淺談纖維混凝土的阻裂機理

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

在建筑領域，混凝土結構得到廣泛的應用，但是混凝土的種種缺陷也逐漸凸顯出來，主要是極限抗拉強度較低、變形能力弱、耐高溫能力弱、易開裂等。混凝土本身就是一種復合型建筑材料，纖維混凝土只是在其復合材料中加入了一種組份。柔性纖維自身有著很好的抗拉強度、伸縮率極限伸長量。纖維混凝土是近些年發展速度較快的新型復合材料，在混凝土中加入纖維材料，本質上，既保留了混凝土自身的優點，這種混凝土的性能得到很好的改善和提升，特別是對混凝土抗裂性能、抗滲性、整體性有大大的改善。

與普通混凝土相比，柔性纖維混凝土是將纖維和混凝土兩種不同的材料混合在一起，這些纖維材料可以是天然纖維、石棉、玻璃纖維、聚丙烯纖維、聚芳酰胺纖維等。

普通混凝土在澆筑完成后，水泥的水化熱作用比較明顯，混凝土內部溫度變化較大，早齡期混凝土的收縮將導致混凝土內部骨料和水泥漿之間的微裂縫，同時導致箱梁結構內部應力的分布過于復雜。當內部應力超過混凝土的極限抗拉強度時，此時混凝土將會產生宏觀裂縫，在已經產生的裂縫的地方，由于應力集中的作用，裂縫將會繼續擴展，導致混凝土內部鋼筋銹蝕最終引起箱梁結構的破壞，影響其正常使用。

二、纖維混凝土研究發展

聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber)是一種目前應用最為廣泛的合成纖維，它是石油工業的一種副產品，成本較為低廉，但是其性能效果卻非常出色。目前，國內外的研究及在工程上的應用發現，在普通混凝土基體中加入適量的聚丙烯纖維后，其纖維混凝土的物理力學性得到了明顯的改善效果，其中主要表現為以下幾個方面：①不但可以減少早齡期混凝土中裂縫的產生，而且可以延緩、制止裂縫的繼續擴展；②能夠小幅度的提高混凝土的三個強度——抗拉強度、抗折強度、抗剪強度；③能夠小幅度的提高混凝土的抗爆裂性、抗高溫性、抗凍性、防滲性、抗沖擊性等其它性能。④不但能夠較為明顯的增強混凝土的變形能力，還能改善其混凝土的耐磨性、耐久性；綜上所述主要可以概括為三種作用：阻裂、增強和提高韌性纖維對混凝土基體的阻裂作用，指纖維對混凝土澆筑完成后早齡期溫度裂縫和收縮裂縫以及硬化后的溫度裂縫和收縮裂縫、受到外部可變荷載時產生的裂縫及新裂縫形成后繼續擴展產生的阻礙作用。

纖維對混凝土基體的增強作用，混凝土是一種抗壓復合型材料，有著很好的抗壓能力，但是抗拉能力只有其抗壓能力的十分之一左右，主要表現在當混凝土收到拉應力作用時控制主拉應力的增強作用，言外之意就是提高混凝土抗拉強度。在提高抗拉強度的同時，抗剪強度、抗折強度等也相應是有所提高。

三、復合材料力學理論

復合材料力學混合定律是研究復合材料各個組成成分性能之間關系與復合材料各項性能的理論。纖維混凝土是由纖維和混凝土組成的一種復雜的復合材料，根據、復合材料力學混合定律把纖維混凝土簡化成為多相體系：一種是基相，也可以稱之為連續相，即水泥、沙、碎石、添加劑等基體材料；另一種是分散相，即除基相以外的均勻分布在基體連續相材料中的纖維材料。

加入的分散相材料通常的性能大于復合材料的基體相材料，所以分散相通常稱之為增強相。復合材料的強度和彈性模量等物理力學性能遵循復合體內各組分性能的彈性疊加原理。纖維增強復合材料的強度和彈性模量由各相材料的特性、增強纖維的取向、體積分數決定。

四、纖維混凝土阻裂機理

對于混凝土結構，不可能不產生裂縫，所以對于混凝土結構常常是帶著裂縫工作的。因此可以采用斷裂力學中的裂紋尖端應力場觀點進行纖維混凝土的阻裂機理分析。

從斷裂力學的角度出發，裂縫的擴展可由于外部荷載的存在而加速，也可以由于混凝土內部微小結構阻力而停滯。這樣，裂紋擴展即可以通過降低外部荷載作用力又可以通過增加裂縫處的韌性來阻止。因此需要研究分析裂縫尖端處的應力場，確定促使裂縫擴展的作用力。

正常情況下，纖維和混凝土基體是完全接觸的，但是出現裂縫后，如果裂縫剛好位于纖維之間同時不跨越纖維，這時候纖維的鉚固作用可以阻止裂縫的擴展。一旦裂縫尖端擴展到并無限接近于纖維時，裂縫尖端周圍的應力集中現象將使裂縫尖端相鄰域內的纖維與混凝土基體沿接觸面部分脫離，從而裂縫穿過纖維。顯然，在纖維未被拔斷或拔出之前這種脫離面范圍不大。在裂紋剛好穿過(或繞過)纖維的瞬間，混凝土基體的突然斷開必然導致纖維在與混凝土界面分離的部分產生應變的突變，從而使這部分纖維承受很大的拉力。

假設一段均勻受拉的材料，如果其截面上有一條規則的橫向裂縫，這時截面上均勻分布的主拉應力就會隨著這條裂縫的存在而發生應力重分布。假設裂縫邊緣處的纖維沒有被拉斷，由裂縫處的混凝土復合材料將荷載分配到了裂縫邊緣的纖維，裂縫尖端便產生了應力集中。

在混凝土基體中加入纖維，就可以有效的減緩、甚至是消除裂縫尖端部位的應力集中。，混凝土材料在兩端同時受到均勻拉力時的應力場。如果用纖維將裂縫處連接上，裂縫的邊緣就不再是自由表面了。在受到拉力時，跨越裂縫纖維就可以將荷載傳遞給裂縫的上下兩個表面，這樣裂縫處仍能繼續承載。從而裂縫處的荷載就有所減小，裂縫尖端處集中應力也就得到了相應的緩和。當裂縫的纖維得到加密時，與原來混凝土內部結合力相同時，就可以完全消除裂縫尖端的集中應力，應力分布狀態與沒有裂縫時的應力分布狀態一樣。