纤维的宏观因素对纤维混凝土的影响综述

隋昊良,王福斌,杨 鑫

(黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 150080)

1 概 述

随着技术科技的发展,将纤维掺入素混凝土中的纤维混凝土成为了主要的建筑材料和研究方向。纤维材料在纤维混凝土中起到了特别重要的作用,纤维的加入改善了水泥抗拉强度低、抗变形能力差以及抗冻能力弱的特点。主要的理论基础是1963年由J.P.Romualdi和B.Batsonti提出的纤维间距理论,和复合材料理论[1]。

在纤维混凝土中掺入何种纤维是影响混凝土土体强度的最主要因素,在各个领域广泛应用的纤维有钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维等等,在适当掺量下将2种或2种以上的纤维进行混掺会进一步对混凝土的强度等级进行提升。值得注意的是混凝土的强度等级不会随着纤维掺量的增加而增加,达到一定的比例时会存在最优掺量,过量掺和时混凝土的强度则会降低。掺入纤维的长度结构等因素也会对混凝土的强度造成影响,在掺和时还需要注意掺和的方法,不当的掺和方法会使纤维聚团对纤维的强度产生很大的影响。

2 理论基础

2.1 纤维间距理论

该理论基于线弹性断裂力学的基础上解释了即使是经过振捣台振捣等使混凝土密实的操作,仍不可避免地会产生孔隙孔洞以及危害混凝土强度的裂缝,但掺入纤维可以有效的控制混凝土中的裂缝产生。纤维间距理论认为混凝土中掺入分散均匀的纤维可以形成网格结构,当混凝土土体发生断裂破坏时力向各个方向进行传递,传递过程中可以通过纤维形成的网格结构阻碍力的传导,在力进行传递的过程中会遇到在前进方向上横亘的多条纤维,因纤维相较于混凝土有更好的抗拉伸能力, 可以连接在发生断裂时左右的混凝土体,因此可以起到抑制混凝土裂缝扩展的作用,改变混凝土脆性破坏的特征,增大了在进行建筑检测时发现破损处的机率。

2.2 复合材料理论

复合材料理论将掺入混凝土中的各个成分视为一个整体,其整体性能视为各个成分所具有能力的叠加,混掺纤维混凝土也是根据这个理论,将弹性模量小的纤维与弹性模量大的纤维进行混掺,以达到整个强度的提升。混凝土整体并非均质的,因此加入纤维可以起到如同抗拉力筋的作用,从而分担混凝土内的应力,减少在进行工程及试验时产生的应力不均,减小混凝土体的损伤程度。

3 纤维长度的影响

党军亮等采用碳纤维材料,通过改变掺入纤维的长度与体积掺量对混凝土强度的变化进行研究,并且进行了在抗压、抗拉、抗劈拉3个方面的强度测试。在碳纤维含量为2%时掺入10mm、15mm和20mm三种不同长度的纤维发现,与掺入10mm和20mm的碳纤维混凝土相比较,在掺入碳纤维长度为15mm时得出的抗压、抗劈拉、抗拉3个方面的数据为最大值分别为82.4MPa,7.1MPa,11.7MPa。同理对碳纤维的掺量改为6%时,发现在抗压强度、抗劈拉强度、以及抗拉强度3个方面上,掺入15mm长度的碳纤维时可以达到最好的抵抗效果,分别为75.2MPa、7.1MPa、和10.5MPa。综上可以看出混凝土的强度与纤维的长度有关,但并非线性相关,在掺入量一定时存在一个最优的长度可以使混凝土的强度达到最大[2]。

4 纤维结构的影响

胡玉璟等通过对结构型短切纤维增强混凝土力学性能进行了研究。近十几年来专家学者们注意到,纤维的几何尺寸差异会影响到纤维在几何基体中起到的不同的作用[3]。几何尺寸小的纤维主要是为了限制混凝土体中的微观裂缝的扩展,而几何尺寸更大的纤维主要是为了维持混凝土体的整体性减小宏观裂缝产生的影响,尺寸小的纤维和尺寸大的纤维相互结合从而提升混凝土的整体韧性,对此将用于增强混凝土的纤维分为非结构型纤维和结构型纤维,两者的主要区别在于纤维的直径大小,非结构型纤维的直径较小,结构型纤维的直径则相对较大,非结构纤维一般用于控制微观裂缝的扩展,但在微观裂缝扩展为宏观裂缝时,这种直径较小的纤维的能力通常无法达到预期。而结构型纤维在受力过程中,纤维作用主要体现在抵抗和限制构件中出现的宏观裂缝,结构型纤维承受荷载的能力强并且可以传递到未开裂的混凝土。由于纤维的桥接作用,当混凝土开裂时需要承受较大的应力,当试块某处不能承受时则会发生断裂,其中的纤维产生拉断和拉出的现象,此时试块的承载能力下降,裂缝会继续延伸致另一结构纤维处。为了克服这种作用,试块的承载能力会相应的提高,裂缝会继续发生扩展,反复重复这类过程。因此,结构型纤维增强混凝土试件在弯曲实验中能表现出良好的延性、韧性和裂后承载能力。在实际应用中大部分钢纤维属于结构型纤维,常见的结构型钢纤维分为端勾型、哑铃型、波浪型、剪切压痕型、扭曲型、铣削折型。常见的结构型合成纤维则分为平直型、扭曲型、波折型、螺纹型、竹节型和压花型。但是钢纤维在进行混凝土基体混合时不宜分散,且钢纤维的耐腐蚀性能不好,同时结构型合成纤维在制作时不环保等缺点,因此在进行实验时采用了更易均匀分散,加工性能好,拉伸强度更高抗腐蚀性能好,且工艺绿色环保更有环境友好性的结构型玄武岩纤维。

上述试验采用了6种不同的纤维:①平直型BFRP纤维;②加捻型BFRP纤维;③波浪型BFRP纤维;④端勾型钢纤维;⑤结构型聚丙烯纤维;⑥非结构型短切玄武岩纤维。将非结构型短切玄武岩纤维视为对照样。

进行抗压强度试验后,其中,加捻型BFRP纤维、钢纤维和结构型聚丙烯纤维能够在一定程度上提升混凝土的抗压强度,分别比对照试样提升12%、16%和11%;而平直型BFRP纤维和波浪型BFPR纤维对于混凝土的强度有削弱作用,比对照式样分别降低7%和18%。在发生破坏时平直型BFRP为明显的脆性破坏。加捻型BFRP纤维在拉断过程中纤维表面树脂则会产生一定的剥离,导致纤维裸露,断裂时同样具有脆性。波浪型则是会发生每股纤维先后断裂,最后直至全部断裂的现象。

而结构型纤维对于混凝土的强度削弱主要是出于以下4个原因:①结构型纤维掺入混凝土后,包裹纤维所用的水泥浆增多,因水泥砂浆的总量不变从而导致用于包裹砂石骨料的水泥减少;②纤维的加入会降低混凝土拌合物的流动性,从而使得试块振捣变得不易,基体不够密实,混凝土内部孔洞增多,影响试件强度;③纤维分布不够均匀,纤维聚团成簇,导致内部缺陷较多;④纤维和混凝土基体之间存在一个过度黏结面,由于纤维材料本身性质以及时间发展,二者之间的界面可能出现孔隙,从而形成受力薄弱面。

根据上述数据可知,掺入不同类型的结构纤维会对混凝土的强度造成增强及削弱不同程度的影响。

5 纤维的种类及掺量影响

5.1 钢纤维单掺混凝土及钢纤维混掺混凝土

与钢纤维体积比例掺配而制成的钢纤维混凝土具有强度与重量比例增大、较强的耐拉、抗折弯、抗剪和抗扭能力好耐冲击稳定性好和耐疲劳能力好耐久性高的优点。由童伟光等所做的钢纤维及混杂纤维混凝土力学性能试验研究,采用50mm的钢纤维及强度为42.5的普通硅酸盐水泥,及体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维分别掺入进行试验配置钢纤维混凝土,经过强度试验表明立方体的抗压强度、抗劈裂抗拉强度均有提高,由掺量由低到高分别提升了5.1%、8.2%、6.2%和33.6%、38.9%、55.5%掺入钢纤维可以有效的改善混凝土土体破坏时的破坏形态,素混凝土均表现出脆性破坏而钢纤维表现出明显的塑性特征。童伟光等又在配置钢纤维混凝土的基础上掺入了聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯醇纤维(PVA)两种纤维掺和进行强度试验,实验表明混掺纤维混凝土的强度相较于单掺钢纤维混凝土在抗压与抗劈拉上也有提升分别提升了8.9%、11.2%、14.3%和32.6%、43.5%、48.3%[4]。

5.2 聚丙烯纤维及玄武岩纤维单掺纤维混凝土

玄武岩纤维具有很多优点:较高的抗拉强度、有优秀的耐腐蚀性、可设计性能好、可连续配筋、施工效率高、生产过程无有害物质析出、耐严寒与高温等多种优点。聚丙烯纤维具有的优点是:耐久性能好,抗裂性能好、耐腐蚀性能高、有较强的抗冲击性。薛明凯进行了玄武岩与聚丙烯双产纤维混凝土力学性能研究。通过掺入1kg/m3、2kg/m3、3kg/m3、4kg/m3、5kg/m3、6kg/m3的玄武岩纤维及0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3的聚丙烯纤维两者单掺及混掺的方式进行抗压强度试验。单掺玄武岩纤维掺量在2kg/m3时掺量,抗压强度相较与普通的素混凝土的提升最大提升了2.08%,单掺玄武岩纤维在掺量为3kg/m3时抗拉强度提升最大提升了15.92%,抗折强度提升了18.38%。而单掺聚丙烯纤维时掺量为0.9kg/m3,抗压强度提升最大提升了0.26%。在掺入量为1.2kg/m3时抗拉强度提升最大提升了18.34%,抗折强度提升了15.69%。当超过以上各个方面的最优掺量时,混凝土的强度会发生下降甚至在掺入量过高时,纤维混凝土的各方面强度相较于素混凝土会更低[5]。

根据以上试验的数据表明,纤维的种类对于提升纤维混凝土的强度有着很大的影响,在不同纤维不同掺量下,混凝土的抗压强度抗拉强度以及抗折强度都会出现不同程度的升降。整个过程需要进行大量的试验研究才能根据具体的实际情况选取所需的最优掺入纤维的体积掺量。

6 纤维掺入拌合方法

外掺法和内掺法是目前将纤维掺入混凝土的主要两种掺和方法,主要采用的掺和方法是其中的外掺法。根据《水工纤维混凝土应用技术规范-SL/T805-2020》规定在进行掺和时,水工纤维混凝土宜采用强制式机械拌和设备制备,一次拌和量不宜大于机械搅拌设备额定搅拌量的80%,拌和后应使纤维在混凝土中达到均匀分散的状态否则会出现试块各点承受能力不同,在进行强度试验时受力容易不均匀并且进行实验时所测得的数值不准确还有可能会提前发生破坏。同时在进行水工纤维混凝土拌和时需要注意根据掺入纤维的重量和比例适当的对拌和时间进行调整。水工纤维混凝土原材料的计量允许偏差值如表1所示。

表1 水工纤维混凝土原材料的计量允许偏差值

7 结 语

随着科学技术的发展,混凝土材料的改性达到了一个新的高度,从最开始的素混凝土到如今的纤维混凝土,越来越多的材料被应用于制成新型的复合材料,因此在对纤维混凝土的研究试验中,了解纤维的各种因素对于混凝土强度性能的影响是至关重要的。