短切BFRC复合建筑材料增强增韧机理分析*

2018-12-05孙一民李忠良

沈阳工业大学学报 2018年6期

孙一民，李忠良，张健，杨璐

(1. 沈阳工程学院经济与管理学院，沈阳 110136； 2. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

混凝土是当代最主要的建筑材料，它具有抗压强度高、耐久性好和强度等级范围宽等优点，并且具有广泛的用途，不仅适用于各种土木工程，也适用于造船业、机械工业和海洋运输等领域.由于混凝土本身具有抗拉和抗折强度低、收缩开裂、韧性低和抗冲击性能差等缺点，限制了该材料在工程中一些关键部位的应用[1].为此，克服混凝土的弊病并完善其性能，一直是学者们和工程技术人员长期不断探寻的目标.很多学者尝试将各类纤维加入到普通混凝土中，以改良混凝土某些方面的性能，尝试开发出一种性能更加优越的新型复合建筑材料[2].近年来，玄武岩纤维因其优异的物理力学性能引起了人们的广泛关注.连续玄武岩纤维(CBF)是一种呈金褐色的无机纤维材料，以纯天然玄武岩为基本原料，在1 450～1 500 ℃的高温熔融状态下快速通过铂铑金漏板拔丝而成的石质纤维[3].CBF具有耐高温、耐腐蚀、成本低廉、取材广泛、生产过程环保并具有优越的力学性能等特点，在一定程度上得到了应用.目前，玄武岩纤维增强混凝土的力学特性和环境耐久性理论分析及试验研究是当前领域的一个热点[4-9].本文以玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)的增强、增韧机理为主要内容开展了理论研究，并借助电子显微镜对该新型复合建筑材料进行细观研究，得出有益结论.

1 BFRC增强理论

复合材料具有增强体和基体两种不同性质的组分，并通过界面复合在一起.在纤维增强复合材料中，纤维和基体都保持着各自的物理和化学特性，但由于二者之间界面的存在，使得复合材料派生出了独特的力学性能.BFRC是一种新型复合建筑材料，其增强机理主要来自两个经典材料理论：

1) 基于将多种单一材料结合所构成的材料整体看成一个多相系，并遵循混合规律原理的复合材料理论.材料整体性能是各个相性能的叠加值.

2) 基于线弹性断裂力学基础理论的纤维间距理论.该理论认为纤维均匀分布在混凝土基体中能起到阻止基体内微裂缝发展的作用.以上两种经典材料理论以不同视角和方式，较好地解释了纤维增强混凝土基材的原理，其结果大同小异.

1.1 复合材料理论

对于复合材料来说，界面是一种极为重要的微结构，是联系增强体和基体的“纽带”，对各组分性能的发挥程度和复合材料的最终性能都具有极其重要的影响.在复合材料理论中，纤维混凝土被认为是一种基于混凝土的纤维增强体系.因此，纤维混凝土可分为两种材料：一种是混凝土作为基础相，也可以称为连续相；另一种是增强相，也可以称为分散相，即纤维分散在混凝土基相中.复合材料比单一材料具有优异的性能，之所以如此是因为其各组分间的协同效应，而复合材料两相材料间的界面就是产生这种效应的根本原因.通常情况下，增强相的性能发挥可使基相的某些性能得以改善.作为复合材料，BFRC的性能取决于两种组分的性质、各相的比例、各自分布和基体相与增强相之间的界面性质以及一些其他影响因素.

结合复合材料理论，复合材料的基体相和增强相的性能特征、二者的比例、分散相的分布和界面微观结构受复合材料的综合因素影响，针对复合材料理论做如下几方面假设：

1) 复合材料的组成材料均属于各向同性的，分布均匀且连续分布；

2) 分散相与连续相的界面结合良好，各组分产生的应变始终一致，即没有发生相对位移；

3) 结合后，复合材料中各相的性质完全保留，与单独存在时一致，不发生任何改变；

4) 分散相和连续相内部始终不含初始应力.

本文建立一种纤维复合材料模型，以便更充分地解释复合材料的力学特性和机理，如图1所示.

图1 纤维复合材料模型Fig.1 Model for fiber composite

在模型图中，复合材料的分散相与连续相均遵守“混合定律”，当单一方向承受外加荷载时，纤维复合材料试件整体承受的应力是组成其材料的连续相和分散相各自应力与体积率乘积之和，即

σ=σfρf+σmρm

(1)

式中：ρf为增强相体积率；ρm为基相体积率；σf为增强相应力；σm为基相应力.同时，基相和增强相的自弹性模量与体积率乘积之和为复合材料的弹性模量，即

Ec=Efρf+Emρm

(2)

式中：Ef为增强相弹性模量；Em为基相弹性模量.

此外，当纤维体积比很低时，连续相混凝土的弹性模量对复合材料的弹性模量起着决定性的作用，而分散相纤维对混凝土强度和模量的影响较小.如果纤维对混凝土有显著的增强效果，纤维的数量必须增加，纤维的强度必须提高.

上述复合材料理论仅适用于纤维混凝土复合材料发生较大开裂之前，当复合材料受外加荷载出现较大开裂后，裂纹两侧连续相混凝土的应力下降为零，此时的材料承载力完全由增强相纤维承担，因而，该理论应用范围具有一定的局限性.该理论还与复合材料的各项力学基本性能、各组分自身性能、所占比例、是否均匀分布以及彼此之间相互作用情况等相关，因此，运用上述复合材料理论时，必须首先了解该复合材料的上述各项因素.

1.2 纤维阻裂理论

纤维阻裂理论也称为纤维间距理论，是由国外学者于1963年首次基于线弹性断裂力学基本原理提出的.按照断裂力学理论，混凝土内部原本就有大小各异的微裂缝、空隙和各种缺陷，在外力的作用下发生拓展.纤维阻裂理论解释了在阻止混凝土裂缝的发生及发展过程中纤维所起到的作用，并分析了材料本身抵抗裂缝发展性能、裂缝尺寸以及材料断裂应力之间的相互关系.该理论合理地解释了材料在特殊环境下低应力脆断的现象，同时认为微裂缝、孔隙和其他缺陷一般均处于混凝土内部水泥浆与粗、细骨料的接触界面上，当受到外部荷载作用时，裂缝和孔隙等这些缺陷处势必将引起应力集中现象.随着应力集中程度加剧，裂缝不断拓展和延伸，当达到一定程度时将导致混凝土失效破坏.当纤维均匀地分散到混凝土中后，纤维会在上述缺陷处起到桥连两侧的作用.由于纤维与混凝土之间存在一定的粘结力，当微裂缝等缺陷增大后，纤维依靠其强有力的抗拉性能对裂缝起到了锚固作用，从而抑制了裂缝的发展，提高了混凝土的抗拉强度，增加了混凝土的耗能能力，增强了材料的韧性.

纤维阻裂理论认为当复合材料构件受到外加荷载后，纤维与混凝土之间的粘结力τ在裂缝处发挥了强有力的作用，产生相反方向的应力场，减少了应力集中现象，有效延缓了裂纹扩展，大大提高了材料的韧性[10].假设纤维与混凝土之间粘结力τ产生的方向应力场强度因子为Kf，设由拉应力引起的裂缝尖端的应力场强度因子为Kσ，则该处实际应力场强度因子为

(3)

式中：a为裂缝半宽；σfc为纤维同向拉应力.由此可得纤维混凝土抗拉强度的计算公式，即

(4)

式中：K1c为临界强度因子；β为裂缝形状系数，用来区分不同形状裂缝对纤维混凝土抗拉强度的影响；S为纤维平均间距.考虑复合材料中纤维平均间距对材料强度的影响.纤维平均间距S计算关系式为

(5)

(6)

式中：n为材料构件任意断面上纤维数量；V为复合材料中纤维的体积掺率；ηθ为考虑材料中纤维分布方向因素的影响因子；lf、df分别为纤维的长度和直径.V、df、S、ηθ四个参数彼此相关.当纤维体积掺率V一定时，纤维直径df越大，纤维平均间距S也越大，这时纤维对混凝土的增强效果越弱；当纤维直径df一定时，纤维体积掺率V越大，纤维平均间距S越小，纤维对混凝土的增强效果也越显著.事实上，许多因素影响纤维对混凝土基材的增强效果，包括纤维本身的基本力学性能、体积分数、纤维与混凝土界面的粘结条件、纤维直径、长度直径比等.

2 纤维混凝土增强机理分析

复合材料结构多为受拉受剪破坏，主要依靠骨料间的粘结力和静摩擦力来消耗能量.在开裂条件得以满足的情况下，试样在外力下的微裂纹将迅速被撕裂，该情况在试验中已得到验证.对于玄武岩纤维增强混凝土来说，除了具备普通混凝土的耗能性能外，分布在骨料间的纤维能够依靠其良好的抗拉能力进一步增强其耗能能力.试件受力开裂后，由于玄武岩纤维的桥接效应，材料的抗拉强度明显提高.在纤维增强混凝土复合材料受力过程中，纤维的耗能形式主要体现为两种方式，即纤维的断裂功和纤维的拔出功.

纤维混凝土在外力作用下，当其内部应力集中处超过材料强度时，材料内部首先会出现数量众多但尺寸微小的裂纹，微裂缝内的受力纤维在受力过程中不断被拔出，如图2所示.

假定根据复合材料单位面积内纤维分布的平均量，可以得到纤维在裂缝中的平均功.复合材料中纤维分布均匀，且单位面积上分布的纤维数为n，可推出裂缝处纤维被拔出所做的平均功为

(7)

式中：τf为纤维被拔出界面时的剪应力；lcr为纤维材料的临界长度.

图2 纤维拔出模型Fig.2 Model for fiber pull-out

纤维的临界长度是影响纤维受力耗能方式的最直接因素.有研究表明当纤维长度在临界长度范围内时，裂缝附近纤维的拔出功占据耗能主体，具体与纤维的体积率、有效直径、纤维同周围骨料间粘结状况等因素密切相关.相反，当纤维长度超出临界长度时，纤维的耗能方式将发生改变，此时裂缝处的纤维失效方式将分成两种形式：一部分纤维由于与骨料粘结非常牢固而被拉断；另一部分因界面粘结不牢固而被整根拔出.与此同时，在纤维受力耗能断裂过程中，因某局部粘结力被外力克服以后，造成纤维与基材骨料接触面发生分离，进而导致纤维脱离基材，当基材开裂后该部分纤维单独承受拉应力.在此过程中的初始阶段，纤维仅发生弹性变形，进而过渡到弹塑性变形，当超出极限后随即发生断裂，其断裂功可以表示为

(8)

由此可见，纤维混凝土增强的核心因素是纤维的拔出功和断裂功协同耗能能力.由此可以推断在复合材料中，纤维力学性能特性越好，弹性模量越高，体积掺率越大，其耗能势必越多，增强效果必将越显著.

3 复合材料增韧机理分析

纤维对混凝土增韧作用直接体现为复合材料破坏过程中所表现出来的延性特征.决定材料裂缝开展特性的主要决定因素是裂缝拓展的驱动应力和材料的抗拉性能.如果某个部位的裂缝驱动应力超出了材料的抗拉强度，裂缝势必进一步开展，直至其失效破坏，裂缝开展过程模型如图3所示.

图3中当出现裂缝以后，裂缝边缘是应力高度集中的地方，应力场强度因子可表示为

(9)

图3 裂缝模型示意图Fig.3 Schematic diagram of crack model

式中：y为几何影响因子，其取值由裂缝受力方式、裂缝形状和开裂的尺寸综合确定；σ为裂缝处所承受的均布拉应力.

当应力场强度因子低于材料本身的临界应力场强度因子kcr时，材料将始终处于正常状态，不会开裂破坏或失效.一旦由于外力作用增加，导致应力场强度因子超过材料所能承受的临界应力场强度因子kcr，材料将瞬间开裂，并不断拓展，发展到最终的失效状态.在存在裂缝的纤维复合材料中，均匀分布的纤维将裂缝周围材料桥连起来，良好的抗拉性能使纤维能够有效克服因束缚裂缝开展所需要的拉应力.纤维的受拉作用相当于在裂缝尖端处施加一个反向的应力场σf，起到了抵消外力应力场的作用，由此可以计算裂缝处实际的应力场强度因子，即

(10)

由式(10)可以判断出，当混凝土基材掺入纤维形成复合材料后，在外力作用下纤维主要承担拉力作用.位于材料裂缝处纤维承受的拉应力抵消了原有的部分外应力，降低了裂缝处的应力场强度因子，缓解了裂缝周围的应力集中状况，减缓了裂缝开展速度，从而增强材料的韧性.

4 扫描电镜细观结构分析

对玄武岩纤维混凝土开展细观结构分析，使用的电镜设备为日立S-3400N SEM，如图4所示.

SEM分辨率为3.0 nm(30 kV)，放大倍率为5～300 000.所形成的图像分二次电子像和背散射电子像，本试验观察的是二次电子像.本次细观电镜试验分别对直掺法和预处理法工艺制备的玄武岩纤维混凝土进行细观分析.通过扫描电镜对试样典型代表断口表观形态进行判断和分析，结果发现，直掺法相对于预处理法工艺制备的纤维混凝土缺陷多，内部的空隙分布普遍且尺寸较大，骨料之间粘结性能不佳.采用直掺法制备的试样断口SEM图如图5所示.

图4 电子显微镜Fig.4 Scanning electron microscope

图5 直掺法纤维在混凝土中分布状况Fig.5 Distribution situation of fiber in concrete fabricated with direct blending method

根据图5可以清楚地看到，直掺法工艺制备的纤维混凝土内部纤维聚集成束现象比较普遍，在纤维聚集成束端部和附近出现尺寸较大、形状各异的孔隙和孔洞.纤维表面比较光滑，附在其上的骨料颗粒很少见，纤维与混凝土骨料间的粘结也非常松散，不紧凑.根据复合材料理论和纤维间距理论可以推断，纤维复合材料的性能是否良好，在很大程度上取决于组成两种材料各自性能的优异性及两种材料结合的理想程度.由此可以推断，采用直掺法制备的纤维混凝土性能由于其纤维和基材存在结合上的缺陷，很难达到理想的性能效果.采用预处理法制备工艺的纤维混凝土试样典型断口SEM图如图6所示.

图6 预处理法纤维在混凝土中分布状况Fig.6 Distribution situation of fiber in concrete fabricated with pretreatment method

对比图5、6可以看出，纤维预处理法制备的纤维混凝土，其纤维分散性十分均匀，基本没有出现聚集成束的现象.纤维表面沾满基材骨料的细微颗粒，不再光滑、裸露而是比较粗糙.玄武岩纤维与混凝土基材骨料间的空隙十分微细，粘结非常细密、牢固，观察视野里未见大的孔隙和孔洞.由复合材料理论和纤维间距理论可确定，对比预处理法和直掺法两种工艺制备的纤维混凝土材料的基本力学性能，前者势必要优于后者.

通过对玄武岩纤维增强混凝土材料破坏断口的电镜扫描图片进行观察和分析，可以确定：由于抗拉性能良好的玄武岩纤维掺入，并采用科学的预处理法工艺制备，确保不同材料、骨料之间的界面获得良好的粘结能力，抵抗拉力的能力显著增加.采用预处理法工艺制备的纤维混凝土，由于制备时纤维与水泥浆进行了事先充分的拌合，能够让原本成束的纤维分散性更好，在基材中分布更加均匀，促使每根纤维可以被水泥浆充分浸润和包裹，周围孔隙被弥灌和充实，从而使缺陷减少，让纤维周围水泥基水化作用更加充分.当水泥浆与纤维结合后再与混凝土拌合，纤维在基体中的分散性能够充分得到保证，且纤维与周围粗细骨料界面的粘结力势必得到进一步增强.与此同时，预处理法制备工艺也使复合材料内部孔隙及连接薄弱面处数量降低，面积总量减少，由此促使抵御外加荷载时纤维能够承担的摩阻力更大.总而言之，预处理法制备工艺能够使玄武岩纤维对混凝土基材力学性能的增强、增韧效果更为显著.