纤维增强混凝土增强增韧机理分析及对比实验研究

施国栋

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230601)

纤维混凝土由于具有增强增韧力学性能，并能较好地解决工程中构件在冻融、腐蚀、盐侵等极端环境下引起的耐久性问题，一直以来是复合材料领域研究的热点问题之一[1]。连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fiber，简称BF)是在 1 450～1 500 ℃条件下，将玄武岩矿石熔融，经铂铑合金拉丝漏板拉制，进而形成的一种连续性纤维。随着复合材料的发展，玄武岩纤维在全球范围内基本形成了俄罗斯、乌克兰和中国三足鼎立的新格局[2]。进入21世纪后，中国开始涉足玄武岩纤维生产及应用研究。由于具有抗拉强度高、耐酸碱和耐高温等优点，并与混凝土之间具有较好的相容性，玄武岩纤维常被用于改造和增强混凝土结构的力学性能。与钢纤维相比，玄武岩纤维更具有耐久性和耐腐蚀性特点，近年来，将玄武岩纤维代替钢纤维作为混凝土结构增强材料越来越受到研究人员重视[3-6]。由于不同类型的纤维，其力学性能存在一定的差异，因此，纤维材料不同增强的效果也存在较大区别，目前研究比较多的主要有钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维和碳纤维等。不同纤维弹性模量、抗拉强度以及密度之间的对比如图1所示。从图1中可以发现，玄武岩纤维尽管密度小于钢纤维，但其抗拉强度远远大于钢纤维，仅仅次于碳纤维。

图1 不同纤维材料的基本材料属性

近年来，关于纤维混凝土复合材料力学性能及增强增韧机理的研究，研究人员围绕纤维掺量、纤维尺寸和试验方法开展了大量的工作。潘慧敏[7]研究了玄武岩纤维含量对混凝土力学性能的影响，并给出玄武岩纤维的最佳含量为2～5 kg/m3,研究结果表明玄武岩纤维混凝土抗压强度提高了20%，抗冲击性能提高了50%～180%；李文蕾[8]等研究了两种规格的玄武岩纤维体积掺量对机场道面混凝土抗折、抗压强度性能的影响规律，给出机场混凝土道面施工最佳玄武岩纤维体积掺量为0.1%；刘永胜[9]等对超细短切玄武岩纤维混凝土开展了不同加载速率下的压缩试验，结果表明试件的极限荷载和极限变形随着加载速率的提高而增大，体现了玄武岩纤维混凝土低应变率下的应变率效应；彭苗[10]等对短切浸胶玄武岩纤维混凝土进行了抗压、劈裂和抗折强度试验，试验结果表明不同纤维掺量对BFRC力学性能存在一定的差异，纤维掺量为4 kg/m3时抗压强度提高率为46.3%，掺量为4 kg/m3时劈裂和抗折强度提高率分别为27.3%和25%；陈欣[11]等对混凝土基体与纤维间的界面力学传递进行了理论分析，分析了玄武岩纤维阻裂和增强增韧机理；占文[12]等研究了聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维对混凝土抗渗和抗裂性能的影响，结果表明纤维含量为0.9 kg/m3时，能提高混凝土的开裂性能；王海良[13]等研究了5种不同短切玄武岩纤维掺量对C50混凝土抗压、抗折和抗拉强度的影响，研究结果表明玄武岩纤维掺量为2 kg/m3时对混凝土强度的提高效果最显著；吴江[14]等对不同玄武岩纤维长度和掺量混凝土力学性能开展了试验研究，结果表明玄武岩纤维长度对强度影响较小，玄武岩长度为18 mm和体积掺量为0.1%时，BFRC的抗折和抗裂能力增加最为明显；王均[15]等对不同纤维长度、体积掺量和混凝土强度等级组合而成的玄武岩纤维混凝土开展了抗压、劈裂抗拉和弯曲抗拉强度试验，试验结果表明纤维长度、体积掺量和混凝土强度等级对立方体试件的抗压强度影响较小，并给出了不同纤维长度和掺量对混凝土抗压和抗拉强度的影响系数；赵兵兵[16]等研究了玄武岩纤维和聚丙烯纤维混杂混凝土的抗冻性，研究结果表明混杂纤维对混凝土抗冻性能的改善优于单掺量纤维；赵冬雪[17]等研究了聚丙烯纤维、钢纤维和玄武岩纤维在不同掺入量与长度时，自密实混凝土流动性、间隙通过性、抗压强度及劈裂强度的变化情况，并给出了相应的试验结果；李克江[18]等研究了钢纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维及纤维掺量对三元混杂混凝土轴心抗压强度、轴压韧性及轴压破坏形态的影响，研究结果表明，钢纤维体积含量为2%，聚丙烯纤维体积掺量为0.1%，玄武岩纤维体积掺量为0.2%时，混杂纤维混凝土试件在破坏时的轴压韧性较好；赵燕茹[19]等采用数字图像相关方法实时观测三点弯试验中切口混凝土梁全场变形，分析了混凝土梁断裂破坏过程中水平位移和应变的变化规律，建立了起裂韧度和失稳韧度随玄武岩纤维掺量和冻融次数的拟合模型；高真[20]等采用现场试验、电镜扫描及数值模拟相结合的研究手段，对玄武岩纤维对混凝土抗压强度的影响机制开展研究，研究结果表明玄武岩纤维的掺入能够改善混凝土的抗压性能，纤维长度为6mm时的效果最佳；张培辉[21]等通过试验对比了不同纤维体积掺量下玄武岩纤维增强混凝土的力学性能和破坏形态，并对比了5种不同纤维掺加方案，结果表明体积掺量为0.05%～0.2%时可以提高混凝土的劈裂强度，改善破坏后试样的完整性；范炜[22]等采用有限元软件建立了细观层面上玄武岩纤维随机分布力学模型，数值模拟结果表明，玄武岩纤维体现了明显的阻裂效果，随着纤维掺量的增大，纤维对混凝土应力集中的分散效应逐渐增强；程新[23]等研究了玄武岩纤维体积掺量与长径比对泡沫混凝土收缩开裂的影响和体积掺量对泡沫混凝土的减缩抗裂机理，结果表明在相同玄武岩纤维体积掺量条件下，长径比大的玄武岩纤维改善收缩和阻裂的效果更明显；焦华喆[24]等采用DBV和JSCE标准对BFRS韧性进行评价，实验结果表明最优玄武岩纤维含量为4.5 kg/m3；孙一民[25]等对不同纤维体积掺量下的抗压强度变化规律进行研究，结果表明随着纤维掺量的增加，BFRC的抗压和抗劈拉强度呈现先增加、后变缓和再下降的变化趋势。

综上所述，对纤维增强混凝土的研究一直活跃在土木工程领域，说明玄武岩纤维混凝土在该领域中具有广阔的应用范围。随着研究的深入，研究人员对玄武岩纤维增强混凝土的研究方法也不断改进，从一开始的试验分析，逐渐发展到机理探索和数值仿真。但是，目前对于混杂类纤维增强混凝土方面的研究仍然较少。混杂纤维由于综合吸收了不同纤维的优势，在增强增韧混凝土上更具应用价值。研究从理论上分析了纤维增强增韧机理，并在微观上分析了不同工艺对纤维增强混凝土力学性能的影响因素，然后对两种不同制备工艺玄武岩纤维增强混凝土开展准静态力学性能试验，并与常规钢纤维混凝土力学性能进行综合对比。试验结果表明BFRC增强增韧效果在一定条件下优于常规钢纤维混凝土，研究结果对进一步拓宽BFRC应用领域具有一定的参考价值和重要的应用价值。

1 纤维增强增韧理论分析

混凝土是典型的脆性材料，其抗压强度远大于抗拉强度，但在实际应用中，难免存在一定的拉应力作用。已有研究表明将纤维材料掺入到混凝土中，可以阻止混凝土内部微小裂纹扩展和抑制损伤的积累。关于纤维增强增韧理论的分析，具有代表性的有基于复合材料力学的混合定律、基于断裂力学的纤维间距理论和基于界面应力传递的剪滞理论。

1.1 纤维混合定律

混合定律将纤维增强复合材料的各项性能等效于基体性能和纤维性能的加权和，并且假定纤维均匀平行分布、纤维与混凝土基体均为各项同性、纤维与基体间不存在相对滑动，混合定律简化模型如图2所示。

由图2所取简化计算模型，则有：

Pc=Pf+Pm,

(1)

式中,Pc、Pf和Pm分别为作用在复合材料、纤维和基体上的荷载。

将其转化为应力表示，则有：

σc=σfVf+σmVm,

(2)

式中,Vf和Vm分别为纤维体积比和基体体积比。

由于该模型假定材料处于线弹性范围，所以有：

Ec=EfVf+EmVm。

(3)

纤维在混凝土中的分布实际上是不连续的乱向分布，因此，在实际应用过程中，需要综合考虑纤维的取向、长度以及与基体界面的粘结等因素对纤维增强复合材料强度的影响。

1.2 纤维间距理论

纤维间距理论认为纤维复合材料的增强效果与纤维间距有关，并认为材料破坏机理是其内部微裂纹和微孔洞等初始缺陷在外荷载作用下产生的应力集中所导致。纤维间距理论纤维约束模型如图3所示。根据该模型得到纤维材料强度的半经验抗拉强度公式如下：

(4)

式中,σct为纤维复合材料的抗拉强度；k为与纤维粘结性能有关的参数；s为纤维平均间距；sc为纤维产生增强的最大间距；σmt为基体的抗拉强度。

图2 纤维复合材料力学模型 图3 纤维间距理论模型

纤维间距理论忽略了纤维自身的复合增强效应和纤维长度对增强效果的影响，因此，在实际应用中仍需结合试验数据给出定量分析结果。

1.3 剪滞理论

剪滞理论认为纤维与基体间存在界面层，当外荷载作用于纤维复合材料时，荷载先作用于基体，荷载通过纤维-基体界面进行应力传递，使得荷载由纤维和基体共同承载，进而起到增韧增强作用。

剪滞模型示意图如图4所示。图4中rf表示纤维半径；R表示基体半径。由平衡方程则有：

(5)

式中，σf为纤维轴向应力；τi为界面上的剪应力。

在式(5)基础上，根据胡克定律以及纤维与基体间的边界连续条件，可以得到纤维的正应力与剪应力如下：

(6)

(7)

由剪滞理论得到的纤维拉应力与剪应力分布如图5所示。剪滞理论认为纤维与基体之间不发生相对滑动，但在实际试验中发现，纤维端部高剪应力区存在相对滑动现象，甚至出现纤维被拔出现象。由此可以看出，关于纤维增强复合材料的强度问题，其理论模型仍处于定性分析阶段。由于实际纤维增强材料的复杂性，定量描述其强度特征及其破坏规律，需要进一步的试验结果作理论分析的支撑。基于此，在已有理论分析的基础上，设计了纤维增强混凝土压缩试验，通过试验进一步探索其增强增韧机理。

图4 剪滞模型 图5 纤维剪应力与拉应力分布

2 实验研究

2.1 纤维增强混凝土试件制备

研究所涉及的实验材料有：水泥、中粗砂、花岗岩骨料、减水剂、玄武岩纤维和钢纤维。两种不同纤维材料力学性能指标如表1所示，综合分析已有BFRC的研究成果，实验中所采用的两种纤维长度均约为18 mm，其中钢纤维几何形状为端钩形。纤维含量分别为0.4%、0.8%、1.5%、2.0%、2.5%和3%，制备方法分别采用一次掺加和分层掺加。

表1 两种纤维材料力学性能

两种纤维增强混凝土试件根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 50081-2002) 进行制备，初始混凝土配合比如表2所示。试件制备如图6所示，在搅拌机中先加入砂子和骨料搅拌均匀，静置180 s后，加入减水剂、水泥和玄武岩纤维。其中玄武岩纤维不同的制备工艺，采用不同的掺入方式，有一次掺加和分层掺加。

表2 初始混凝土中不同材料含量(单位：g/cm3)

图6 试件制备过程示意图

所需原材料均加入后进行搅拌，静置180 s后将纤维混凝土砂浆注入标准模具。为进一步减少试件的孔隙率，将磨具放到振动台上振动密实成型，并需静置24 h后进行拆模，拆模后将试件放入恒温养护室进行养护。养护室的温度为20±2 ℃，将试件放在试件放置架上，雾化加湿，相对湿度保持在95%以上，如图7所示。

图7 试件养护

图8 准静态压缩实验原理

2.2 准静态压缩实验

准静态压缩实验在DSN600试验机上完成，试件放置在试验机下方承压盘上，试件的中心轴与试验机的中心保持对中。采用位移控制方法匀速加载，为确保试件接近准静态压缩状态，加载时其加载速度为0.001 mm/s，并以此作为参考值，与较大加载速率下的抗压强度进行对比，试件加载原理如图8所示。试验中，压头向下以一定的加载速度运动对试件进行加载，并由负荷传感器记录荷载大小及其位移变化值。

3 实验结果及分析

3.1 制备工艺对BFRC增强增韧性能分析

研究所采用的BFRC制备方法分别为一次掺加和分层掺加，不同制备工艺得到的BFRC试样断口微观组织结构示意图如图9所示。从图9中可以看出,一次掺加玄武岩纤维制备的BFRC试件，其内部纤维容易产生聚集，在聚集区附近，存在一定的空隙与空洞现象，玄武岩纤维与混凝土之间的胶结较为松散；分层法掺加玄武岩纤维避免了纤维聚集现象，纤维分散较为均匀，纤维表面与混凝土之间胶结紧致，空隙与空洞少。根据纤维间距理论得到的半经验抗拉强度式(4)可知，纤维复合材料增韧增强性能主要取决于组成复合材料的结合程度及其间距分布均匀性，由此可以判断，分层法得到的BFRC，其增韧增强作用效果更优。

图9 不同制备工艺BFRC试样断口SEM示意图

通过准静态压缩实验得到两种不同制备工艺的试件破坏模式，分层掺加BFRC破坏形态如图10所示,一次掺加BFRC破坏形态如图11所示。试验结果表明分层掺加混凝土强度增强效果明显，一次掺加的强度增强效果较差。一次掺加工艺对垂直于添加面的抗压强度提高较为明显，由于浆液不能有效地粘结玄武岩纤维与混凝土的交界面，此种工艺的弱点是降低了交界面有效应力，但可以提高垂直于交界面的冲击韧性。分层掺加工艺可以有效地把玄武岩纤维均匀地拌合到混凝土中，对提高整体的冲击韧性效果明显。

图10 分层掺加BFRC破坏形态 图11 一次掺加BFRC破坏形态

3.2 纤维增韧增强分析

通过准静态加载实验得到不同玄武岩纤维含量BFRC试件的抗压强度，如图12所示。试验结果表明，玄武岩纤维含量低于0.4%时，对混凝土增韧效果不明显；含量为0.8%时，对混凝土的韧性增强有了较大提高；当含量达到1.5%时，其抗压强度出现降低现象，但韧性有了很大提高，只产生了部分破坏，BFRC整体性较好。实验结果表明：由于玄武岩纤维的吸水性较强，导致混凝土中的含水量降低，对BFRC的和易性具有一定的影响，不利于混凝土强度的提高；玄武岩纤维含量在0.2%～1.5%区间内，玄武岩纤维对BFRC抗压强度的影响较小。

玄武岩纤维对砂浆强度的影响如图13所示。由图13可知，玄武岩纤维含量较高时得到的BFRC抗压强度。实验结果表明：当玄武岩纤维含量低于1%时，随着玄武岩纤维含量的增加，BFRC的强度降低；当玄武岩纤维含量在1%～2%时，随着玄武岩纤维含量的增加,BFRC的强度不断得到提高；当含量超过2%后，随玄武岩纤维的含量增加，BFRC的强度提高相对比较缓慢。

图12 玄武岩纤维对混凝土强度的影响图13 玄武岩纤维对砂浆强度的影响

为进一步分析纤维增强增韧力学特性，对SFRC试件也开展了准静态压缩实验。不同钢纤维含量SFRC试件的抗压强度对比曲线如图14所示。从图14中可以看出，钢纤维对混凝土强度的增强效果较明显，当含量低于1.5%时，钢纤维对混凝土的增强呈线性增加；当含量高于1.5%时，钢纤维的增强效果明显减弱。

图14 钢纤维对混凝土强度的影响

钢纤维混凝土破坏形态如图15所示。从图15中可以看出，由于钢纤维的加入，明显提高了混凝土的抗剪性能，裂纹呈竖线状态。

图15 钢纤维混凝土破坏形态

钢纤维对砂浆强度的影响如图16所示。由图16可知，由于砂浆相对混凝土的和易性较好，试验表明钢纤维对混凝土的增强呈线性增加，此次试验钢纤维的含量最大为2%。

图16 钢纤维对砂浆强度的影响

SFRC破坏形态如图17所示。由图17可知，钢纤维混凝土破坏形态呈竖状裂纹，SFRC破坏形态未发生崩碎现象，说明钢纤维混凝土的韧性有很大提高。

图17 SFRC破坏形态

3.3 混杂纤维对砂浆强度的增强效果

实验中所采用的混杂纤维为固定玄武岩纤维的含量，通过改变钢纤维的含量从而找到最佳的钢纤维含量，实验测出不同钢纤维含量的混杂纤维砂浆强度如图18所示。实验表明：掺入玄武岩纤维降低了砂浆的和易性，提高了砂浆的早期强度，对后期强度影响不大，钢纤维增强了纤维增强混凝土的强度与韧性。

图18 混杂纤维对砂浆强度的影响

实验得到三种不同纤维含量增强混凝土试件的抗压强度如图19所示。从图19中可以看出，玄武岩纤维含量为2%时，BFRC的抗压强度增强幅度较小，相同纤维含量下SFRC的抗压强度增强幅度大于BFRC；玄武岩纤维含量为1.5%和钢纤维含量为2%的混杂纤维增强混凝土，其抗压强度增加幅度最大。

为进一步探索BFRC与SFRC的增强增韧力学性能，采用不同加载速率进行压缩实验。加载速率为0.01 mm/s时，两种不同纤维增强混凝土试件的抗压强度对比如图20所示。从图20中可以看出，当加载速率提高10倍时，BFRC强度提高幅度为15%，SFRC强度提高幅度为7.85%。

图19 两种纤维及混杂纤维对砂浆强度影响的对比图20 快速加载条件下两种纤维对砂浆强度的影响

综上分析，纤维增强混凝土存在不同的增强增韧机制，其中作用范围较大的(如骨料)为一级增韧机制，骨料与混凝土之间的桥接作用范围为二级增韧机制，混凝土中的砂粒为三级增韧机制。由于混凝土制作过程中难免出现空洞与初始缺陷，纤维的掺入是对已有增韧机制的补充。实验结果表明，纤维增强混凝土属于典型的增韧相匹配问题，不同配合比混凝土与不同纤维材料、纤维几何特征、纤维体积掺量均存在一个最佳增韧相匹配，在综合分析已有研究成果基础上开展了部分增韧相匹配试验。在普通混凝土中掺入钢纤维可有效提高混凝土的抗折强度，但是对混凝土的抗压强度提高有限。尽管纤维的强度和韧性大于素混凝土，但是，增韧相匹配不合理会导致不同相之间力学性能的突变。根据最小作用原理反而会影响纤维性能的发挥，导致SFRC强度的局部衰减，进而影响SFRC整体力学性能。如在钢纤维含量混凝土中，虽然提高基体混凝土的性能至关重要，但是，纤维的掺量对混凝土抗压和抗折强度也存在较大影响，研究表明钢纤维体积掺量每提高1%，抗压强度提高8%左右，抗折强度提高35%左右。

4 结论

试件破坏结果表明纤维增强混凝土复合材料破坏以基体破坏为主，剪滞理论认为纤维与基体之间不发生相对滑动，更适合用于描述实际试验中的破坏模式。玄武岩纤维含量小于1.5%时，BFRC抗压强度随着纤维含量的升高而降低；当玄武岩纤维含量大于2%时，BFRC抗压强度随着纤维含量的升高而增强。准静态压缩实验中，玄武岩纤维对提高BFRC抗压强度作用较小，玄武岩纤维含量过大时，其抗压强度存在降低现象。玄武岩纤维含量为1.5%和钢纤维含量为2%的混杂纤维增强混凝土，其抗压强度增加幅度最大。当加载速率提高10倍时，BFRC强度提高幅度为15%，SFRC强度提高幅度为7.85%，BFRC抗压强度的提高幅度约为SFRC抗压强度的两倍。