纖維的宏觀因素對纖維混凝土的影響綜述

隋昊良,王福斌,楊 鑫

(黑龍江大學水利電力學院,哈爾濱 150080)

1 概 述

隨著技術科技的發展,將纖維摻入素混凝土中的纖維混凝土成為了主要的建筑材料和研究方向。纖維材料在纖維混凝土中起到了特別重要的作用,纖維的加入改善了水泥抗拉強度低、抗變形能力差以及抗凍能力弱的特點。主要的理論基礎是1963年由J.P.Romualdi和B.Batsonti提出的纖維間距理論,和復合材料理論[1]。

在纖維混凝土中摻入何種纖維是影響混凝土土體強度的最主要因素,在各個領域廣泛應用的纖維有鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維等等,在適當摻量下將2種或2種以上的纖維進行混摻會進一步對混凝土的強度等級進行提升。值得注意的是混凝土的強度等級不會隨著纖維摻量的增加而增加,達到一定的比例時會存在最優摻量,過量摻和時混凝土的強度則會降低。摻入纖維的長度結構等因素也會對混凝土的強度造成影響,在摻和時還需要注意摻和的方法,不當的摻和方法會使纖維聚團對纖維的強度產生很大的影響。

2 理論基礎

2.1 纖維間距理論

該理論基于線彈性斷裂力學的基礎上解釋了即使是經過振搗臺振搗等使混凝土密實的操作,仍不可避免地會產生孔隙孔洞以及危害混凝土強度的裂縫,但摻入纖維可以有效的控制混凝土中的裂縫產生。纖維間距理論認為混凝土中摻入分散均勻的纖維可以形成網格結構,當混凝土土體發生斷裂破壞時力向各個方向進行傳遞,傳遞過程中可以通過纖維形成的網格結構阻礙力的傳導,在力進行傳遞的過程中會遇到在前進方向上橫亙的多條纖維,因纖維相較于混凝土有更好的抗拉伸能力, 可以連接在發生斷裂時左右的混凝土體,因此可以起到抑制混凝土裂縫擴展的作用,改變混凝土脆性破壞的特征,增大了在進行建筑檢測時發現破損處的機率。

2.2 復合材料理論

復合材料理論將摻入混凝土中的各個成分視為一個整體,其整體性能視為各個成分所具有能力的疊加,混摻纖維混凝土也是根據這個理論,將彈性模量小的纖維與彈性模量大的纖維進行混摻,以達到整個強度的提升。混凝土整體并非均質的,因此加入纖維可以起到如同抗拉力筋的作用,從而分擔混凝土內的應力,減少在進行工程及試驗時產生的應力不均,減小混凝土體的損傷程度。

3 纖維長度的影響

黨軍亮等采用碳纖維材料,通過改變摻入纖維的長度與體積摻量對混凝土強度的變化進行研究,并且進行了在抗壓、抗拉、抗劈拉3個方面的強度測試。在碳纖維含量為2%時摻入10mm、15mm和20mm三種不同長度的纖維發現,與摻入10mm和20mm的碳纖維混凝土相比較,在摻入碳纖維長度為15mm時得出的抗壓、抗劈拉、抗拉3個方面的數據為最大值分別為82.4MPa,7.1MPa,11.7MPa。同理對碳纖維的摻量改為6%時,發現在抗壓強度、抗劈拉強度、以及抗拉強度3個方面上,摻入15mm長度的碳纖維時可以達到最好的抵抗效果,分別為75.2MPa、7.1MPa、和10.5MPa。綜上可以看出混凝土的強度與纖維的長度有關,但并非線性相關,在摻入量一定時存在一個最優的長度可以使混凝土的強度達到最大[2]。

4 纖維結構的影響

胡玉璟等通過對結構型短切纖維增強混凝土力學性能進行了研究。近十幾年來專家學者們注意到,纖維的幾何尺寸差異會影響到纖維在幾何基體中起到的不同的作用[3]。幾何尺寸小的纖維主要是為了限制混凝土體中的微觀裂縫的擴展,而幾何尺寸更大的纖維主要是為了維持混凝土體的整體性減小宏觀裂縫產生的影響,尺寸小的纖維和尺寸大的纖維相互結合從而提升混凝土的整體韌性,對此將用于增強混凝土的纖維分為非結構型纖維和結構型纖維,兩者的主要區別在于纖維的直徑大小,非結構型纖維的直徑較小,結構型纖維的直徑則相對較大,非結構纖維一般用于控制微觀裂縫的擴展,但在微觀裂縫擴展為宏觀裂縫時,這種直徑較小的纖維的能力通常無法達到預期。而結構型纖維在受力過程中,纖維作用主要體現在抵抗和限制構件中出現的宏觀裂縫,結構型纖維承受荷載的能力強并且可以傳遞到未開裂的混凝土。由于纖維的橋接作用,當混凝土開裂時需要承受較大的應力,當試塊某處不能承受時則會發生斷裂,其中的纖維產生拉斷和拉出的現象,此時試塊的承載能力下降,裂縫會繼續延伸致另一結構纖維處。為了克服這種作用,試塊的承載能力會相應的提高,裂縫會繼續發生擴展,反復重復這類過程。因此,結構型纖維增強混凝土試件在彎曲實驗中能表現出良好的延性、韌性和裂后承載能力。在實際應用中大部分鋼纖維屬于結構型纖維,常見的結構型鋼纖維分為端勾型、啞鈴型、波浪型、剪切壓痕型、扭曲型、銑削折型。常見的結構型合成纖維則分為平直型、扭曲型、波折型、螺紋型、竹節型和壓花型。但是鋼纖維在進行混凝土基體混合時不宜分散,且鋼纖維的耐腐蝕性能不好,同時結構型合成纖維在制作時不環保等缺點,因此在進行實驗時采用了更易均勻分散,加工性能好,拉伸強度更高抗腐蝕性能好,且工藝綠色環保更有環境友好性的結構型玄武巖纖維。

上述試驗采用了6種不同的纖維:①平直型BFRP纖維;②加捻型BFRP纖維;③波浪型BFRP纖維;④端勾型鋼纖維;⑤結構型聚丙烯纖維;⑥非結構型短切玄武巖纖維。將非結構型短切玄武巖纖維視為對照樣。

進行抗壓強度試驗后,其中,加捻型BFRP纖維、鋼纖維和結構型聚丙烯纖維能夠在一定程度上提升混凝土的抗壓強度,分別比對照試樣提升12%、16%和11%;而平直型BFRP纖維和波浪型BFPR纖維對于混凝土的強度有削弱作用,比對照式樣分別降低7%和18%。在發生破壞時平直型BFRP為明顯的脆性破壞。加捻型BFRP纖維在拉斷過程中纖維表面樹脂則會產生一定的剝離,導致纖維裸露,斷裂時同樣具有脆性。波浪型則是會發生每股纖維先后斷裂,最后直至全部斷裂的現象。

而結構型纖維對于混凝土的強度削弱主要是出于以下4個原因:①結構型纖維摻入混凝土后,包裹纖維所用的水泥漿增多,因水泥砂漿的總量不變從而導致用于包裹砂石骨料的水泥減少;②纖維的加入會降低混凝土拌合物的流動性,從而使得試塊振搗變得不易,基體不夠密實,混凝土內部孔洞增多,影響試件強度;③纖維分布不夠均勻,纖維聚團成簇,導致內部缺陷較多;④纖維和混凝土基體之間存在一個過度黏結面,由于纖維材料本身性質以及時間發展,二者之間的界面可能出現孔隙,從而形成受力薄弱面。

根據上述數據可知,摻入不同類型的結構纖維會對混凝土的強度造成增強及削弱不同程度的影響。

5 纖維的種類及摻量影響

5.1 鋼纖維單摻混凝土及鋼纖維混摻混凝土

與鋼纖維體積比例摻配而制成的鋼纖維混凝土具有強度與重量比例增大、較強的耐拉、抗折彎、抗剪和抗扭能力好耐沖擊穩定性好和耐疲勞能力好耐久性高的優點。由童偉光等所做的鋼纖維及混雜纖維混凝土力學性能試驗研究,采用50mm的鋼纖維及強度為42.5的普通硅酸鹽水泥,及體積摻量為0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維分別摻入進行試驗配置鋼纖維混凝土,經過強度試驗表明立方體的抗壓強度、抗劈裂抗拉強度均有提高,由摻量由低到高分別提升了5.1%、8.2%、6.2%和33.6%、38.9%、55.5%摻入鋼纖維可以有效的改善混凝土土體破壞時的破壞形態,素混凝土均表現出脆性破壞而鋼纖維表現出明顯的塑性特征。童偉光等又在配置鋼纖維混凝土的基礎上摻入了聚丙烯纖維(PP)和聚乙烯醇纖維(PVA)兩種纖維摻和進行強度試驗,實驗表明混摻纖維混凝土的強度相較于單摻鋼纖維混凝土在抗壓與抗劈拉上也有提升分別提升了8.9%、11.2%、14.3%和32.6%、43.5%、48.3%[4]。

5.2 聚丙烯纖維及玄武巖纖維單摻纖維混凝土

玄武巖纖維具有很多優點:較高的抗拉強度、有優秀的耐腐蝕性、可設計性能好、可連續配筋、施工效率高、生產過程無有害物質析出、耐嚴寒與高溫等多種優點。聚丙烯纖維具有的優點是:耐久性能好,抗裂性能好、耐腐蝕性能高、有較強的抗沖擊性。薛明凱進行了玄武巖與聚丙烯雙產纖維混凝土力學性能研究。通過摻入1kg/m3、2kg/m3、3kg/m3、4kg/m3、5kg/m3、6kg/m3的玄武巖纖維及0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3的聚丙烯纖維兩者單摻及混摻的方式進行抗壓強度試驗。單摻玄武巖纖維摻量在2kg/m3時摻量,抗壓強度相較與普通的素混凝土的提升最大提升了2.08%,單摻玄武巖纖維在摻量為3kg/m3時抗拉強度提升最大提升了15.92%,抗折強度提升了18.38%。而單摻聚丙烯纖維時摻量為0.9kg/m3,抗壓強度提升最大提升了0.26%。在摻入量為1.2kg/m3時抗拉強度提升最大提升了18.34%,抗折強度提升了15.69%。當超過以上各個方面的最優摻量時,混凝土的強度會發生下降甚至在摻入量過高時,纖維混凝土的各方面強度相較于素混凝土會更低[5]。

根據以上試驗的數據表明,纖維的種類對于提升纖維混凝土的強度有著很大的影響,在不同纖維不同摻量下,混凝土的抗壓強度抗拉強度以及抗折強度都會出現不同程度的升降。整個過程需要進行大量的試驗研究才能根據具體的實際情況選取所需的最優摻入纖維的體積摻量。

6 纖維摻入拌合方法

外摻法和內摻法是目前將纖維摻入混凝土的主要兩種摻和方法,主要采用的摻和方法是其中的外摻法。根據《水工纖維混凝土應用技術規范-SL/T805-2020》規定在進行摻和時,水工纖維混凝土宜采用強制式機械拌和設備制備,一次拌和量不宜大于機械攪拌設備額定攪拌量的80%,拌和后應使纖維在混凝土中達到均勻分散的狀態否則會出現試塊各點承受能力不同,在進行強度試驗時受力容易不均勻并且進行實驗時所測得的數值不準確還有可能會提前發生破壞。同時在進行水工纖維混凝土拌和時需要注意根據摻入纖維的重量和比例適當的對拌和時間進行調整。水工纖維混凝土原材料的計量允許偏差值如表1所示。

表1 水工纖維混凝土原材料的計量允許偏差值

7 結 語

隨著科學技術的發展,混凝土材料的改性達到了一個新的高度,從最開始的素混凝土到如今的纖維混凝土,越來越多的材料被應用于制成新型的復合材料,因此在對纖維混凝土的研究試驗中,了解纖維的各種因素對于混凝土強度性能的影響是至關重要的。