|
1.导读 近年来在混凝土桥梁的主要病害溯源中发现，近90%的问题都源于其材料韧性不足或收缩等问题造成的开裂。这是因为当桥梁上的混凝土发生的不同程度的开裂会使得钢筋暴露在空气中逐渐腐蚀失效。此外，裂缝的扩展还会进一步降低构件的刚度和承载力，进而影响桥梁的安全性、耐久性和外观。这点在高强混凝土在桥梁工程的应用中也特别突出，因为随着混凝土强度的不断提高，其脆性特征会更为明显，韧性特征会不断降低，因此抗裂性能也会越来越差。因此，开展基于高性能混凝土材料增韧阻裂方法的研究显得尤为重要。 基于上述，西南交通大学赵人达教授团队（混凝土桥及其高性能材料研究团队）在土木工程材料领域顶级期刊《Construction and Building Materials》上发表了题为“Research on different types of fiber reinforced concrete in recent years: An overview”的文章。文中以不同种类钢纤维、合成纤维、植物纤维、混杂纤维等为基础，论述了各类型纤维对混凝土基材的性能改善效果，并基于性能总结了它们的最佳掺量范围。此外，文中还就目前纤维混凝土的纤维增强理论和混杂纤维的混杂效应理论等方面的研究进行了分析和总结，并提出了一些改进建议。下文中将就论文中的一些主要内容进行简单介绍。 2.内容简介 2.1 关于钢纤维(SF)的相关研究 文中首先介绍了近年来关于钢纤维(SF)在超高性能混凝土（UHPC）中的应用研究，主要得出以下结论： （1）纤维取向方面，钢纤维在UHPC基体中取向角为20°到45°时，对拉拔性能的提升效果最好，且可通过对流变参数的调整来控制钢纤维取向； （2）纤维形状方面，端钩形钢纤维在提升UHPC抗压、抗拉及抗弯等抗静力作用方面效果最佳，而扭曲型钢纤维则似乎更适合提升UHPC的动态性能； （3）在纤维尺寸方面，大部分研究表明较高的长径比对UHPC的抗压、抗拉、抗弯、动力性能及集料联合作用有利，但也有研究指出过高的长径比（大于100）会大大降低基材的流动性，造成施工困难，甚至造成性能的负影响，因此寻找不同掺量下纤维长径比对性能提升的阈值是个非常有研究意义的课题； （4）在纤维最佳掺量研究方面，总结出UHPC中的钢纤维在不同性能下的合理含量范围，并在此基础上归纳了预估的SF最佳用量，如表1所示。但也指出：由于钢纤维与粗集料之间存在联合作用，因此表中的值并不一定适用于含粗骨料的普通混凝土。鉴于普通混凝土中胶凝体的占比较UHPC中低，因此其纤维含量建议可在表1所给出的值的基础上适当降低，从而避免因为纤维含量过高带来的流动性降低的问题。  注：韧性主要指弯曲韧性；S、 H和C分别代表直钢纤维、端钩钢纤维和波纹钢纤维。 在钢纤维增强混凝土（SFRC）的基本理论研究方面，有学者基于钢纤维和普通砂浆的粘结机理做了钢纤维的单根和多根拔出试验。在此基础上，建立了钢纤维拉拔的力学模型，这为SFRC的工程运用打下基础。早期工程运用中用的比较多的强度理论是平均强度理论（公式1）以及复合材料力学模型。随后，又有学者分别就SFRC的单轴受拉本构关系、机体开裂后的纤维-基体界面力学模型、钢纤维掺量-性能影响关系模型及基于SFRC韧性的设计方法等方面开展了研究。在上述研究的支持下，SFRC的理论研究开始逐渐走向成熟。
在SFRC的材料性能研究方面，Mehmet Karatas等研究表明，SF可在温度不高于200℃的情况下表现出良好的增强作作用。Jinlin Ran等通过对比研究指出，波纹型钢纤维的性能能提升效果比直型钢纤维和钩状钢纤维更好，如图1所示（其中：CF代表波形；HF代表端钩形；SF代表圆直型），并基于复合材料理论，建立了钢纤维混凝土抗压强度和抗拉强度的预测模型，如公式2和3。该模型与目前中国规范中指定的性能预测模型存在一定差异，如式4所示。除此之外，还有大量学者研究表明钢纤维的加入会大幅度提升基材疲劳寿命，特别是在体积分数在1%-1.5%之间时。
图1 不同形状纤维性能比较
除了上述，文中还就SFRC的疲劳性能、抗裂性能及结构构件中的应用等内容进行总结。通过上述总结不难看出，目前关于SFRC的实验研究和理论研究已经趋于成熟，特别是关于其掺量对基本力学性能的影响研究。但仍有一些研究空间，如：关于钢纤维的掺量，长度，直径或形状与某一性能之间的关系还存在争议，需要进一步研究。另外，还需在SFRC的耐久性及结构构件的分析理论方面开展更加深入的研究，因为已有研究表明将纤维用于结构构件（可取代一些钢筋）可提升构件的耐久性和成本。 2.2 关于合成纤维的相关研究 常见的合成纤维主要有有机合成纤维和无机合成纤维。有机合成纤维大多都弹性模量较低，其弹模一般都小于（或接近）混凝土。常见的有机合成纤维主要有聚丙烯纤维（PP）、聚乙烯醇纤维（PVA）、聚乙烯纤维（PE）及尼龙（PA）纤维等，其中PP和PVA使用率较高，被经常用于提升混凝土的峰前抗裂和峰后延性。无机合成纤维常常表现出较高的弹性模量，目前常见的主要有碳纤维（CF）、玻璃纤维（GF）、芳纶纤维（AF）及石棉纤维，其中CF和GF被经常用于提升混凝土的韧性性能。 对于合成纤维的应用，还有很多关于纳米改性的研究，如：采用纳米二氧化硅和硅灰对PVA纤维表面进行改性后（图2）可进一步提升其与基材间的物理摩擦及粘结效应，使其力学性能提升效果更优。
图2. 纳米材料对PVA表面改性 除此之外，还有研究就合成纤维改善混凝土的长期性能、耐久性及极端环境下的劣化性能进行了探讨。这些研究均证实了PP和PVA纤维具备良好的耐久性改善作用。另外，有学者从多尺度的角度出发，研究并探明了PP和PVA在自愈合ECC中的作用，进一步的，PVA纤维也被证实可与修复细菌产生正耦合的修复作用，且其效果比PP纤维更优。 通过上述研究发现，PP和PVA纤维的用量一般在0.2%-0.8%之间较优。其中，PP纤维较低的弹模使得其不具备明显的增强作用，一般主要用于阻裂和抗收缩，因此，对强度有要求的研究中还需谨慎使用。PVA的弹模接近于混凝土，且其与混凝土界面的粘结性能良好，因此其增强和阻裂效果一般优于PP纤维。但PVA具有一定的吸水性，实验中发现其对基材工作性能的影响较大，通过实验发现采用PVA粗纤维（直径为200μm）可良好解决这一问题，因此推荐相关研究者在研究中尝试使用。在粗合成纤维的研究领域目前我国学者已经基于塑钢纤维（粗PP纤维）开展了系统的研究，得出结果如表2所示。 表2塑钢纤维的最佳纤维特性参数（针对不同性能）
2.3 关于其他类型纤维的相关研究 除了钢纤维及各类合成纤维外，还有许多关于在混凝土中掺入矿物纤维（玄武岩纤维、石棉纤维等）、植物纤维（棉纤维、椰子纤维等）和无机微纤维（碳纳米纤维、各类型晶须等）等方面的研究。上述纤维中最常用于研究的是玄武岩纤维（BF），玄武岩纤维混凝土（BFRC）也于二十世纪末开始逐渐成为全球工程界的研究热点。 在BFRC的性能提升及机理研究方面，研究表明BF能够有效提高混凝土的延性、抗拉强度，并在一定程度上起到阻裂作用。相比普通混凝土，BF更适合增强无机聚合物水泥混凝土，尤其在其抗断裂性能方面。Yang等指出5%的BF可有效改善基材的抗疲劳性能，并采用数字图像相关技术（DIC）测量了BFRC的表面应变及其标准差（图3），研究结果表明，0.39%的BF含量可以有效地提高基材的抗拉强度和抗裂性。此外，Wang等还指出纳米二氧化硅有助于改善BF与基体界面过渡区的性能。王振山等提出了采用粉体颗粒辅助玄武岩纤维分散的方法，该方法可进一步提升BF在基材中的增强效果。
图3通过DIC技术测量BFRC表面应变 除了能够提升力学性能，BFRC还具有良好的抗侵蚀性能和抗冻性能，且0.3%的含量最佳，但在掺入BF的同时掺入粉煤灰或许会对基材的抗冻性产生不利的影响。另外，浸泡于腐蚀溶液中的早龄期混凝土的抗压强度会随BF含量的增加而降低。因此，关于BF是否可有效改善混凝土的耐久性方面还存在争议，值得进一步关注。 此外，近年来随着对低碳环保的重视，一些植物纤维和无机微纤维逐渐受到研究者的关注。在植物纤维研究方面，Kumar等发现加入5%的椰子纤维可帮助提升混凝土的强度。Bijo MD等指出0.3%的椰子纤维可使基材的抗冲击性能提升2到3倍。Sabarish等证实了剑麻纤维也对混凝土的物理和力学性能具备一定的改善效果，且指出碱处理后的剑麻纤维在水泥基基质增强方面会表现出更好的效果。Wang等研究发现松针纤维可改善混凝土在单轴压缩下的应力应变行为和开裂过程， 且采用0.5%的稀碱和1%沸水处理后的松针纤维效果更佳。Solahuddin等研究发现红麻纤维在0%-2%的体积分数下可以提高混凝土的抗压强度、弯曲强度和劈裂抗拉强度，其中体积分数为1%、纤维长度为20mm时改善效果最佳。 近年来，对无机微纤维研究的关注和重视主要源于宏观纤维只能桥接较大尺寸的裂缝，对基材微缺陷和微裂缝不仅没有帮助还可能在拌和过程中引入更多的孔隙，从而影响基材的耐久性。目前混凝土中常见的无机微纤维主要有碳纳米管（CNTs）和各类晶须（Whisker）。例如在CNTs的研究方面：Konsta研究发现多壁碳纳米管（MWCNTs）能明显增强混凝土基体的抗弯强度和韧性，而Gui则通过12种不同尺寸的MWCNTs研究发现，直径较大的MWCNTs对于提升混凝土抗压强度的效果更好。Alrekabi研究发现在水泥基材料中掺入适量的碳纳米纤维（CNFs），可提升其40%的抗弯强度、45%的抗拉强度及85%的韧性。 虽然事实证明CNTs与水泥基材料具备良好的适用性，但其昂贵的价格一直制约着其的应用，这就使得价格便宜且性能良好的晶须逐渐引起了科研人员的关注。其中，大连理工大学基于碳酸钙晶须（CW）开展了系统的研究工作，他们分别就晶须增强水泥基材料的流变性能及纤维分布特征，强度及其荷载-挠度曲线，断裂能、以及高温下的性能等方面开展了研究。结果表明：晶须对水泥基材料的工作性能影响不大，采用1%-3%体积掺量的晶须可实现对不同力学性能的改善。同时，通过压汞孔隙率测试及扫描电镜进一步工作证实了晶须的填充效果，细化孔隙分布的效果，及裂纹桥接等效果，如图4所示。
图4晶须在C-S-H胶结中的作用：（a）桥接；（b） 断裂；（c） 拔出；（d） 拉出 目前，关于晶须的微填充效应是毋庸质疑的，但其微纤维桥接效应还有待进一步证实。此外，晶须作为一种摩擦增强材料，其在改善宏观纤维和基材界面的摩擦阻力的效果应该受到继续关注和研究。 2.4 关于混杂纤维的相关研究 大量研究表明将不同类型的纤维混杂在一起就可能出现性能上的互补，这点尤其在高弹模纤维和低弹模纤维的混杂方面更为突出。因此文中还对近年来混杂纤维增强混凝土（HFRC）的研究进行探讨，总结出混杂纤维混凝土中纤维匹配的常用形式及其大致研究占比，如图5所示。由图可知，将SF与PP混杂、不同类型的SF的混杂，以及SF与PVA的混杂是目前最主要的纤维混杂形式。图中的其他类型主要是指研究占比小于5%的纤维混杂形式的总和，如：BF+PE、三掺或四掺等形式。
图5 不同类型混合纤维混凝土的研究比例 由图5可知，目前关于混杂纤维研究占比最多的为钢纤维与PP纤维的混杂研究。Emad A.H.在其研究中发现，混掺入0.1%PP纤维和0.9%粗钢纤维后，混凝土的抗压强度和压缩韧性等均得到显著的提高。Ozawa等发现将SF和PP混掺入UHPC中可在有效改善UHPC韧性的基础上有效改善其高温抗爆性能。其中SF用于增韧，而PP纤维形成的高温熔融通道用于释放基材在高温下的内部压力。Bawa等研究发现当 0.75%的SF和0.25%的PP混掺后可大幅度提升混凝土的弯曲疲劳强度。但Wu等则采用了更高的掺量，他们通过将4%的粗SF，1.92%的细SF和0.27%的PP纤维混掺，也使得基材的疲劳性能得到较好的提升。Deng等开展了SF和PP的混掺对UHPC的性能改善研究，并研究了纤维与粗骨料（CA）的协同作用对UHPC受压性能的影响，如图6所示，结果表明：SF增韧效果好，PP纤维阻裂效果好， CA对基材的增强效果好，三者结合可优势互补，但也指出SF和PP不能同时取较高的含量，否则会对试样抗压强度起到较明显的负影响。建议选择较高含量（2%）的SF和较低含量（0.15%）但高长径比（196）的PP纤维进行混杂。
图6 HFRC试样压缩变形全过程 除此之外，文中还详细介绍了不同尺寸SF的混杂和钢-PVA的混杂等，感兴趣的学者可在原文中查看，此处不再一一赘述。需要特别指出的是，文中基于混凝土破坏过程中呈现出的多尺度特性，就多尺度混杂纤维增韧混凝土（MsHFRC）的研究进行了探讨，并绘制了MsHFRC在结构构件中作用的基本原理，如图7所示。
图7 桥梁结构混凝土多尺度损伤和多尺度纤维增韧抗裂示意图 除了在基本力学性能上的作用外，已有一些研究表明多尺度混杂纤维可有效改善混凝土的孔结构和抗冻性，并能增大其动态峰值应变和动态极限应变，有效提升基材的韧性。在MsHFRC研究方面，北京交通大学近年来基于UHPC做了较为系统的研究，具体研究成果如表3所示。 表3 多尺度混杂纤维混杂类型研究总结
注：该表中除了CNT和CNF为质量掺量外其他均为体积掺量；SF1、SF2和SF3分别为大型、中型和小型直钢纤维；HF为端钩钢纤维，PE为聚乙烯纤维，BF为玄武岩纤维；CNT是碳纳米管，CNT2是具有羧基官能团表面处理的CNT，CNF是碳纳米纤维。 与上述不同，还有大量学者基于CW开展了MsHFRC的研究，如：SF+PVA+CW、SF+BF+CW及PET+CW等的研究，这些研究均证实了多种尺度纤维的混杂的协同增强效果，其协同增强的机理如图8所示。
图8 多尺度纤维增韧和抗裂机制示意图 2.5 关于纤维增强理论的相关研究 在混杂纤维增强理论研究方面，目前的热门研究对象为纤维混杂效应(Hybrid effect)。若将不同纤维混杂后产生一加一大于二的效果，则被称为正混杂效应，反之则称为负混杂效应。较早的混杂效应参数可简单表示为式5所示，当α>1时为正混杂效应，而α<1时为负混杂效应。但上述指标不能很好地考虑纤维掺量的影响，随后有学者定义了“混杂增强效应系数R”，如式6所示，当R>0时为正混杂效应，而R<0时为负混杂效应。该混杂效应系数与其他学者的研究成果相似，具有较普遍的认可意义。
近年来，随着混杂纤维研究的不断深入，学者们逐渐发现影响混杂纤维作用效应的因素除了纤维掺量外，还有其形状参数（尤其是长径比和有无端勾）、力学特性（尤其是抗拉强度及弹性模量）及分布状况等参数，但这些因素在之前的研究模型中均未得到体现，因此有学者基于SF-PP混杂纤维混凝土的强度开发了其一维叠加预测模型、二维相关性预测模型和三维预测模型，这些模型启用了纤维特征参数，从而充分的考虑了各类纤维的形状特征，且经过数值分析发现，这些模型均可较好的评价混杂纤维的增强效果。由于篇幅问题，上述模型具体详见原文。 目前关于混杂纤维的研究主要是基于单掺纤维混凝土性能研究数据，因此在混杂纤维选配方面过于依靠实验经验。这就会造成在混杂纤维试验中的人力、材料和时间上的浪费。因此建议通过研究建立系统的纤维匹配原则（基于强度、刚度、尺度的纤维增强参数等），使得混杂纤维的选配工作有据可依，从而大量减少在试配环节浪费的时间和资源。 3.小结 通过上述研究现状的梳理和总结不难看出，目前关于FRC的研究比较热门，研究基数较大，主要研究成果简述如下： （1）关于SFRC的研究最为丰富，研究确定了SF优良的增强和增韧效果，及其在受弯构件中的“二次加筋”作用，因此SF非常适合在高性能混凝土中应用。但SF在提升基材抗压强度方面的效果还并不统一，另外关于SF在混凝土中的腐蚀问题及其对基材耐久性影响的研究值得进一步关注。 （2）对合成纤维的研究越来越热门，尤其是PP纤维和PVA纤维在混凝土中的抗裂作用及高/低温下的性能保有作用，因此它们非常适合提升极端气候环境下结构的耐久性。但它们在对基材强度的提升能力及分散性等方面还有待继续优化。 （3）其他类型纤维中研究较多的是BF，但关于BF的研究呈现出较大的离散性，主要原因可能在于目前不同厂商生产的BF的产品性能还不稳定。但就BF的生产成本及环境效应而言，其具备良好的发展前景。此外，基于改善基材细观力学结构的无机微纤维，特别是CW，也以其特殊的作用逐渐被研究者们关注。 （4）目前对HFRC的研究逐渐成为热门，这主要是因为将不同的纤维搭配往往能获得良好的正混杂效应。关于纤维混杂效应的表征，目前已经形成了从一维到三维的模型，但还存在考虑因素不全面等问题。因此基于多因素的纤维特征参数，纤维增强因子以及混杂纤维效应系数等还应开展进一步研究。 参考文献： Chenggong Zhao, Zhiyuan Wang, Zhenyu Zhu, Qiuyu Guo, Xinrui Wu, Renda Zhao*,Research on different types of fiber reinforced concrete in recent years: An overview, Construction and Building Materials, 365（2023）:130075. https:///10.1016/j.conbuildmat.2022.130075. 原文链接: https:///10.1016/j.conbuildmat.2022.130075
| 原创作品 未经允许不得转载 | |
|
|
