纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及耐久性研究
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摘要:隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，越來越多的新型建筑材料被大家所認(rèn)知。其中纖維作為一種新型高分子建筑材料，主要具有強(qiáng)度高、比重輕等優(yōu)點，在混凝土中主要起防裂、抗?jié)B等作用。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了大量的試驗研究和理論分析，主要研究分析了纖維增強(qiáng)混凝土的破壞形態(tài)與作用機(jī)理。通過綜述近些年國內(nèi)外纖維增強(qiáng)混凝土的研究現(xiàn)狀，分析了不同種類、不同長度、不同體積摻量的纖維混凝土的力學(xué)性能及耐久性，并提出了纖維增強(qiáng)混凝土在未來的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞:纖維增強(qiáng)混凝土;力學(xué)性能;耐久性;發(fā)展前景
隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，混凝土的需求量日益倍增。纖維作為一種新型高分子建筑材料，逐漸被廣大學(xué)者所認(rèn)知，近幾年來，很多學(xué)者在纖維混凝土方面作了大量研究。最常見的纖維混凝土包括鋼纖維混凝土、碳纖維混凝土、聚乙烯醇(PVA)纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土以及混雜纖維混凝土等等。目前，纖維混凝土主要應(yīng)用于路面工程、橋梁工程、水工建筑物以及工業(yè)和民用建筑當(dāng)中［1-2］。所以，多數(shù)學(xué)者主要對纖維混凝土的力學(xué)性能［3-7］及耐久性［8-12］進(jìn)行了研究。本文主要對國內(nèi)外關(guān)于纖維混凝土的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，歸納分析了不同種類、不同長度、不同體積摻量的纖維對混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響。通過本文的總結(jié)分析可知，纖維可以有效提高混凝土的力學(xué)性能及耐久性，但并不是纖維摻量越多，改善效果越明顯，而且由于纖維成本價較高，所以對于纖維的選取和配比至關(guān)重要。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，指出了纖維增強(qiáng)混凝土在未來的發(fā)展前景。
1纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能
1．1立方體抗壓強(qiáng)度
立方體抗壓強(qiáng)度又稱立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，是衡量混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。因此，對于纖維增強(qiáng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的研究具有重大意義，本節(jié)主要對不同種類纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了闡述。楊智碩等［13］研究了玄武巖纖維對超高強(qiáng)混凝土(UHSC)抗壓性能的影響，試驗結(jié)果表明，玄武巖會有效提高UHSC的抗壓性能，并當(dāng)摻量為2kg/m3時，達(dá)到最優(yōu)效果。李樹慧等［14］采用試驗方法研究了鋼纖維對自密實混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)體積率為0．9%時，鋼纖維自密實混凝土抗壓強(qiáng)度最大。YuanQin等［15］對聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土和普通混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度較普通混凝土抗壓強(qiáng)度高。
1．2劈裂抗拉強(qiáng)度
結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗拉強(qiáng)度是確定混凝土抗裂能力的重要指標(biāo)，本節(jié)主要從纖維摻量出發(fā)，研究了PVA纖維、碳纖維等不同種類的纖維對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。得出了各類纖維的最優(yōu)配合比。杜向琴等［16］通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加呈先增大后減小趨勢，并提出了纖維體積摻量與相對劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系表達(dá)式。除此之外，從細(xì)觀上對碳纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了探討。F．S．Khalid等［17］通過對塑料合成纖維混凝土劈裂抗拉試驗進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維含量的增加會有效提高混凝土基體的抗拉強(qiáng)度。
1．3抗折強(qiáng)度
抗折強(qiáng)度是衡量混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，試驗方法主要包括三點抗彎和四點抗彎。本節(jié)主要對比分析了玄武巖纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的影響。FaridAbed等［18］通過對摻入玄武巖纖維后的混凝土梁進(jìn)行了四點加載試驗，結(jié)果表明，摻入玄武巖纖維之后可以明顯提高梁的曲率延性，而且通過對加載過程進(jìn)行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以有效抑制裂縫的擴(kuò)展。YanruZhao等［19］采用三點彎曲試驗研究了玄武巖纖維混凝土抗彎能力，試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維會提高混凝土的變形抵抗力，從而會抑制其彎曲損傷和破壞。并且當(dāng)體積摻量為2kg/m3，抗彎性能達(dá)到最佳效果。
2纖維增強(qiáng)混凝土耐久性研究
2．1抗凍性
目前已有很多學(xué)者對纖維混凝土抗凍性能進(jìn)行了研究，主要從質(zhì)量損失及動彈性模量的角度分析了試件的抗凍性能。本節(jié)通過對國內(nèi)外已有的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析了各類纖維對混凝土抗凍性能的影響狀況。陳愛玖等［20］采用正交試驗的方法，得出了強(qiáng)度等級為C35混凝土抗凍性能達(dá)到良好時的最優(yōu)配合比，結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰摻量為10%，再生骨料摻量為50%，減水劑摻量為0．5%，且纖維采用銑削波紋型鋼纖維時，其再生混凝土的抗凍性能達(dá)到最優(yōu)。JeongsooNam等［21］通過對PVA纖維和纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(FRCC)抗凍性能進(jìn)行研究，試驗結(jié)果表明，PVA纖維與FRCC的混合對抗凍性非常有效。
2．2抗?jié)B性
對于纖維增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能的研究目前較少，本節(jié)通過對已有的研究進(jìn)行對比分析，得出了不同纖維種類、不同纖維長度及不同纖維摻量下混凝土的抗?jié)B性能。周靜海［22］等人通過對聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)廢棄的聚丙烯纖維可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，而且通過對比發(fā)現(xiàn)，纖維長度的變化較纖維摻量的變化對混凝土抗?jié)B性能的影響更明顯，并且指出，當(dāng)纖維長度為19mm，體積摻量為0．16%時，試件的抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。王紅喜等［23］研究了混雜纖維對高性能混凝土抗?jié)B性能的影響，纖維主要包括鋼纖維、Dura纖維和Dolanit纖維三種。結(jié)果表明:單一纖維摻入后可以有效改善混凝土的抗?jié)B性能，而且鋼纖維增強(qiáng)能力更明顯。除此之外，纖維混雜越多，抗?jié)B性能越強(qiáng)。
2．3抗腐蝕性
長期處于沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，由于海水中存在大量的腐蝕性物質(zhì)，當(dāng)鹽、堿類物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，就會與其發(fā)生物理化學(xué)等一系列反應(yīng)，從而造成混凝土性能的劣化。本節(jié)通過對摻入纖維后的混凝土抗腐蝕性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維可以有效提高混凝土的抗腐蝕性。姜錦磊等［24］為了模擬海水環(huán)境，采用干濕交替的腐蝕方法，對PVA-鋼混雜纖維混凝土的彎曲韌性進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，腐蝕后纖維混凝土的初裂荷載、峰值荷載和彎曲強(qiáng)度均有所下降。在腐蝕前后，PVA-鋼混雜纖維混凝土的彎曲韌性均高于普通混凝土。文獻(xiàn)［25-26］指出，纖維會限制裂縫的寬度，從而降低延緩混凝土開裂。
3結(jié)論與展望
纖維增強(qiáng)混凝土作為一種新型建筑材料，較普通混凝土相比，主要具有很好的抗拉性能，而且環(huán)保。纖維在混凝土種主要承擔(dān)增強(qiáng)、阻裂等角色，而且與水泥基體有很高的黏結(jié)強(qiáng)度。按材料性質(zhì)可分為金屬纖維、無機(jī)纖維以及有機(jī)纖維。本文從纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能及耐久性方面出發(fā)，并基于國內(nèi)外已有的研究成果，對纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展前景提出了如下幾點展望:(1)隨著我國城市化的快速發(fā)展，垃圾的排放量也迅速增加，如何有效利用垃圾，給人類帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，對垃圾應(yīng)做好分類，然后從中提取有價值的廢料，加工成可利用的纖維材料，這樣不僅取材因地制宜，而且環(huán)保，可以充分實現(xiàn)垃圾的再回收利用。(2)應(yīng)深入研究纖維增強(qiáng)混凝土的微觀機(jī)理，對于纖維在混凝土內(nèi)部的分布情況應(yīng)進(jìn)行對比分析，選出一種使纖維分布更加均勻的施工工藝。(3)目前，對于纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及耐久性的數(shù)值模擬方面研究較少，所以應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模擬方面的研究，并通過與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，為纖維增強(qiáng)混凝土材料的研究提供有效的理論支撐。(4)目前，對于纖維摻量和纖維長度對纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及耐久性的研究較多，應(yīng)該將纖維直徑也作為一種變量來進(jìn)行研究。(5)應(yīng)多開展纖維增強(qiáng)混凝土在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中的應(yīng)用，為其在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。
作者：解春燕 單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院
