柔性纤维在混凝土结构中阻裂效应的研究

周新星 张 帆

1.重庆正达工程咨询有限公司2.重庆建工住宅建设有限公司

柔性纤维在混凝土结构中阻裂效应的研究

周新星1张 帆2

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柔性纤维混凝土作为一种新型改性增强复合材料，其抗拉强度、韧性、抗弯折能力优于普通混凝土，其裂纹扩展情况也得到了有效抑制。本文从断裂力学的角度对纤维改善混凝土结构阻裂效应进行分析与研究，研究表明在混凝土中加入适量柔性纤维混凝土所产生的增强阻裂效应是十分有效的。该研究从理论上验证了纤维增强阻裂作用的可行性。

混凝土；柔性纤维；增强阻裂；可行性

1 引言

目前公路混凝土结构开裂问题受到国内外学者广泛关注。混凝土由于其抗拉强度、抗弯折能力较差，且脆性易开裂[1-3]。在恒载和活载及初始微孔隙、微裂纹耦合作用下，微裂纹和微孔隙逐步发展，产生疲劳裂纹扩展,最终导致混凝土结构断裂、破碎等损坏，伴随着混凝土开裂会产生一系列诸如混凝土劣化程度加大，耐久性降低以及内部钢筋发生锈蚀等问题,这些问题会增大混凝土失效破坏的风险性，进而影响混凝土结构的安全性、耐久性以及使用寿命[4,5]。

柔性纤维混凝土是在以混凝土作为基体加入柔性纤维的一种新型改性增强复合材料。柔性纤维加入混凝土后，其抗拉强度、韧性、抗弯折能力均得到较大提升，对混凝土开裂情况得到了有效抑制，同时减缓了疲劳裂纹的扩展。柔性纤维混凝土目前在土木工程领域得到了较为广泛的应用，工程界对其阻裂机理以及断裂韧性的进行了深入研究。

本文主要是基于断裂力学的角度对纤维改善混凝土结构阻裂效应进行分析与研究。

2 断裂力学在混凝土开裂中的应用

断裂力学研究材料的强度以及裂纹扩展规律的一门新兴学科，弥补了常规强度理论的不足并建立了相应断裂判据,主要有三种形式：Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂、Ⅲ型断裂。在实际工程应用中，Ⅰ型断裂最为常见、基本，也最为危险，因此本文研究断裂力学在混凝土开裂中的应用主要以Ⅰ型断裂研究为主。如图1为一无限平板，其上具有长为2a的穿透性裂纹，受到Ⅰ型断裂均匀拉应力σ作用。

图1 二向均匀受拉下的带中心穿透裂纹的无限板

无限平板裂纹尖端应力分量可以运用Griffith-Orowan的能量理论和Irwin的应力强度因子理论来求得，本文主要以Irwin的应力强度因子理论来求解，见式（1）。

从式（2）可以看出，当裂纹尺寸一定时，KI与载荷σ呈正相关，当载荷σ增加到某一临界值Kcr时，裂纹即要向前扩展。通过大量实验研究，Kcr不仅与裂纹体的材料有关，与其几何形状及尺寸有关。对于不同的材料，存在反映其抗断裂能力的一个指标(Kcr)min，记为KIc。KIc指标称之为材料的断裂韧性，也称之为Ⅰ型断裂的线弹性断裂判据。

3 柔性纤维阻裂效应

柔性纤维混凝土能起到良好的增强阻裂作用，主要是因为微裂纹开始扩展，当微裂缝的长度大于纤维的间距时，处于三维乱向分布的纤维会穿过裂缝，此时纤维将承受一定的拉力，受力的同时纤维也会产生相应的反作用力施加在裂纹面上，进而起到阻裂作用。本文将根据Saint-Venant原理，按照K叠加法，结合断裂力学相关理论对柔性纤维阻裂效应进行分析。如图2所示，为纤维穿过裂纹时的状态。

图2 纤维穿过裂纹时的状态

通过对图2的分析可知，柔性纤维穿过裂纹时的状态Ⅰ可以看成是状态Ⅱ和状态Ⅲ的叠加。混凝土材料处于状态Ⅰ、状态Ⅱ和状态Ⅲ的应力强度因子分别记为K1、K2、K3，则柔性纤维混凝土的应力强度因子可以表述为：

当为状态Ⅱ时，根据上一节分析可知，混凝土应力强度因子K2可用KI来表示，如式（4）所示。

当为状态Ⅲ时，纤维的作用相当于一对集中力P，则此时应力强度因子为：

其中，b为纤维至裂纹尖端的距离。

当裂纹尖端刚好穿过纤维时，b值趋于零，则对于状态Ⅲ的应力强度因子K3趋于无穷大。当裂纹尖端穿过纤维时，其产生很大的应力强度因子，在很大程度上削弱了纤维混凝土总的强度应力因子，降低并有效地阻止裂纹继续扩展，也就是说裂缝接触到纤维时很难穿过。由此可见，当混凝土加入适量柔性纤维时，其纤维的增强作用是巨大的，这也得到了大量试验证实。

4 结论

通过上述理论分析，可以看出柔性纤维混凝土阻裂效应是十分明显的，有效的减缓了裂缝发展速率，降低了混凝土失效破坏的风险性，增强了其抗裂性能。由此可见，在混凝土中加入适量柔性纤维混凝土所产生的增强阻裂效应是十分有效的，从理论上验证了纤维增强阻裂作用的可行性。

[1]袁懋昶.断裂力学在工程结构中的应用[J].四川冶金，1980(04):1-8.

[2]左文锌.基于双K模型的纤维混凝土I型断裂特性研究[D].哈尔滨工业大学,2011.