柔性纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中阻裂效應(yīng)的研究

周新星 張 帆

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柔性纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中阻裂效應(yīng)的研究

周新星1張 帆2

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柔性纖維混凝土作為一種新型改性增強復(fù)合材料，其抗拉強度、韌性、抗彎折能力優(yōu)于普通混凝土，其裂紋擴展情況也得到了有效抑制。本文從斷裂力學(xué)的角度對纖維改善混凝土結(jié)構(gòu)阻裂效應(yīng)進(jìn)行分析與研究，研究表明在混凝土中加入適量柔性纖維混凝土所產(chǎn)生的增強阻裂效應(yīng)是十分有效的。該研究從理論上驗證了纖維增強阻裂作用的可行性。

混凝土；柔性纖維；增強阻裂；可行性

1 引言

目前公路混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。混凝土由于其抗拉強度、抗彎折能力較差，且脆性易開裂[1-3]。在恒載和活載及初始微孔隙、微裂紋耦合作用下，微裂紋和微孔隙逐步發(fā)展，產(chǎn)生疲勞裂紋擴展,最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)斷裂、破碎等損壞，伴隨著混凝土開裂會產(chǎn)生一系列諸如混凝土劣化程度加大，耐久性降低以及內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕等問題,這些問題會增大混凝土失效破壞的風(fēng)險性，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性以及使用壽命[4,5]。

柔性纖維混凝土是在以混凝土作為基體加入柔性纖維的一種新型改性增強復(fù)合材料。柔性纖維加入混凝土后，其抗拉強度、韌性、抗彎折能力均得到較大提升，對混凝土開裂情況得到了有效抑制，同時減緩了疲勞裂紋的擴展。柔性纖維混凝土目前在土木工程領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，工程界對其阻裂機理以及斷裂韌性的進(jìn)行了深入研究。

本文主要是基于斷裂力學(xué)的角度對纖維改善混凝土結(jié)構(gòu)阻裂效應(yīng)進(jìn)行分析與研究。

2 斷裂力學(xué)在混凝土開裂中的應(yīng)用

斷裂力學(xué)研究材料的強度以及裂紋擴展規(guī)律的一門新興學(xué)科，彌補了常規(guī)強度理論的不足并建立了相應(yīng)斷裂判據(jù),主要有三種形式：Ⅰ型斷裂、Ⅱ型斷裂、Ⅲ型斷裂。在實際工程應(yīng)用中，Ⅰ型斷裂最為常見、基本，也最為危險，因此本文研究斷裂力學(xué)在混凝土開裂中的應(yīng)用主要以Ⅰ型斷裂研究為主。如圖1為一無限平板，其上具有長為2a的穿透性裂紋，受到Ⅰ型斷裂均勻拉應(yīng)力σ作用。

圖1 二向均勻受拉下的帶中心穿透裂紋的無限板

無限平板裂紋尖端應(yīng)力分量可以運用Griffith-Orowan的能量理論和Irwin的應(yīng)力強度因子理論來求得，本文主要以Irwin的應(yīng)力強度因子理論來求解，見式（1）。

從式（2）可以看出，當(dāng)裂紋尺寸一定時，KI與載荷σ呈正相關(guān)，當(dāng)載荷σ增加到某一臨界值Kcr時，裂紋即要向前擴展。通過大量實驗研究，Kcr不僅與裂紋體的材料有關(guān)，與其幾何形狀及尺寸有關(guān)。對于不同的材料，存在反映其抗斷裂能力的一個指標(biāo)(Kcr)min，記為KIc。KIc指標(biāo)稱之為材料的斷裂韌性，也稱之為Ⅰ型斷裂的線彈性斷裂判據(jù)。

3 柔性纖維阻裂效應(yīng)

柔性纖維混凝土能起到良好的增強阻裂作用，主要是因為微裂紋開始擴展，當(dāng)微裂縫的長度大于纖維的間距時，處于三維亂向分布的纖維會穿過裂縫，此時纖維將承受一定的拉力，受力的同時纖維也會產(chǎn)生相應(yīng)的反作用力施加在裂紋面上，進(jìn)而起到阻裂作用。本文將根據(jù)Saint-Venant原理，按照K疊加法，結(jié)合斷裂力學(xué)相關(guān)理論對柔性纖維阻裂效應(yīng)進(jìn)行分析。如圖2所示，為纖維穿過裂紋時的狀態(tài)。

圖2 纖維穿過裂紋時的狀態(tài)

通過對圖2的分析可知，柔性纖維穿過裂紋時的狀態(tài)Ⅰ可以看成是狀態(tài)Ⅱ和狀態(tài)Ⅲ的疊加。混凝土材料處于狀態(tài)Ⅰ、狀態(tài)Ⅱ和狀態(tài)Ⅲ的應(yīng)力強度因子分別記為K1、K2、K3，則柔性纖維混凝土的應(yīng)力強度因子可以表述為：

當(dāng)為狀態(tài)Ⅱ時，根據(jù)上一節(jié)分析可知，混凝土應(yīng)力強度因子K2可用KI來表示，如式（4）所示。

當(dāng)為狀態(tài)Ⅲ時，纖維的作用相當(dāng)于一對集中力P，則此時應(yīng)力強度因子為：

其中，b為纖維至裂紋尖端的距離。

當(dāng)裂紋尖端剛好穿過纖維時，b值趨于零，則對于狀態(tài)Ⅲ的應(yīng)力強度因子K3趨于無窮大。當(dāng)裂紋尖端穿過纖維時，其產(chǎn)生很大的應(yīng)力強度因子，在很大程度上削弱了纖維混凝土總的強度應(yīng)力因子，降低并有效地阻止裂紋繼續(xù)擴展，也就是說裂縫接觸到纖維時很難穿過。由此可見，當(dāng)混凝土加入適量柔性纖維時，其纖維的增強作用是巨大的，這也得到了大量試驗證實。

4 結(jié)論

通過上述理論分析，可以看出柔性纖維混凝土阻裂效應(yīng)是十分明顯的，有效的減緩了裂縫發(fā)展速率，降低了混凝土失效破壞的風(fēng)險性，增強了其抗裂性能。由此可見，在混凝土中加入適量柔性纖維混凝土所產(chǎn)生的增強阻裂效應(yīng)是十分有效的，從理論上驗證了纖維增強阻裂作用的可行性。

[1]袁懋昶.斷裂力學(xué)在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].四川冶金，1980(04):1-8.

[2]左文鋅.基于雙K模型的纖維混凝土I型斷裂特性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.