《纖維增強(qiáng)混凝土探究的文獻(xiàn)綜述》3800字

纖維增強(qiáng)混凝土研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述纖維混凝土是在普通混凝土的基礎(chǔ)上，摻入金屬纖維、無機(jī)纖維或有機(jī)纖維等增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)合材料。由于纖維是一種高抗拉、高延性的材料，加入混凝土中恰好可以彌補(bǔ)其抗拉強(qiáng)度低、延性差、易斷裂等不足，提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生，緩解混凝土已有裂縫的擴(kuò)展，是一種有效提高混凝土強(qiáng)度和韌性的方法。纖維混凝土的出現(xiàn)要追溯到20世紀(jì)初，國(guó)外學(xué)者Porter在1910年發(fā)表了短纖維混凝土的相關(guān)研究報(bào)告[楊潤(rùn)年.鋼纖維混凝土靜力損傷及疲勞損傷研究[D].華南理工大學(xué),2013.]，這也是首次關(guān)于纖維增強(qiáng)混凝土方面的研究記錄。一年后，Graham學(xué)者往普通混凝土中摻入了鋼纖維，制備出性能優(yōu)異的鋼纖維混凝土。此后，在1963年，Romualdi和Batson提出了基于鋼纖維混凝土材料的纖維間距理論，開始了這種新型復(fù)合材料在應(yīng)用方面的研究。鋼纖維強(qiáng)度高、彈性模量高，對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌作用效果顯著，但其質(zhì)量大，成本高，且易生銹、易腐蝕，分散性能差，在攪拌過程中易結(jié)團(tuán)[賴建中,孫偉,董賀祥.粗合成纖維混凝土力學(xué)性能及纖維-混凝土界面粘結(jié)行為研究[J].工業(yè)建筑,2006(11):94-97.]，這些缺點(diǎn)限制了鋼纖維在工程中的應(yīng)用。而在非金屬纖維中，碳纖維強(qiáng)度高、剛度大，但其造價(jià)昂貴，僅常用于工程結(jié)構(gòu)上的加固，若在工程中大規(guī)模使用不切實(shí)際；玻璃纖維有較高的強(qiáng)度，但其成本較高[何蕓,何真,孫海燕.粉煤灰和PVA纖維復(fù)摻水泥基材料微觀機(jī)理分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014(5):204-210.楊潤(rùn)年.鋼纖維混凝土靜力損傷及疲勞損傷研究[D].華南理工大學(xué),2013.賴建中,孫偉,董賀祥.粗合成纖維混凝土力學(xué)性能及纖維-混凝土界面粘結(jié)行為研究[J].工業(yè)建筑,2006(11):94-97.何蕓,何真,孫海燕.粉煤灰和PVA纖維復(fù)摻水泥基材料微觀機(jī)理分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014(5):204-210.1.1纖維增強(qiáng)混凝土理論研究表明，纖維在水泥基材料或混凝土材料中發(fā)揮的增強(qiáng)效果主要取決于基體強(qiáng)度[王力,徐禮華,鄧方茜,劉素梅,池寅.波紋型鋼纖維-混雜纖維混凝土界面黏結(jié)性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2020,23(04):864-874.]、纖維類型[張翼翔.纖維種類和摻量對(duì)混凝土力學(xué)及抗氯離子滲透性能的影響研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2019.]、纖維長(zhǎng)徑比[羅洪林,楊鼎宜,周興宇,等.不同長(zhǎng)徑比聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)特性[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2019,36(8):1934-1948.][李傳習(xí),石家寬,聶潔,曾宇環(huán).平直型鋼纖維摻量與長(zhǎng)徑比對(duì)超高性能混凝土性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2019,38(09):2946-2954.]、纖維摻量[張?zhí)m芳,尹玉龍,岳瑜.玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2016,35(09):2724-2728.][沈才華,錢晉,陳曉峰,謝飛,陳偉,郭佳旺.纖維摻量對(duì)PVA纖維混凝土力學(xué)參數(shù)的影響及壓縮韌性指標(biāo)的計(jì)算方法[J].硅酸鹽通報(bào),2020,39(10):3152-3160.]、纖維在基體中的分布和取向[張勝利.鋼纖維混凝土纖維分布與力學(xué)性能關(guān)系試驗(yàn)研究及數(shù)值仿真[D].太原理工大學(xué),2018.][宋賀月.鋼纖維在混凝土基體中的分布規(guī)律及與韌性的關(guān)系[D].大連理工大學(xué),2016.]以及纖維與水泥砂漿基體間的界面性能[代超.鋼纖維—水泥石基體界面特征及對(duì)混凝土宏觀性能影響的研究[D].重慶交通大學(xué),2015.][吳澤媚.超高性能混凝土中纖維與基體界面粘結(jié)性能多尺度研究[D].湖南大學(xué),2017.]等因素。一般來講，纖維的摻入對(duì)混凝土的工作性能有消極影響，但可以有效改善混凝土的力學(xué)性能[銀英姿,仇貝.聚乙烯醇纖維混凝土力學(xué)性能及早期開裂試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2019,38(02):454-458.]、耐久性能[葛浩軍.玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能及耐久性研究[D].大連理工大學(xué),2018.][唐巍,張廣泰,董海蛟,李梅,溫勇.纖維混凝土耐久性能研究綜述[J].材料導(dǎo)報(bào),2014,28(11):123-127.]以及結(jié)構(gòu)性能[賈毅,趙人達(dá),王永寶,等.不同軸壓比下聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土墩抗震性能試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2019,41(04):163-172.王力,徐禮華,鄧方茜,劉素梅,池寅.波紋型鋼纖維-混雜纖維混凝土界面黏結(jié)性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2020,23(04):864-874.張翼翔.纖維種類和摻量對(duì)混凝土力學(xué)及抗氯離子滲透性能的影響研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2019.羅洪林,楊鼎宜,周興宇,等.不同長(zhǎng)徑比聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)特性[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2019,36(8):1934-1948.李傳習(xí),石家寬,聶潔,曾宇環(huán).平直型鋼纖維摻量與長(zhǎng)徑比對(duì)超高性能混凝土性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2019,38(09):2946-2954.張?zhí)m芳,尹玉龍,岳瑜.玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2016,35(09):2724-2728.沈才華,錢晉,陳曉峰,謝飛,陳偉,郭佳旺.纖維摻量對(duì)PVA纖維混凝土力學(xué)參數(shù)的影響及壓縮韌性指標(biāo)的計(jì)算方法[J].硅酸鹽通報(bào),2020,39(10):3152-3160.張勝利.鋼纖維混凝土纖維分布與力學(xué)性能關(guān)系試驗(yàn)研究及數(shù)值仿真[D].太原理工大學(xué),2018.宋賀月.鋼纖維在混凝土基體中的分布規(guī)律及與韌性的關(guān)系[D].大連理工大學(xué),2016.代超.鋼纖維—水泥石基體界面特征及對(duì)混凝土宏觀性能影響的研究[D].重慶交通大學(xué),2015.吳澤媚.超高性能混凝土中纖維與基體界面粘結(jié)性能多尺度研究[D].湖南大學(xué),2017.銀英姿,仇貝.聚乙烯醇纖維混凝土力學(xué)性能及早期開裂試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2019,38(02):454-458.葛浩軍.玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能及耐久性研究[D].大連理工大學(xué),2018.唐巍,張廣泰,董海蛟,李梅,溫勇.纖維混凝土耐久性能研究綜述[J].材料導(dǎo)報(bào),2014,28(11):123-127.賈毅,趙人達(dá),王永寶,等.不同軸壓比下聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土墩抗震性能試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2019,41(04):163-172.余自若,王博亨,安明喆.超高性能纖維增強(qiáng)混凝土板的受彎性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2019,40(09):131-139.目前關(guān)于纖維混凝土的增強(qiáng)理論，主要有兩種。(1)纖維間距理論纖維間距理論是建立在線彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上，假定纖維在混凝土基體中以棋盤式、沿拉應(yīng)力方向均勻分布，并認(rèn)為纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用與纖維間距有很大關(guān)聯(lián)?？筛攀鰹椋寒?dāng)外力作用于混凝土?xí)r，混凝土內(nèi)部的孔隙、微裂紋等缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際受力超過允許值而破壞。當(dāng)纖維在混凝土中均勻分布時(shí)，混凝土內(nèi)部的微裂縫被包圍在相鄰纖維之間。微裂縫尖端因拉力作用會(huì)產(chǎn)生裂縫擴(kuò)展應(yīng)力，促進(jìn)微裂縫向宏觀裂縫發(fā)展，而裂縫附近的纖維-基體界面會(huì)產(chǎn)生與裂尖擴(kuò)展應(yīng)力方向相反的應(yīng)力場(chǎng)，緩和了裂尖應(yīng)力集中的程度，限制裂縫的開展，從而增強(qiáng)了混凝土的性能。圖1-2為Romualdi纖維分布模型，可用來說明纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用。如REF_Ref530088722\h圖1-2(a)，s為纖維間距，a為裂縫半寬，裂縫分布在四根纖維圍成區(qū)域的中心。在拉力作用下，靠近裂縫的纖維表面會(huì)產(chǎn)生如REF_Ref530088722\h圖1-2(b)所示的粘結(jié)力，的作用方向與裂縫張開方向相反，能夠有效緩和裂尖的應(yīng)力集中程度，限制裂縫的開展。因此，有如下關(guān)系式：(1-1)式中：——纖維混凝土實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度因子；——未摻纖維時(shí)混凝土在外荷載作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子；——纖維周圍產(chǎn)生的反向應(yīng)力強(qiáng)度因子。(2)復(fù)合材料力學(xué)理論復(fù)合材料理論將纖維混凝土視為二相復(fù)合材料，纖維一相，基體一相，運(yùn)用了混合定律來計(jì)算纖維混凝土的各項(xiàng)性能，將纖維混凝土的性能用各相材料性能的加權(quán)和來表示。復(fù)合材料理論有三個(gè)基本假定：a.纖維在混凝土基體中是沿其受力方向連續(xù)、均勻、平行地分布；b.纖維混凝土是勻質(zhì)的各向同性或正交各向異性的線彈性體；c.纖維與混凝土基體粘結(jié)完好，兩者的界面間無滑移。由上述假定可知，纖維連續(xù)、均勻、平行地分布在混凝土基體中，且與其受荷方向一致，見REF_Ref530086729\h圖1-3。圖1-3纖維混凝土的復(fù)合材料理論模型則復(fù)合材料、基體以及纖維承受的荷載分別為：、、(1-2)式中：A——各相材料的橫截面積；——應(yīng)力；——復(fù)合材料；——混凝土基體；——纖維。由力學(xué)平衡可得：(1-3)式中：E——彈性模量，V——纖維體積摻量。若纖維種類不止一種，則(1-3)式可改為：(1-4)1.2聚丙烯粗纖維增強(qiáng)混凝土研究現(xiàn)狀聚丙烯粗纖維是以聚乙烯和聚丙烯為主要原材料，由特殊的工藝精制加工而成的一種新型增強(qiáng)、增韌材料。聚丙烯粗纖維具有無腐蝕性、易分散、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，表面帶有凹凸刻痕，可與水泥基體形成較好粘結(jié)，既有合成纖維特有的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮鋼纖維的功能，其性能在鋼纖維和聚丙烯纖維之間。纖維材料對(duì)混凝土的流動(dòng)性能都有顯著影響，聚丙烯粗纖維[羅洪林,楊鼎宜,周興宇,董亞超,單晨晨,韓雪.聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究[J].混凝土,2019(09):24-30.]羅洪林,楊鼎宜,周興宇,董亞超,單晨晨,韓雪.聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究[J].混凝土,2019(09):24-30.聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的工作性能有不利影響，但對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能方面有較好的提升作用。羅洪林[74]發(fā)現(xiàn)：聚丙烯粗纖維長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土的力學(xué)性能有顯著影響，當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比增大時(shí)，對(duì)混凝土基本力學(xué)性能和抗彎性能的增幅先增大后減小，在最優(yōu)長(zhǎng)徑比后，纖維混凝土的28d抗壓強(qiáng)度會(huì)低于普通混凝土，而其抗彎強(qiáng)度一直大于普通混凝土。梁寧慧[梁寧慧,鐘楊,劉新榮.多尺寸聚丙烯纖維混凝土抗彎韌性試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,48(10):2783-2789.]對(duì)不同尺寸的聚丙烯纖維混凝土的抗彎韌性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：聚丙烯粗纖維的摻入改善了混凝土的破壞方式，在提高混凝土抗彎強(qiáng)度的同時(shí)也顯著提高了抗彎韌性，纖維混凝土的剩余強(qiáng)度較普通混凝土提高了5.58~8.88倍。聚丙烯粗纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的增強(qiáng)作用類似普通混凝土，RAC的抗壓強(qiáng)度受聚丙烯粗纖維影響較小，但因纖維的橋接作用使得RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有明顯提高[陳圖真.鋼纖維和聚丙烯粗纖維改性再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2015.梁寧慧,鐘楊,劉新榮.多尺寸聚丙烯纖維混凝土抗彎韌性試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,48(10):2783-2789.陳圖真.鋼纖維和聚丙烯粗纖維改性再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2015.在耐久性能方面，因聚丙烯粗纖維的摻入可以提高混凝土基體的勻質(zhì)性，延長(zhǎng)滲徑，從而提高混凝土的抗?jié)B性能；同樣，混凝土基體的密實(shí)度也會(huì)得到提升，孔隙率因此下降，使得CO2在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散受到限制，提高了混凝土的抗碳化能力；且亂向分布的聚丙烯粗纖維也會(huì)使得混凝土中Cl-的傳輸變得更困難，從而降低了混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)[代兵權(quán).改性聚丙烯纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)研究[D].鄭州大學(xué),2010.]。但是聚丙烯粗纖維的摻入也增大了薄弱界面出現(xiàn)的概率，過量聚丙烯粗纖維的摻入，增多了混凝土基體內(nèi)部不良界面的數(shù)量，反而對(duì)混凝土的耐久性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。KiachehrBehfarnia[KiachehrBehfarnia,AmirBehravan.Applicationofhighperformancepolypropylenefibersinconcreteliningofwatertunnels[J].MaterialsandDesign,2014,55.]等對(duì)比聚丙烯粗纖維混凝土與鋼纖維混凝土的抗氯離子性能發(fā)現(xiàn)：在不同摻量下，聚丙烯粗纖維混凝土的抗氯離子性能均比鋼纖維混凝土要好。代兵權(quán).改性聚丙烯纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)研究[D].鄭州大學(xué),2010.KiachehrBehfarnia,AmirBehravan.Applicationofhighperformancepolypropylenefibersinconcreteliningofwatertunnels[J].MaterialsandDesign,2014,55.此外，學(xué)者們對(duì)聚丙烯粗纖維混凝土的斷裂性能也展開了研究。周明芳[周明芳.粗合成纖維混凝土斷裂性能試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2009,35(06):228-230+234.]對(duì)聚丙烯粗纖維混凝土試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，并將其結(jié)果與鋼纖維混凝土進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：聚丙烯粗纖維混凝土的有效裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度Δac、斷裂韌度和斷裂能均比普通混凝土高；在相同纖維體積摻量下，聚丙烯粗纖維混凝土的斷裂韌度和有效裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度Δac均比鋼纖維混凝土低，但斷裂能比鋼纖維混凝土略高。Minhaj[SyedMinhajSaleemKazmi,MuhammadJunaidMunir,Yu-FeiWu,IndubhushanPatnaikuni.Effectofmacro-syntheticfibersonthefractureenergyandmechanicalbehaviorofrecycledaggregateconcrete[J].ElsevierLtd,2018,189.]等研究了DucTi纖維體積摻量對(duì)RAC斷裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)：摻入纖維后，RAC的斷裂韌度和斷裂能均得到了提升，再生骨料取代率為100%、纖維體積摻量為1%的RAC試件，其斷裂能為普通混凝土的3.65倍。周明芳.粗合成纖維混凝土斷裂性能試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2009,35(06):228-230+234.SyedMinhajSaleemKazmi,MuhammadJunaidMunir,Yu-FeiWu,IndubhushanPatnaikuni.Effectofmacro-syntheticfibersonthefractureenergyandmechanicalbehaviorofrecycledaggregateconcrete[J].ElsevierLtd,2018,189.1.3聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土研究現(xiàn)狀PVA纖維是由聚乙酸乙烯酯經(jīng)皂化而成的高分子有機(jī)化合物。其彈性模量高、抗拉強(qiáng)度大、耐腐蝕性強(qiáng)，且有良好的親水性能。聚乙烯醇纖維與水泥砂漿基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但PVA纖維可通過表面的羥基與水泥砂漿基體形成氫鍵作用，極大提高了PVA纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度[DongH,NishimuraT,SekiH.InfluenceofInterfaceBondPropertiesofSyntheticShortFibersonBendingPropertiesofFiberReinforcedConcrete[J].ConcreteResearch&Technology,2009,20:1-13.]。DongH,NishimuraT,SekiH.InfluenceofInterfaceBondPropertiesofSyntheticShortFibersonBendingPropertiesofFiberReinforcedConcrete[J].ConcreteResearch&Technology,2009,20:1-13.PVA纖維對(duì)混凝土的工作性能也有負(fù)面影響，PVA纖維在混凝土基體中除了會(huì)形成三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外，還因其強(qiáng)親水性吸附了水泥砂漿中一定的水分，增大了水泥砂漿的稠度；且PVA纖維的摻入會(huì)使混凝土中非漿體相的比表面積有所增大，導(dǎo)致其他物相表面包裹的水泥漿體厚度減小[高淑玲,徐世烺.PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料拉伸特性試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,47(2):233-239.]高淑玲,徐世烺.PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料拉伸特性試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,47(2):233-239.PVA纖維的摻入對(duì)混凝土的力學(xué)性能有一定的提高。PVA纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不一，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)PVA纖維摻入后可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[郭斌,孫緣飛.C50聚乙烯醇纖維混凝土力學(xué)性能與工程應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù),2020,51(01):29-31.]，但大多數(shù)研究結(jié)果表明PVA纖維的摻入降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，文獻(xiàn)[杜志芹,孫偉.纖維和引氣劑對(duì)現(xiàn)代水泥基材料抗?jié)B性的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,40(03):614-618.]認(rèn)為抗壓強(qiáng)度降低是因?yàn)椋豪w維摻入混凝土后會(huì)產(chǎn)生引氣作用，降低了骨料與膠凝材料間的黏著性；其他學(xué)者認(rèn)為：PVA纖維的摻入增加了混凝土內(nèi)部的缺陷，降低了混凝土基體的密實(shí)度，使得抗壓強(qiáng)度降低。由于PVA纖維可以橋接混凝土基體，且纖維數(shù)量眾多，可顯著提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，但是過量的纖維會(huì)使水泥砂漿的包裹能力有所降低，從而削弱了纖維的增強(qiáng)作用[59]。不同PVA纖維摻量下，RAC的基本力學(xué)性能較素再生混凝土也有所提高[孫呈凱,金寶宏,李家俊,李曉路.PVA纖維再生混凝土力學(xué)性能正交試驗(yàn)研究.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2018,43(4):1569-1575.郭斌,孫緣飛.C50聚乙烯醇纖維混凝土力學(xué)性能與工程應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù),2020,51(01):29-31.杜志芹,孫偉.纖維和引氣劑對(duì)現(xiàn)代水泥基材料抗