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知,摻入不同類型的結(jié)構(gòu)纖維會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度造成增強(qiáng)及削弱不同程度的影響。

5 纖維的種類及摻量影響

5.1 鋼纖維單摻混凝土及鋼纖維混摻混凝土

與鋼纖維體積比例摻配而制成的鋼纖維混凝土具有強(qiáng)度與重量比例增大、較強(qiáng)的耐拉、抗折彎、抗剪和抗扭能力好耐沖擊穩(wěn)定性好和耐疲勞能力好耐久性高的優(yōu)點(diǎn)。由童偉光等所做的鋼纖維及混雜纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究,采用50mm的鋼纖維及強(qiáng)度為42.5的普通硅酸鹽水泥,及體積摻量為0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維分別摻入進(jìn)行試驗(yàn)配置鋼纖維混凝土,經(jīng)過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)表明立方體的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂抗拉強(qiáng)度均有提高,由摻量由低到高分別提升了5.1%、8.2%、6.2%和33.6%、38.9%、55.5%摻入鋼纖維可以有效的改善混凝土土體破壞時(shí)的破壞形態(tài),素混凝土均表現(xiàn)出脆性破壞而鋼纖維表現(xiàn)出明顯的塑性特征。童偉光等又在配置鋼纖維混凝土的基礎(chǔ)上摻入了聚丙烯纖維(PP)和聚乙烯醇纖維(PVA)兩種纖維摻和進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明混摻纖維混凝土的強(qiáng)度相較于單摻鋼纖維混凝土在抗壓與抗劈拉上也有提升分別提升了8.9%、11.2%、14.3%和32.6%、43.5%、48.3%[4]。

5.2 聚丙烯纖維及玄武巖纖維單摻纖維混凝土

玄武巖纖維具有很多優(yōu)點(diǎn):較高的抗拉強(qiáng)度、有優(yōu)秀的耐腐蝕性、可設(shè)計(jì)性能好、可連續(xù)配筋、施工效率高、生產(chǎn)過(guò)程無(wú)有害物質(zhì)析出、耐嚴(yán)寒與高溫等多種優(yōu)點(diǎn)。聚丙烯纖維具有的優(yōu)點(diǎn)是:耐久性能好,抗裂性能好、耐腐蝕性能高、有較強(qiáng)的抗沖擊性。薛明凱進(jìn)行了玄武巖與聚丙烯雙產(chǎn)纖維混凝土力學(xué)性能研究。通過(guò)摻入1kg/m3、2kg/m3、3kg/m3、4kg/m3、5kg/m3、6kg/m3的玄武巖纖維及0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3的聚丙烯纖維兩者單摻及混摻的方式進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。單摻玄武巖纖維摻量在2kg/m3時(shí)摻量,抗壓強(qiáng)度相較與普通的素混凝土的提升最大提升了2.08%,單摻玄武巖纖維在摻量為3kg/m3時(shí)抗拉強(qiáng)度提升最大提升了15.92%,抗折強(qiáng)度提升了18.38%。而單摻聚丙烯纖維時(shí)摻量為0.9kg/m3,抗壓強(qiáng)度提升最大提升了0.26%。在摻入量為1.2kg/m3時(shí)抗拉強(qiáng)度提升最大提升了18.34%,抗折強(qiáng)度提升了15.69%。當(dāng)超過(guò)以上各個(gè)方面的最優(yōu)摻量時(shí),混凝土的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生下降甚至在摻入量過(guò)高時(shí),纖維混凝土的各方面強(qiáng)度相較于素混凝土?xí)蚚5]。

根據(jù)以上試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明,纖維的種類對(duì)于提升纖維混凝土的強(qiáng)度有著很大的影響,在不同纖維不同摻量下,混凝土的抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度都會(huì)出現(xiàn)不同程度的升降。整個(gè)過(guò)程需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究才能根據(jù)具體的實(shí)際情況選取所需的最優(yōu)摻入纖維的體積摻量。

6 纖維摻入拌合方法

外摻法和內(nèi)摻法是目前將纖維摻入混凝土的主要兩種摻和方法,主要采用的摻和方法是其中的外摻法。根據(jù)《水工纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范-SL/T805-2020》規(guī)定在進(jìn)行摻和時(shí),水工纖維混凝土宜采用強(qiáng)制式機(jī)械拌和設(shè)備制備,一次拌和量不宜大于機(jī)械攪拌設(shè)備額定攪拌量的80%,拌和后應(yīng)使纖維在混凝土中達(dá)到均勻分散的狀態(tài)否則會(huì)出現(xiàn)試塊各點(diǎn)承受能力不同,在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)受力容易不均勻并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的數(shù)值不準(zhǔn)確還有可能會(huì)提前發(fā)生破壞。同時(shí)在進(jìn)行水工纖維混凝土拌和時(shí)需要注意根據(jù)摻入纖維的重量和比例適當(dāng)?shù)膶?duì)拌和時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。水工纖維混凝土原材料的計(jì)量允許偏差值如表1所示。

表1 水工纖維混凝土原材料的計(jì)量允許偏差值

7 結(jié) 語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,混凝土材料的改性達(dá)到了一個(gè)新的高度,從最開始的素混凝土到如今的纖維混凝土,越來(lái)越多的材料被應(yīng)用于制成新型的復(fù)合材料,因此在對(duì)纖維混凝土的研究試驗(yàn)中,了解纖維的各種因素對(duì)于混凝土強(qiáng)度性能的影響是至關(guān)重要的。