关于复合材料-土建结构的力学特性与加固技术探究

霍 军

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075）

天然有机质复合材料在土建混凝土结构中的应用，用以加强加固混凝土结构，防止其在后续应用及风化过程中产生裂隙，该技术在17世纪混凝土出现早期既有广泛应用。后期随着钢筋笼加强技术在土建混凝土结构中的应用，该技术逐渐被淘汰[1]。

但是，近年来出现两个技术契机：其一，钢筋混凝土土建结构被证实其混凝土力学特性表现并不及早期混凝土结构，如17世纪构建的基于天然有机复合材料加固的混凝土土建结构，其裂隙率远小于20世纪构建的钢筋混凝土土建结构；其二，合成复合材料技术近年来取得突飞猛进的发展，且改性混凝土提升混凝土土建结构自身力学特性的相关研究也出现了大量研究成果[2]。所以，保持使用钢筋混凝土复合材料的同时，使用合成复合材料纤维对混凝土土建结构进行针对力学特性的优化，使其自身加固性能得到充分发挥，是该文分析的重点[3]。

1 复合材料的选择与其自身力学特性

17世纪采用的天然有机土建结构复合材料主要为棉纤维或木棉纤维，主要成分是纤维素，也还有部分蛋白质等有机材料。近年来使用的合成复合材料纤维，主要成分为聚氯乙烯纤维、聚酯纤维、聚苯乙烯纤维等，采用热拉丝工艺制作成直径0.3mm的合成材料纤维，其纤维长度远超过天然复合材料纤维，抗拉性能也远超过天然复合材料纤维[4]。

该研究将聚酯纤维合成复合材料纤维采用体积比1:30，重量比1:500的比例混入到C30混凝土材料中，形成复合材料改性混凝土。在Matlab下加载Simuworks仿真组件，在仿真环境下分析其力学性能[5]。

1.1 合成复合材料对混凝土抗压性能的改性效果

比较分析平均纤维长度20mm至200mm的聚酯纤维合成复合材料对混凝土抗压性能的改性效果，得到图1。

图1 复合材料纤维长度对改性混凝土抗压性能的影响Fig.1 Effect of fiber length of composite material on compressive performance of modified concrete

图1 中，所有混凝土结构模型均设定为500×500× 500(mm)，且所有模型采用的除复合材料纤维外的配方保持不变，所有模型的纤维材料掺入比（包括体积比和重量比）均保持一致，影响其力学性能的工艺参数仅为复合材料纤维的长度。可以看到，未掺入复合材料的参照模型，其抗压强度约为30.4MPa，符合C30混凝土的基本要求，当纤维长度为40mm时，可以将改性混凝土的抗压强度增加到35.7MPa，较改性前高出17.4%，达到最佳的改性优化结果。但是，当复合材料纤维长度超过40mm时，其实际优化效果会逐渐降低，当复合材料纤维长度达到200mm时，其抗压强度仿真结果达到29.7MPa，低于改性前水平。可以发现，如果采用直径0.3mm聚酯纤维合成复合材料进行混凝土加固改性优化时，其纤维长度应选择在40mm水平[6]。

1.2 合成复合材料对混凝土抗拉性能的改性效果

混凝土结构因为抗拉性能远不及钢筋，所以在土建结构设计中，基本不考虑混凝土的抗拉性能。但相关研究考察的17世纪天然复合材料改性混凝土抗拉表现中，发现其抗拉性能达到当前混凝土的2.3倍以上，以至于其整个结构中并未使用钢筋笼结构，也可以保持较高的稳定性。当前技术条件下，如果配合钢筋笼技术，进一步增加混凝土结构本身的抗拉性能，可以利用合成复合材料对土建结构的力学性能进行充分优化[7]。

仿真测试中，用线载荷劈裂强度测试混凝土的抗拉性能，得到图2结果。

图2 复合材料纤维长度对改性混凝土抗拉性能的影响Fig.2 Effect of fiber length of composite material on tensile properties of modified concrete

图2 中，40mm聚酯纤维复合材料产生的抗拉加固效果最佳，与抗压加固效果的差异表现在，当聚酯纤维复合材料长度达到150mm时，其实际改性混凝土的抗拉效果就会低于改性前表达值。同时，相比较其对抗拉性能的改性效果，复合材料对改性混凝土的抗拉效果改进效果显著更强，加入40mm聚酯纤维复合材料后，混凝土抗拉性能提升150.7%，远超过其对混凝土抗拉性能17.4%的改进效果[8]。

同时需要指出，文献记载17世纪的天然复合材料改性混凝土抗拉性能提升幅度约为2.3倍，即其提升幅度达到130%以上，但该技术相比较今天的混凝土技术有两点不足：第一，其改性后实际混凝土抗拉强度仅能达到C15或C20标准，而该试验中使用的混凝土抗拉强度为C30标准，实际工程中还可能使用C50甚至更高标准的混凝土土建结构；第二，今天的混凝土技术除混凝土本身的土建结构力学特征表现外，还使用了钢筋笼结构等辅助结构加强混凝土性能。所以，今天的混凝土技术仍然显著优于17世纪混凝土技术[9]。

2 合成复合材料对土建结构力学特征的作 用原理

2.1 合成复合材料对混凝土力学特征的提升原理

合成复合材料纤维，以该研究中考察的直径0.3mm聚酯纤维为例，其本身具有一定的抗拉强度和抗拉弹性，加之改性前，混凝土材料本身为分子键连接的颗粒粘结结构，本身不存在“各向异性”。即颗粒间通过相邻接触面的分子键发生粘结，不论是抗压性能还是抗拉性能，其发生结构破溃时，均是大范围分子键发生断裂，其核心表现均为混凝土结构的抗拉性能。所以，提升混凝土结构的抗拉性能，是在混凝土材料中加入合成复合材料纤维的核心目的[10]。

加入合成复合材料前后，其微分子结构如图3所示。

图3 复合材料对改性混凝土的微分子结构影响示意图Fig.3 Effect of composite materials on micro molecular structure of modified concrete

图3 中，为简化思路下假定混凝土中微分子颗粒为SiO2颗粒，分子间通过Si-O分子键连接，分子内通过Si-O化学键连接。图3（a）中，未加入复合材料前，每个分子最多对外生成4个分子键，即2个O原子与1个Si原子形成2个分子键；图3（b）中，加入高分子复合材料后，复合材料中的大部分H原子均可与邻近的O原子产生分子键，且高分子复合材料中的C链由化学键进行连接，不同类型化学键（如C-C键、C-H键、Si-O键等）的键能有所差异，但绝大部分化学键的键能是分子键的104～106倍，所以结构力学中的压力、拉力等作用，基本无法破开化学键，该研究仅考虑分子键的破溃可能。复合材料对混凝土结构的实际影响，是将相当一部分分子键连接转化成了负荷材料纤维内部的化学键，足以提升混凝土材料的稳定性，增加其力学性能[11-12]。

从微分子尺度分析中可以发现，不论何种高分子纤维材料，不仅仅是该研究中使用的聚酯纤维材料，其对混凝土改性过程的促进原理基本相同，均为将混凝土材料中的大量分子键转化成C链中的化学键，增加混凝土材料的稳定性，所以，更细的高分子纤维材料在理论上可以发生更多分子间接触，以实现更优的改性性能。选择不同的高分子复合纤维材料，主要考察其最小工艺直径是否能达到更细纤维的工艺要求。

2.2 长纤维合成复合材料纤维的弊端

在更大尺度上，因为过长的复合材料纤维容易在混凝土拌和及固化过程中接团或者结缕，造成微观结构上的局部不匀称性。且混凝土浇筑过程中，过长的复合材料纤维容易形成气泡、裂隙等振动成型瑕疵，混凝土施工难度加大，造成混凝土筑块的实际稳定性受到影响。裂隙和气泡对混凝土筑块的结构力学影响，同样表现为分子键的形成过程。在气泡和裂隙中，因为混凝土结构中大量分子之间无法有效接触，难以形成分子键连接，导致材料中分子键密度显著下降，最终导致混凝土材料虽然加入了较长的长纤维复合材料纤维，其实际力学特征反而表现为下降。

当前混凝土材料的施工工艺，多为铸模、浇筑、振动、成型、养护的过程。该工艺过程允许使用的最长复合材料纤维约为40mm，更长的纤维则会在当前施工工艺中形成大量气泡、裂隙结构，影响混凝土结构的均质性，进而影响其结构力学性能。上述微分子视角分析中，复合材料纤维的加入目的，本身是改变混凝土材料的“各向同性”，增加其“各向异性”，利用纤维材料与混凝土颗粒之间的分子键-化学键体系，使其形成微观上的长带型结构，增加混凝土材料的微观抗拉性能，防止压力作用下混凝土材料的法向崩坏。但如果加入过长的纤维材料，在混凝土材料中形成裂隙和气泡，则会严重破坏这些长带型结构之间的分子键联系，反而导致混凝土材料的结构力学环境破坏。

3 结语

仿真实验中选择长度40mm直径0.3mm的聚酯纤维作为混凝土加固复合材料，加入比例为质量比1:500，体积比1:30，可以让混凝土材料的抗压特征提升17.4%，抗拉特征提升150.7%。从高分子材料的微分子结构分析，加入高分子纤维材料的实际微分子结构力学表达，是将大量低键能的分子键转化为高键能的化学键，部分连接键键能提升104～106倍，这一过程可以大幅度提升混凝土材料的稳定性。但是，加入长度过长的聚酯纤维，会在当前工艺下产生气泡和裂隙，导致混凝土材料结构力学特征的下降。后续研究应侧重高分子合成复合材料在混凝土中应用的施工工艺研究，如果更长的合成材料纤维不会在施工工艺中产生气泡、裂隙等瑕疵，在理论上可以为混凝土材料提供更优越的改性特征。