浅谈钢纤维混凝土阻裂、增韧的研究

发表时间:2019/4/28   来源:《基层建设》2019年第6期   作者:郭中祥
[导读] 摘要:钢纤维混凝土作为一种高性能混凝土建筑材料,在建筑材料领域得到了广泛的研究。
        广州大学  广东广州  510006
        摘要:钢纤维混凝土作为一种高性能混凝土建筑材料,在建筑材料领域得到了广泛的研究。钢纤维在混凝土中的作用主要是通过界面进行传递的。在掺有钢纤维的混凝土在破坏时其内部的钢纤维起到延缓裂纹的开展和阻碍裂纹的萌发从而提高构件的韧性。本文主要是通过对钢纤维混凝土阻裂、增韧性能的研究进展来对未来纤维混凝土的发展做出总结展望。
        关键词:界面;裂缝;增韧;钢纤维混凝土
        一、引言
        混凝土是现代工程结构应用最多也是最为广泛的材料,是现代社会的基础,以其原料取材广泛容易、易成型、价格低廉以及与钢材结合可制成各种承重构件等优点得到世界各国的广泛应用,据有关报道,2005年世界混凝土年产量达到 60亿t之多,而我国每年有近30亿立方米的混凝土用于基础设施建设和国家重点工程建设。但混凝土自重大、脆性大、体积不稳定、抗拉强度低、抗渗性和韧性差等缺点也限制了它的快速发展。随着科技和新型材料的不断发展,在混凝土中掺入纤维无疑是解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差的一个很好的办法[1]。
        二、钢纤维在混凝土中增强作用的纽带—界面
        复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的以微观或宏观的形式复合而组成的多相材料。复合材料中增强体与基体接触构成的界面,是一层具有一定厚度、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相—界面相(界面层)。大量试验表明,纤维混凝土中纤维周围的水泥基体结构与其自身结构是不相同的,即在钢纤维与基体之间存在着界面层。纤维混凝土的性能主要取决于混凝土基体性能、纤维含量以及它们之间的界面特性[2] 。假定界面是一层厚度可以忽略、但具有一定力学性能的薄层。当荷载作用于纤维混凝土时,荷载一般先施加于低弹模的基体,然后通过纤维-基体的界面,把一部分荷载传递给高弹模的纤维,使纤维和基体共同承担荷载,从而起到增强的效果。
        三、钢纤维在混凝土中的阻裂
        目前钢纤维增强混凝土(SFRC,steel fiber reinforced concrete)的研究比较多,通过查阅文献得到的结论是未掺钢纤维的基准混凝土试件(PC)的破坏呈现明显脆性,主裂缝呈直线型,冲击断面比较平整,粗骨料断裂面积小,破坏主要穿过水泥砂浆层与骨料黏结面[3]。掺入钢纤维后,SFRC的裂缝扩展模式由单一贯通变为多裂缝开展,主裂缝附近出现若干副裂缝,SRFC裂而不断,主裂缝之间的夹角基本相等。这是由于钢纤维的掺入使得混凝土脆性降低,钢纤维在承受冲击作用时产生类似弹簧的缓冲效应,裂缝的产生时间随着钢纤维掺量的增加而推迟,基体塑性特征明显。同时,由混凝土产生裂缝后桥接于裂缝间的钢纤维可以继续吸收能量,导致SFRC受冲击表面的损伤程度比PC严重。
        采用体式显微镜对SFRC裂缝形态进行观察得出乱向分布的钢纤维分布于水泥砂浆与骨料的界面层处。混凝土开裂前,冲击荷载在基体中的传导受到骨料和钢纤维的双重阻碍,此时由骨料与水泥基体共同消耗冲击能;裂缝出现后,在裂缝稳定扩展阶段,跨越裂缝的钢纤维产生桥接作用,使得SFRC具有良好的延性,约束裂缝的扩展,且裂缝扩展速度随SFRC韧性的提高而减慢。随着微裂缝继续扩展,硬化水泥浆体解体破坏,纤维间距增大,桥接作用减弱,直至微裂缝聚集发展成贯穿试件的宏观裂缝,纤维脱离基体并逐渐被拔出。因此,掺入钢纤维可以延缓微裂缝发展,发挥了纤维在混凝土中良好的阻裂作用。
        四、钢纤维在混凝土中的增韧
        4.1 SFRC在冲击下的韧性
        从李会湘等人的研究中了解到[4],冲击压缩下SFRC的应力-应变曲线比基体混凝土的曲线丰满,并随着钢纤维体积百分率的增加,峰值应变增加。虽然钢纤维含量的多少对混凝土应力-应变曲线的上升段影响较小,但对下降段的影响较大,随着钢纤维含量的增加下降段趋缓,反映了韧性增加脆性降低的趋势。应力-应变曲线下面积为使材料变形破坏所做的功,因此采用韧度R—应力-应变曲线围成的面积来来衡量SFRC的韧性比较合理。
        4.2 SFRC在不同长径比下的韧性
        从李世超等人的研究中了解到[5],长径比l/d=34时钢纤维混凝土试件的破坏形式,素混凝土试件一裂即碎,钢纤维混凝土试件裂而不散,并且纤维含量越高,其增韧效果越明显。应力-应变曲线所包围的面积,物理上表示材料单位体积的变形能,面积越大,表明材料破坏时所吸收的能量越多,材料的韧性也就越大。纤维含量越高,应力-应变曲线所包围的面积就越大,即试件的韧性越大。钢纤维的加入有效的增加了试件的韧性,钢纤维混凝土试件出现微裂纹后,释放的变形能首先用于纤维脱黏,而不是支持裂纹继续扩展,因此延缓了断裂过程,起到了增韧的效果。长径比为34的钢纤维混凝土明显比长径比为65的增韧效果要好,混合钢纤维的增韧效果不会优于单一钢纤维混凝土,而是介于两者之间。试验结果还表明长径比不同时钢纤维混凝土的抗压强度随着纤维含量的增量差别并不大。
        五、总结展望
        随着科技和经济的快速增长,社会生活对建筑结构的要求日益增高,建筑技术也取得了突飞猛进的发展,并建造了诸多举世瞩目的大工程。就研究现状来看,我们对纤维混凝土的阻裂和增韧机理的基础理论在一定程度上已经取得较为成熟的成果,但是但对纤维混凝土动态破坏过程的研究、纤维混凝土动态破坏二维、三维数字模拟的认识还存在不足之处。就未来发展趋势而言,混杂纤维混凝土凭借自身的性能优势会有更加广阔的应用前景,而针对于混杂纤维混凝土的混杂方式、混杂种类、混杂比例以及如何在实际中应用的研究必将成为热点。
        参看文献
        [1] 杨宇林.纤维混凝土复合材料耐久性能研究综述[J].混凝土,2012(2)
        [2] 刘永胜.纤维混凝土增强机理的界面力学分析[J].混凝土,2008(8)
        [3] 潘慧敏,马云朝.钢纤维混凝土抗冲击性能及其阻裂增韧机理[J].建筑材料学报,2017,20(6)
        [4] 李会湘,孙宇静,程庆照.钢纤维混凝土(SFRC)的增强增韧机理及冲击特性研究[J].公路交通科技,2009(5)
        [5] 李世超,黄瑞源,李龙,陈耀慧.钢纤维混凝土增韧效果研究[J].混凝土,2017(12)
        作者简介:郭中祥(1992-),男,汉族,河南周口人,广州大学硕士研究生,研究方向:钢纤维在混凝土中的作用机理
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