柔性和刚性纤维砼的断裂性能对比分析

贺丽丽, 杨建江, 刘津明, 臧登科(.天津大学仁爱学院 建筑工程系，天津 30636； .中国建筑设计研究院，北京 00044)

柔性和刚性纤维砼的断裂性能对比分析

贺丽丽1, 杨建江1, 刘津明1, 臧登科2
(1.天津大学仁爱学院 建筑工程系，天津 301636； 2.中国建筑设计研究院，北京 100044)

论文分别对以钢纤维砼(SFRC)为代表的刚性纤维砼和以聚丙烯纤维砼(PPFC)为代表的柔性纤维砼进行分析，分析主要从力学特性、增韧阻裂机理和应用前景三方面着手，其中断裂性能分析为重点，对比总结出两种纤维砼的优势和劣势，以期对相关工程人员施工和设计环节中材料选取时有一定的参考价值。

纤维；砼；力学特性；断裂性能；对比分析

普通砼既非均质又不是各项同性，不是理想的弹塑性材料。加之其自重大，抗拉强度低，易开裂的特点，尤其是具有本质脆性的特征，严重影响了它的耐久性，阻碍了其进一步发展与应用。所以，提高砼的抗拉强度和延性具有重要意义。纤维砼的出现很大程度上改善了这一弱点。目前，国内对纤维砼的普通力学性能研究的较多，但对其断裂韧性研究较少。1961年Kaplan首先将断裂力学概念引用于砼，并进行了砼断裂韧度试验。因其优异的阻裂特性，纤维砼已成为世界上研究最多，应用最广的纤维增强水泥基复合材料。

目前关于均匀而任意分布的纤维对砼的增强机理存在着两种不同的理论解释，其一为美国Romualdi提出的“纤维间距机理”：其二为英国的Swamy，mangat等人提出的“复合材料机理”。两种机理均为估计纤维砼初裂强度或比例极限。其增韧机理为：纤维砼的破坏过程中，主要存在3种破坏机制，即水泥石基体中的破坏机制(如微裂缝屏蔽机制)、集料偏转裂缝破坏机制和拔出破坏机制。利用这些机制，增加断裂过程中的能量耗散是降低材料脆性、改变砼断裂特性的主要措施，增加能量耗散强的分散相使裂缝受阻和产生裂缝偏转有两种方式。由于纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于硁内部，犹如在砼中掺入巨大数量的微细筋，故微裂缝在发展的过程中必然受到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而达到抗裂的作用和有效的抗冲击目的，提高了硁的断裂韧性，这些单靠加强钢筋是不能实现的。

纤维的种类众多，根据纤维的弹性模量，分为刚性纤维(弹性模量约为砼的10倍)和柔性纤维(弹性模量约为砼的1/10倍)两种。本文主要从断裂力学的角度对以钢纤维砼(SFRC)为代表的刚性纤维砼和以聚丙烯纤维砼(PPFC)为代表的柔性纤维砼的断裂性能进行分析、对比。为使读者对两者的断裂性能性有一个更直观的对比，本文以普通砼为媒介，把两者间的直接比较转换为两者的间接比较，即两者分别与普通砼的断裂力学性能作比较。

1 刚性纤维砼

SFRC是在普通砼中随机掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的短纤维主要阻碍砼内部微裂缝的发展和阻滞宏观裂缝的发生与发展,增大了砼的韧性[1]。目前对于钢纤维砼的研究工作进行的较多，取得了许多研究成果。

1.1 钢纤维砼(SFRC)力学特性

根据国内外理论研究和试验结果，钢纤维砼不仅保持普通砼自身优点，更重要的是因钢纤维的掺入，对砼基体产生了增强、增韧(由于钢纤维是典型的高模量纤维)和阻裂效应，从而显著的提高了砼的抗拉、抗弯强度，阻裂、限裂能力(图1)，抗冲击、耐疲劳性能，明显延长了其使用寿命。可见，钢纤维砼作为一种新的复合材料，具有普通砼至今还未有的性能，弥补了砼的不足，最初成为砼良好的改性材料。但钢纤维砼与普通砼比较，最为明显的不足是由于钢纤维的加入，其和易性明显降低。

图1 钢纤维砼和普通砼受压破坏荷载—位移曲线对比

1.2 钢纤维砼的增韧阻裂机理

钢纤维砼增韧属于增加能量耗散两种方式中的第一种方式，主要利用钢纤维拔出破坏机制，即由于钢纤维的阻裂增强作用，使钢纤维砼在破坏之前有大范围的缓慢稳定裂缝扩展，以及裂缝尖端存在微裂缝区或裂缝过渡区。

在断裂力学中，对于钢纤维砼的增强机理，最早的解释是美国Romualdi提出的纤维间距机理。Romualdi等人揭示了纤维在砼中的阻裂机理[2]，并沿用至今。Romualdi等人假设纤维与砼完全连接并将纤维的作用等效为铆固力，得出的结论只适用于刚性纤维。也有研究人员从其他角度定性的阐述了钢纤维砼的增韧阻裂机理[3]。此文应用纤维间距机理进行分析。纤维间距机理是基于线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。该机理认为，在硁内部原来就存在缺陷，欲提高这种材料的强度，就必须尽可能地减小缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。由拉伸应力所引起的粘结应力分布(τ)产生于和纤维相邻近的裂缝端部附近，起着约束裂缝开展的作用。如果设拉伸应力引起的内部裂缝端部应力集中系数为Kc，而与裂缝端部相邻近的粘结应力分布τ产生的具有相反意义的、起约束作用的应力集中系数为Kf，则总的应力系数KI就将减小，初裂强度得以提高。即：

KI= Kc-Kf

式中：Kc为砼基体的应力强度因子；Kf为刚性纤维作用产生的应力强度因子；当KI≥Kcr时，材料则发生断裂破坏；当KI

显然，这一方法能较好地解释纤维在砼基体中的阻裂机理。因为纤维作用产生的应力强度因子降低了裂纹的总应力强度因子KI，降低值的大小为由纤维作用产生的应力强度因子Kf。所以纤维砼的初裂强度较普通砼得以提高，且Kf越大，总应力强度因子KI越小，纤维砼的初裂强度提高的幅度越大。可见，单位面积内的纤维数越多，纤维间距愈小，强度提高的效果就越好；纤维的弹性模量越大，抗裂效果越好。从而其抗弯强度、抗冲击强度、抗疲劳强度、延展性韧性等力学性能也相应的提高。

1.3 钢纤维砼应用及前景

钢纤维砼和普通砼相比具有良好的材料性能:较好的开裂荷载和极限承载力，优良的抗收缩、抗开裂能力等。它已经广泛应用于机场、路面、桥面铺装等等结构物中，可以充分发挥其弯拉强度高,抗裂,抗疲劳, 耐磨,抗冲击性能好的特点,可取代钢筋,减薄道面厚度,加大缩缝间距,缩短施工周期,提高工程质量,降低工程维修费用,延长工程使用寿命。

钢纤维砼固然有很多长处，但目前在进一步推广应用上还受到一定的限制。这虽然有工艺上的一些原因，如施工和易性较差，搅拌和振捣时会发生纤维成团或折断等问题，粘结性能也有待进一步改善，但是，价格贵亦是影响钢纤维推广使用的一个重要因素。钢纤维砼中的钢纤维必须达到一定的体积掺量(体积率的1 %，每1 m3砼需要钢纤维约78 kg)，才能使钢纤维砼的性能发生明显的改变。一般钢纤维的长度选择在20～30 cm，长径比一般为60～100，掺量在1.0 %～1.5 %。故钢纤维砼的造价相对较高。

因此,改进钢纤维的生产工艺，加大钢纤维与硁基体间的粘结力，使钢纤维的增效性能充分发挥，在保证钢纤维硁力学性能的前提下，降低钢纤维用量以便取得较高经济效益，是钢纤维砼在我国工程中得以广泛应用的另一发展前景。钢纤维的制造价格也将随着生产方法的改善和技术设备的更新而不断降低。但我们完全有理由相信，在不远的将来，它一定会在国外更多的应用范围内显示出强大的优越性。

2 柔性纤维砼

基于上述情况，鉴于刚性纤维增强砼造价、施工、搅拌的不便，钢纤维增强砼的配制和施工方法必须得到改进，为此，促进了柔性纤维增强砼的产生。

1960年，Goldfein的早期研究工作发现，在水泥静浆与砂浆中掺加少量聚丙烯纤维可以明显提高它们的抗冲击性。此后，英国将短切聚丙烯膜裂纤维少量(≤0.05 %)掺加入混凝土中用以制造桩壳、墙板、浮体等预制品。1970年美国开始大力开发丝束相连的膜裂聚丙烯纤维，用以代替钢筋网片控制砼的收缩。近20多年陆续开发出一系列可掺入砼中的单丝合成纤维，如聚丙烯、尼龙、聚酯、聚丙烯晴、聚乙烯等。

2.1 聚丙烯纤维砼(PPFC)力学特性

通过柔性纤维砼抗压测试[4]加入柔性纤维后，硁的抗压强度和普通硁的抗压强度相比如图2所示。

图2 聚丙烯纤维砼和普通砼受压破坏荷载—位移对比曲线

图2表明普通砼受压破坏荷载—位移曲线始终或多或少的在聚丙烯纤维砼受压破坏荷载—位移曲线的下方。从接近极限荷载到达到极限荷载直至超过极限荷载的过程中，柔性纤维砼的竖向变形量较大，材料仍能够承担较大的荷载，荷载位移曲线从走平到下降的趋势较弱；而普通砼在达到其极限荷载时，荷载位移曲线从走平到下降的趋势更明显。这是由于柔性纤维砼中由于纤维的存在，使得裂纹有一个较长的稳定扩展过程。跨越裂纹的柔性纤维提供了阻滞裂纹发展的闭合集中力，这说明加入柔性纤维提高了砼受冲击时吸收动能的能力，阻滞或延缓了砼中裂缝的扩散与发展，并使柔性纤维砼最终破坏需要较多的能量。

受压状态下柔性纤维砼中裂纹稳定扩展的规律很好地解释了柔性纤维砼砼具有二次承压的试验现象[5]。二次承压即当纤维砼抗压试件达到它的极限荷载后，进行二次加载，它仍能承受极限荷载75% 以上的荷载；而对比的普通砼达到极限承载力后几乎不能再承受二次加载。这一性质对于延性要求高的路面结构尤其是对地震设防烈度高的地区具有非常大的优势。

通过对柔性纤维砼进行断裂韧性实验研究[6-7]和疲劳试验研究，文献[6]取得的初步结果显示：柔性纤维砼的断裂韧性比普通砼高，表明其抗裂性能明显优于普通砼，断裂能显著高于普通砼；文献[7]结果显示：同等应力水平下，柔性纤维砼的疲劳寿命高于普通砼，一般为普通硁的疲劳寿命的2倍左右。同时加入柔性纤维后，硁抗收缩、抗冲击、抗渗性能和耐久性均有相当提高。和刚性纤维砼最大的不同是：柔性纤维的加入，没有影响砼的和易性。

2.2 聚丙烯纤维砼的阻裂增强机理

鉴于应用Romualdi等人最早揭示的纤维在砼中的阻裂机理，得出的结论只适用于刚性纤维，而对弹模小于砼的柔性纤维来说该的理论不再适用。研究发现用现有的线弹性断裂模型分析柔性纤维增强砼的阻裂机理最直接的方法是K叠加法[8]，同时按照更合理的力学分析方法来阐明柔性纤维的阻裂增强机理。按照K叠加法，柔性纤维增强水泥砼中裂纹的应力强度因子KI可以表示为：

KI= Kc-Kf

式中：Kc为砼基体的应力强度因子。

由远场均匀拉力σ产生的应力强度因子为：

式中：Kf为柔性纤维作用产生的应力强度因子．

先考虑1根纤维的作用(图3)，由圣维南原理，柔性纤维等效为集中力P，P所产生的裂纹近端应力强度因子为：

图3 裂纹表面作用一对等效集中力P

当KI≥Kcr时，材料则发生断裂破坏；当KI

配制纤维砼时，尽可能控制其断裂时，纤维是被拉断而不是被拔出。判断纤维的断与不断要以应力为标准，与纤维的粗细无关，也不是以外力大小来衡量。

2.3 聚丙烯纤维砼应用及前景

柔性纤维的应用相对刚性纤维的应用较晚。柔性纤维硁具有明显的抗收缩、抗裂，抗冲击和耐疲劳性能。同时柔性纤维配置高性能砼时不需要改变原有配比，只在砼拌和时加入柔性纤维即可，亦即完全采用普通砼的配比。因此配置砼的材料无需特别选择。柔性纤维容易分散，施工方便、快捷，无特殊的质量控制要求。柔性纤维配置高性能砼时，只要很小的体积掺量(0.05 %)，柔性纤维砼就会产生明显的抗收缩和抗裂效果，可见经济性强。柔性纤维砼性能优良、造价较低，施工方便，是一种良好的建筑材料，尤适用于承受反复荷载的道路及铺面工程的修建。

因此，从某种意义上讲说，柔性纤维砼就是一种高性能砼，且用柔性纤维配制高性能砼具有明显的可行性。相信柔性纤维砼在土木工程中的应用必将带来可观的技术和经济效益。在不远的将来，它一定会在国外更多的应用范围内显示出更加强大的优越性。

3 结 论

通过以上的分析比较，得出以下结论：

(1)使砼达到相同的质量，柔性纤维的体积掺量(一般不超过0.2 %)小于刚性纤维的掺量(一般在1.0 %～1.5 %之间)。钢纤维硁中的钢纤维必须达到一定的体积掺量(体积率的1 %，每1 m3砼需要钢纤维约78 kg)，才能使钢纤维硁的性能发生明显的改变。而柔性纤维加入砼中后，只要很小的体积掺量(0.05 %，每13砼需要柔性纤维约为0.455 kg)，柔性纤维硁就会产生明显的抗收缩和抗裂效果。

(2)在低掺量(纤维的体积含量不超过0.2 %)的条件下，柔性纤维砼的抗裂、抗冲击。抗疲劳等性能优于刚性纤维砼。

(3)柔性纤维砼的成本低于刚性纤维砼的成本，由于刚性纤维体积掺量大，故钢纤维砼的成本相对较高。

(4)柔性纤维砼没有影响普通砼的和易性，而刚性纤维砼的和易性差。尤其在实际工程中，常常因拌和物干涩而加水，影响刚性纤维砼的强度；在施工中，由于拌和物的和易性差导致堵管，最终影响施工质量和进度。柔性纤维的加入则在不改变砼配合比的前提下，砼的和易性也不受影响。

[1] 高丹盈，刘建秀.SFRC基本理论[M]．上海：科学技术文献出版社，1994.

[2] Romuadi J．P．and Mandel J．A．Tensile strength of concrete affected by uniformly distributed and closely spaced short lengths of wire reinforcement[J]．ACI Journal，1964，61:657-671．

[3] 沈忱，庄泳浩.钢纤维混凝土增强机理及其性能影响因素[J].建筑技术开发，2006，33(5):81-83.

[4] 易志坚.新型柔性纤维砼薄层路面性能及应用研究[R].重庆：重庆交通学院，2004.

[5] 陈舣亦，赵凤杰，易志坚，等.柔性纤维砼特殊路用性能研究[J].重庆交通学院学报，2005，24(1):42-45.

[6] 车承志，易志坚，何小兵，等.柔性纤维砼断裂韧性的实验研究[J].重庆交通学院学报，2006，25(4):62-64.

[7] 龚斌，王福敏，吴昌洪，等.纤维砼结构耐久性抗冲击试验研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2009，28(1):41-44.

[8] 易志坚，杨庆国，李祖伟，等.基于断裂力学原理的纤维砼阻裂机理分析[J].重庆交通学院学报，2004，23(6):43-45.

贺丽丽(1980～)，女，硕士，讲师，主要从事力学教学和研究工作。

TU502

A

[定稿日期]2016-09-06