柔性和剛性纖維砼的斷裂性能對比分析

賀麗麗, 楊建江, 劉津明, 臧登科(.天津大學仁愛學院 建筑工程系，天津 30636； .中國建筑設計研究院，北京 00044)

柔性和剛性纖維砼的斷裂性能對比分析

賀麗麗1, 楊建江1, 劉津明1, 臧登科2
(1.天津大學仁愛學院 建筑工程系，天津 301636； 2.中國建筑設計研究院，北京 100044)

論文分別對以鋼纖維砼(SFRC)為代表的剛性纖維砼和以聚丙烯纖維砼(PPFC)為代表的柔性纖維砼進行分析，分析主要從力學特性、增韌阻裂機理和應用前景三方面著手，其中斷裂性能分析為重點，對比總結出兩種纖維砼的優勢和劣勢，以期對相關工程人員施工和設計環節中材料選取時有一定的參考價值。

纖維；砼；力學特性；斷裂性能；對比分析

普通砼既非均質又不是各項同性，不是理想的彈塑性材料。加之其自重大，抗拉強度低，易開裂的特點，尤其是具有本質脆性的特征，嚴重影響了它的耐久性，阻礙了其進一步發展與應用。所以，提高砼的抗拉強度和延性具有重要意義。纖維砼的出現很大程度上改善了這一弱點。目前，國內對纖維砼的普通力學性能研究的較多，但對其斷裂韌性研究較少。1961年Kaplan首先將斷裂力學概念引用于砼，并進行了砼斷裂韌度試驗。因其優異的阻裂特性，纖維砼已成為世界上研究最多，應用最廣的纖維增強水泥基復合材料。

目前關于均勻而任意分布的纖維對砼的增強機理存在著兩種不同的理論解釋，其一為美國Romualdi提出的“纖維間距機理”：其二為英國的Swamy，mangat等人提出的“復合材料機理”。兩種機理均為估計纖維砼初裂強度或比例極限。其增韌機理為：纖維砼的破壞過程中，主要存在3種破壞機制，即水泥石基體中的破壞機制(如微裂縫屏蔽機制)、集料偏轉裂縫破壞機制和拔出破壞機制。利用這些機制，增加斷裂過程中的能量耗散是降低材料脆性、改變砼斷裂特性的主要措施，增加能量耗散強的分散相使裂縫受阻和產生裂縫偏轉有兩種方式。由于纖維以單位體積內較大的數量均勻分布于硁內部，猶如在砼中摻入巨大數量的微細筋，故微裂縫在發展的過程中必然受到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進一步發展，從而達到抗裂的作用和有效的抗沖擊目的，提高了硁的斷裂韌性，這些單靠加強鋼筋是不能實現的。

纖維的種類眾多，根據纖維的彈性模量，分為剛性纖維(彈性模量約為砼的10倍)和柔性纖維(彈性模量約為砼的1/10倍)兩種。本文主要從斷裂力學的角度對以鋼纖維砼(SFRC)為代表的剛性纖維砼和以聚丙烯纖維砼(PPFC)為代表的柔性纖維砼的斷裂性能進行分析、對比。為使讀者對兩者的斷裂性能性有一個更直觀的對比，本文以普通砼為媒介，把兩者間的直接比較轉換為兩者的間接比較，即兩者分別與普通砼的斷裂力學性能作比較。

1 剛性纖維砼

SFRC是在普通砼中隨機摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。這些亂向分布的短纖維主要阻礙砼內部微裂縫的發展和阻滯宏觀裂縫的發生與發展,增大了砼的韌性[1]。目前對于鋼纖維砼的研究工作進行的較多，取得了許多研究成果。

1.1 鋼纖維砼(SFRC)力學特性

根據國內外理論研究和試驗結果，鋼纖維砼不僅保持普通砼自身優點，更重要的是因鋼纖維的摻入，對砼基體產生了增強、增韌(由于鋼纖維是典型的高模量纖維)和阻裂效應，從而顯著的提高了砼的抗拉、抗彎強度，阻裂、限裂能力(圖1)，抗沖擊、耐疲勞性能，明顯延長了其使用壽命。可見，鋼纖維砼作為一種新的復合材料，具有普通砼至今還未有的性能，彌補了砼的不足，最初成為砼良好的改性材料。但鋼纖維砼與普通砼比較，最為明顯的不足是由于鋼纖維的加入，其和易性明顯降低。

圖1 鋼纖維砼和普通砼受壓破壞荷載—位移曲線對比

1.2 鋼纖維砼的增韌阻裂機理

鋼纖維砼增韌屬于增加能量耗散兩種方式中的第一種方式，主要利用鋼纖維拔出破壞機制，即由于鋼纖維的阻裂增強作用，使鋼纖維砼在破壞之前有大范圍的緩慢穩定裂縫擴展，以及裂縫尖端存在微裂縫區或裂縫過渡區。

在斷裂力學中，對于鋼纖維砼的增強機理，最早的解釋是美國Romualdi提出的纖維間距機理。Romualdi等人揭示了纖維在砼中的阻裂機理[2]，并沿用至今。Romualdi等人假設纖維與砼完全連接并將纖維的作用等效為鉚固力，得出的結論只適用于剛性纖維。也有研究人員從其他角度定性的闡述了鋼纖維砼的增韌阻裂機理[3]。此文應用纖維間距機理進行分析。纖維間距機理是基于線彈性斷裂力學來說明纖維對于裂縫發生和發展的約束作用。該機理認為，在硁內部原來就存在缺陷，欲提高這種材料的強度，就必須盡可能地減小缺陷的程度，提高韌性，降低內部裂縫端部的應力集中系數。由拉伸應力所引起的粘結應力分布(τ)產生于和纖維相鄰近的裂縫端部附近，起著約束裂縫開展的作用。如果設拉伸應力引起的內部裂縫端部應力集中系數為Kc，而與裂縫端部相鄰近的粘結應力分布τ產生的具有相反意義的、起約束作用的應力集中系數為Kf，則總的應力系數KI就將減小，初裂強度得以提高。即：

KI= Kc-Kf

式中：Kc為砼基體的應力強度因子；Kf為剛性纖維作用產生的應力強度因子；當KI≥Kcr時，材料則發生斷裂破壞；當KI

顯然，這一方法能較好地解釋纖維在砼基體中的阻裂機理。因為纖維作用產生的應力強度因子降低了裂紋的總應力強度因子KI，降低值的大小為由纖維作用產生的應力強度因子Kf。所以纖維砼的初裂強度較普通砼得以提高，且Kf越大，總應力強度因子KI越小，纖維砼的初裂強度提高的幅度越大。可見，單位面積內的纖維數越多，纖維間距愈小，強度提高的效果就越好；纖維的彈性模量越大，抗裂效果越好。從而其抗彎強度、抗沖擊強度、抗疲勞強度、延展性韌性等力學性能也相應的提高。

1.3 鋼纖維砼應用及前景

鋼纖維砼和普通砼相比具有良好的材料性能:較好的開裂荷載和極限承載力，優良的抗收縮、抗開裂能力等。它已經廣泛應用于機場、路面、橋面鋪裝等等結構物中，可以充分發揮其彎拉強度高,抗裂,抗疲勞, 耐磨,抗沖擊性能好的特點,可取代鋼筋,減薄道面厚度,加大縮縫間距,縮短施工周期,提高工程質量,降低工程維修費用,延長工程使用壽命。

鋼纖維砼固然有很多長處，但目前在進一步推廣應用上還受到一定的限制。這雖然有工藝上的一些原因，如施工和易性較差，攪拌和振搗時會發生纖維成團或折斷等問題，粘結性能也有待進一步改善，但是，價格貴亦是影響鋼纖維推廣使用的一個重要因素。鋼纖維砼中的鋼纖維必須達到一定的體積摻量(體積率的1 %，每1 m3砼需要鋼纖維約78 kg)，才能使鋼纖維砼的性能發生明顯的改變。一般鋼纖維的長度選擇在20～30 cm，長徑比一般為60～100，摻量在1.0 %～1.5 %。故鋼纖維砼的造價相對較高。

因此,改進鋼纖維的生產工藝，加大鋼纖維與硁基體間的粘結力，使鋼纖維的增效性能充分發揮，在保證鋼纖維硁力學性能的前提下，降低鋼纖維用量以便取得較高經濟效益，是鋼纖維砼在我國工程中得以廣泛應用的另一發展前景。鋼纖維的制造價格也將隨著生產方法的改善和技術設備的更新而不斷降低。但我們完全有理由相信，在不遠的將來，它一定會在國外更多的應用范圍內顯示出強大的優越性。

2 柔性纖維砼

基于上述情況，鑒于剛性纖維增強砼造價、施工、攪拌的不便，鋼纖維增強砼的配制和施工方法必須得到改進，為此，促進了柔性纖維增強砼的產生。

1960年，Goldfein的早期研究工作發現，在水泥靜漿與砂漿中摻加少量聚丙烯纖維可以明顯提高它們的抗沖擊性。此后，英國將短切聚丙烯膜裂纖維少量(≤0.05 %)摻加入混凝土中用以制造樁殼、墻板、浮體等預制品。1970年美國開始大力開發絲束相連的膜裂聚丙烯纖維，用以代替鋼筋網片控制砼的收縮。近20多年陸續開發出一系列可摻入砼中的單絲合成纖維，如聚丙烯、尼龍、聚酯、聚丙烯晴、聚乙烯等。

2.1 聚丙烯纖維砼(PPFC)力學特性

通過柔性纖維砼抗壓測試[4]加入柔性纖維后，硁的抗壓強度和普通硁的抗壓強度相比如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維砼和普通砼受壓破壞荷載—位移對比曲線

圖2表明普通砼受壓破壞荷載—位移曲線始終或多或少的在聚丙烯纖維砼受壓破壞荷載—位移曲線的下方。從接近極限荷載到達到極限荷載直至超過極限荷載的過程中，柔性纖維砼的豎向變形量較大，材料仍能夠承擔較大的荷載，荷載位移曲線從走平到下降的趨勢較弱；而普通砼在達到其極限荷載時，荷載位移曲線從走平到下降的趨勢更明顯。這是由于柔性纖維砼中由于纖維的存在，使得裂紋有一個較長的穩定擴展過程。跨越裂紋的柔性纖維提供了阻滯裂紋發展的閉合集中力，這說明加入柔性纖維提高了砼受沖擊時吸收動能的能力，阻滯或延緩了砼中裂縫的擴散與發展，并使柔性纖維砼最終破壞需要較多的能量。

受壓狀態下柔性纖維砼中裂紋穩定擴展的規律很好地解釋了柔性纖維砼砼具有二次承壓的試驗現象[5]。二次承壓即當纖維砼抗壓試件達到它的極限荷載后，進行二次加載，它仍能承受極限荷載75% 以上的荷載；而對比的普通砼達到極限承載力后幾乎不能再承受二次加載。這一性質對于延性要求高的路面結構尤其是對地震設防烈度高的地區具有非常大的優勢。

通過對柔性纖維砼進行斷裂韌性實驗研究[6-7]和疲勞試驗研究，文獻[6]取得的初步結果顯示：柔性纖維砼的斷裂韌性比普通砼高，表明其抗裂性能明顯優于普通砼，斷裂能顯著高于普通砼；文獻[7]結果顯示：同等應力水平下，柔性纖維砼的疲勞壽命高于普通砼，一般為普通硁的疲勞壽命的2倍左右。同時加入柔性纖維后，硁抗收縮、抗沖擊、抗滲性能和耐久性均有相當提高。和剛性纖維砼最大的不同是：柔性纖維的加入，沒有影響砼的和易性。

2.2 聚丙烯纖維砼的阻裂增強機理

鑒于應用Romualdi等人最早揭示的纖維在砼中的阻裂機理，得出的結論只適用于剛性纖維，而對彈模小于砼的柔性纖維來說該的理論不再適用。研究發現用現有的線彈性斷裂模型分析柔性纖維增強砼的阻裂機理最直接的方法是K疊加法[8]，同時按照更合理的力學分析方法來闡明柔性纖維的阻裂增強機理。按照K疊加法，柔性纖維增強水泥砼中裂紋的應力強度因子KI可以表示為：

KI= Kc-Kf

式中：Kc為砼基體的應力強度因子。

由遠場均勻拉力σ產生的應力強度因子為：

式中：Kf為柔性纖維作用產生的應力強度因子．

先考慮1根纖維的作用(圖3)，由圣維南原理，柔性纖維等效為集中力P，P所產生的裂紋近端應力強度因子為：

圖3 裂紋表面作用一對等效集中力P

當KI≥Kcr時，材料則發生斷裂破壞；當KI

配制纖維砼時，盡可能控制其斷裂時，纖維是被拉斷而不是被拔出。判斷纖維的斷與不斷要以應力為標準，與纖維的粗細無關，也不是以外力大小來衡量。

2.3 聚丙烯纖維砼應用及前景

柔性纖維的應用相對剛性纖維的應用較晚。柔性纖維硁具有明顯的抗收縮、抗裂，抗沖擊和耐疲勞性能。同時柔性纖維配置高性能砼時不需要改變原有配比，只在砼拌和時加入柔性纖維即可，亦即完全采用普通砼的配比。因此配置砼的材料無需特別選擇。柔性纖維容易分散，施工方便、快捷，無特殊的質量控制要求。柔性纖維配置高性能砼時，只要很小的體積摻量(0.05 %)，柔性纖維砼就會產生明顯的抗收縮和抗裂效果，可見經濟性強。柔性纖維砼性能優良、造價較低，施工方便，是一種良好的建筑材料，尤適用于承受反復荷載的道路及鋪面工程的修建。

因此，從某種意義上講說，柔性纖維砼就是一種高性能砼，且用柔性纖維配制高性能砼具有明顯的可行性。相信柔性纖維砼在土木工程中的應用必將帶來可觀的技術和經濟效益。在不遠的將來，它一定會在國外更多的應用范圍內顯示出更加強大的優越性。

3 結 論

通過以上的分析比較，得出以下結論：

(1)使砼達到相同的質量，柔性纖維的體積摻量(一般不超過0.2 %)小于剛性纖維的摻量(一般在1.0 %～1.5 %之間)。鋼纖維硁中的鋼纖維必須達到一定的體積摻量(體積率的1 %，每1 m3砼需要鋼纖維約78 kg)，才能使鋼纖維硁的性能發生明顯的改變。而柔性纖維加入砼中后，只要很小的體積摻量(0.05 %，每13砼需要柔性纖維約為0.455 kg)，柔性纖維硁就會產生明顯的抗收縮和抗裂效果。

(2)在低摻量(纖維的體積含量不超過0.2 %)的條件下，柔性纖維砼的抗裂、抗沖擊。抗疲勞等性能優于剛性纖維砼。

(3)柔性纖維砼的成本低于剛性纖維砼的成本，由于剛性纖維體積摻量大，故鋼纖維砼的成本相對較高。

(4)柔性纖維砼沒有影響普通砼的和易性，而剛性纖維砼的和易性差。尤其在實際工程中，常常因拌和物干澀而加水，影響剛性纖維砼的強度；在施工中，由于拌和物的和易性差導致堵管，最終影響施工質量和進度。柔性纖維的加入則在不改變砼配合比的前提下，砼的和易性也不受影響。

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[5] 陳艤亦，趙鳳杰，易志堅，等.柔性纖維砼特殊路用性能研究[J].重慶交通學院學報，2005，24(1):42-45.

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[8] 易志堅，楊慶國，李祖偉，等.基于斷裂力學原理的纖維砼阻裂機理分析[J].重慶交通學院學報，2004，23(6):43-45.

賀麗麗(1980～)，女，碩士，講師，主要從事力學教學和研究工作。

TU502

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[定稿日期]2016-09-06