浅谈纤维混凝土的阻裂机理

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

在建筑领域，混凝土结构得到广泛的应用，但是混凝土的种种缺陷也逐渐凸显出来，主要是极限抗拉强度较低、变形能力弱、耐高温能力弱、易开裂等。混凝土本身就是一种复合型建筑材料，纤维混凝土只是在其复合材料中加入了一种组份。柔性纤维自身有着很好的抗拉强度、伸缩率极限伸长量。纤维混凝土是近些年发展速度较快的新型复合材料，在混凝土中加入纤维材料，本质上，既保留了混凝土自身的优点，这种混凝土的性能得到很好的改善和提升，特别是对混凝土抗裂性能、抗渗性、整体性有大大的改善。

与普通混凝土相比，柔性纤维混凝土是将纤维和混凝土两种不同的材料混合在一起，这些纤维材料可以是天然纤维、石棉、玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚芳酰胺纤维等。

普通混凝土在浇筑完成后，水泥的水化热作用比较明显，混凝土内部温度变化较大，早龄期混凝土的收缩将导致混凝土内部骨料和水泥浆之间的微裂缝，同时导致箱梁结构内部应力的分布过于复杂。当内部应力超过混凝土的极限抗拉强度时，此时混凝土将会产生宏观裂缝，在已经产生的裂缝的地方，由于应力集中的作用，裂缝将会继续扩展，导致混凝土内部钢筋锈蚀最终引起箱梁结构的破坏，影响其正常使用。

二、纤维混凝土研究发展

聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber)是一种目前应用最为广泛的合成纤维，它是石油工业的一种副产品，成本较为低廉，但是其性能效果却非常出色。目前，国内外的研究及在工程上的应用发现，在普通混凝土基体中加入适量的聚丙烯纤维后，其纤维混凝土的物理力学性得到了明显的改善效果，其中主要表现为以下几个方面：①不但可以减少早龄期混凝土中裂缝的产生，而且可以延缓、制止裂缝的继续扩展；②能够小幅度的提高混凝土的三个强度——抗拉强度、抗折强度、抗剪强度；③能够小幅度的提高混凝土的抗爆裂性、抗高温性、抗冻性、防渗性、抗冲击性等其它性能。④不但能够较为明显的增强混凝土的变形能力，还能改善其混凝土的耐磨性、耐久性；综上所述主要可以概括为三种作用：阻裂、增强和提高韧性纤维对混凝土基体的阻裂作用，指纤维对混凝土浇筑完成后早龄期温度裂缝和收缩裂缝以及硬化后的温度裂缝和收缩裂缝、受到外部可变荷载时产生的裂缝及新裂缝形成后继续扩展产生的阻碍作用。

纤维对混凝土基体的增强作用，混凝土是一种抗压复合型材料，有着很好的抗压能力，但是抗拉能力只有其抗压能力的十分之一左右，主要表现在当混凝土收到拉应力作用时控制主拉应力的增强作用，言外之意就是提高混凝土抗拉强度。在提高抗拉强度的同时，抗剪强度、抗折强度等也相应是有所提高。

三、复合材料力学理论

复合材料力学混合定律是研究复合材料各个组成成分性能之间关系与复合材料各项性能的理论。纤维混凝土是由纤维和混凝土组成的一种复杂的复合材料，根据、复合材料力学混合定律把纤维混凝土简化成为多相体系：一种是基相，也可以称之为连续相，即水泥、沙、碎石、添加剂等基体材料；另一种是分散相，即除基相以外的均匀分布在基体连续相材料中的纤维材料。

加入的分散相材料通常的性能大于复合材料的基体相材料，所以分散相通常称之为增强相。复合材料的强度和弹性模量等物理力学性能遵循复合体内各组分性能的弹性叠加原理。纤维增强复合材料的强度和弹性模量由各相材料的特性、增强纤维的取向、体积分数决定。

四、纤维混凝土阻裂机理

对于混凝土结构，不可能不产生裂缝，所以对于混凝土结构常常是带着裂缝工作的。因此可以采用断裂力学中的裂纹尖端应力场观点进行纤维混凝土的阻裂机理分析。

从断裂力学的角度出发，裂缝的扩展可由于外部荷载的存在而加速，也可以由于混凝土内部微小结构阻力而停滞。这样，裂纹扩展即可以通过降低外部荷载作用力又可以通过增加裂缝处的韧性来阻止。因此需要研究分析裂缝尖端处的应力场，确定促使裂缝扩展的作用力。

正常情况下，纤维和混凝土基体是完全接触的，但是出现裂缝后，如果裂缝刚好位于纤维之间同时不跨越纤维，这时候纤维的铆固作用可以阻止裂缝的扩展。一旦裂缝尖端扩展到并无限接近于纤维时，裂缝尖端周围的应力集中现象将使裂缝尖端相邻域内的纤维与混凝土基体沿接触面部分脱离，从而裂缝穿过纤维。显然，在纤维未被拔断或拔出之前这种脱离面范围不大。在裂纹刚好穿过(或绕过)纤维的瞬间，混凝土基体的突然断开必然导致纤维在与混凝土界面分离的部分产生应变的突变，从而使这部分纤维承受很大的拉力。

假设一段均匀受拉的材料，如果其截面上有一条规则的横向裂缝，这时截面上均匀分布的主拉应力就会随着这条裂缝的存在而发生应力重分布。假设裂缝边缘处的纤维没有被拉断，由裂缝处的混凝土复合材料将荷载分配到了裂缝边缘的纤维，裂缝尖端便产生了应力集中。

在混凝土基体中加入纤维，就可以有效的减缓、甚至是消除裂缝尖端部位的应力集中。，混凝土材料在两端同时受到均匀拉力时的应力场。如果用纤维将裂缝处连接上，裂缝的边缘就不再是自由表面了。在受到拉力时，跨越裂缝纤维就可以将荷载传递给裂缝的上下两个表面，这样裂缝处仍能继续承载。从而裂缝处的荷载就有所减小，裂缝尖端处集中应力也就得到了相应的缓和。当裂缝的纤维得到加密时，与原来混凝土内部结合力相同时，就可以完全消除裂缝尖端的集中应力，应力分布状态与没有裂缝时的应力分布状态一样。