混雜纖維混凝土路用性能研究進展★

宋哲生 王 鈞 李明釗

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

水泥混凝土路面作為一種重要的路面結構形式，具有強度高、穩(wěn)定性好、養(yǎng)護費用低等優(yōu)點，一直以來在世界各國得到廣泛應用。我國水泥混凝土路面使用起步較晚，但近年來發(fā)展速度十分迅猛。據(jù)統(tǒng)計，截止到2015年年底，全國水泥混凝土路面總里程已達204.63萬km2。但與發(fā)達國家相比我國水泥混凝土路面主要應用于低等級公路，且部分水泥混凝土路面的使用壽命遠低于其設計壽命，這主要與水泥混凝土是一種脆性材料的特性有關。有研究表明，混凝土結構性能的劣化在其服役期內均與混凝土材料的脆性開裂特征緊密相關[1]。混凝土結構在干濕循環(huán)、溫度變化和荷載等因素的共同作用下，結構中拉應力較大的部位極易產(chǎn)生脆性開裂。隨著裂紋的增加和裂縫寬度的不斷增長，混凝土路面的耐久性能也不斷劣化。

試驗研究表明，混凝土的滲透系數(shù)與裂紋寬度有關，開裂混凝土的滲透性顯著大于非開裂混凝土[2]。此外，路面基層的早期裂縫也是水泥混凝土路面抗疲勞性能弱化的主要原因[3]，因此混凝土的開裂將嚴重影響混凝土結構的長期使用性。為了改善水泥混凝土路面的耐久性能，在混凝土中摻加纖維是當前工程界普遍采用的方法。現(xiàn)階段常見的纖維混凝土大多采用單摻纖維體系，通過不同特性的纖維改善混凝土基材的性能。其中較為常見的纖維材料包括鋼纖維、碳纖維和聚丙烯纖維。不同的纖維因其不同的材料特性在混凝土中起到的作用也不盡相同。但混凝土路面的使用環(huán)境較為復雜，對纖維混凝土性能的要求是多方面的，且混凝土裂縫的擴展過程由細觀到宏觀跨越多個尺度，單一纖維在混凝土開裂過程中的作用相對有限。因此，國內外學者開始嘗試采用不同力學特性、不同尺寸的纖維進行混摻，以期進一步優(yōu)化混凝土材料的性能。

纖維混雜作為目前纖維混凝土新的研究方向，國內外學者在力學性能及耐久性方面對不同纖維混雜的混凝土材料進行了研究并取得相應成果。本文基于混雜纖維對混凝土路用性能改善的闡述與分析，為混雜纖維在路用混凝土中的應用奠定基礎。

2 力學性能

1975年英國學者Walton等[4]在混凝土中將有機纖維和無機纖維混雜是最早有關混雜纖維混凝土性能的研究。之后，混雜纖維改善混凝土性能的研究得到快速發(fā)展。目前纖維混雜方式主要分為三種[5,6]：不同尺寸纖維的混雜、不同本構關系纖維的混雜以及基于纖維不同功能的混雜。同時，這三種混雜方式可同時存在。基于這三種不同形式的纖維混雜，國內外學者對混雜纖維混凝土的力學性能進行了大量試驗。

Park等[8]將不同尺寸的鋼纖維混摻，研究混摻纖維水泥基復合材料抗拉力學行為。結果表明，盡管小尺寸纖維可以改善混雜體系的應變硬化和多點開裂特征，但軸拉應力—應變曲線的形狀主要受大尺寸纖維控制。隨著纖維摻量增加，復合材料的抗拉強度和極限拉應變逐漸提高，微裂紋數(shù)量顯著增加，混凝土呈塑性破壞形態(tài)。

Ahmed等[9]將不同尺寸的聚乙烯醇纖維混摻，研究混摻纖維增強砂漿抗彎力學性能。結果表明，大尺寸纖維主要控制材料的變形性能，而小尺寸纖維主要控制材料的強度。同時，通過纖維混雜，在一定程度上實現(xiàn)了材料的應變硬化和多點開裂，但對混凝土強度的影響總體不大。

武漢大學的徐禮華等[10]進行了混雜鋼纖維與聚丙烯纖維混凝土軸心受拉應力—應變關系的研究。試驗結果表明，在混凝土受拉過程中，混雜纖維的增強效果呈現(xiàn)出逐級阻裂的特點，纖維增強區(qū)域呈現(xiàn)明顯的塑性破壞特征。其中，混凝土的極限強度隨鋼纖維長徑比的提高不斷提升，而聚丙烯纖維在改善混凝土的脆性，提高混凝土的延性方面發(fā)揮了重要作用。

國內外學者對混雜纖維混凝土力學性能的研究普遍顯示：不同尺寸的同種纖維材料混摻時，大尺寸纖維有利于提高混凝土的抗拉和抗折強度，小尺寸纖維則有利于提高混凝土的抗壓強度；不同彈性模量的纖維混摻時，高彈模的纖維對混凝土的強度起主導作用，低彈模的纖維對混凝土強度影響較小，甚至會產(chǎn)生負效應。

3 阻裂增韌性能

纖維阻裂作用機理目前主要包括兩種理論：復合材料理論和纖維間距理論。復合材料理論認為混凝土作為一種非勻質材料，在荷載作用下，混凝土內部產(chǎn)生大量的應力集中點，當應力達到抗拉強度極限即出現(xiàn)裂縫。摻加纖維后，可以約束混凝土的收縮變形，分擔混凝土的應力，推遲裂縫出現(xiàn)的時間。纖維間距理論則提出當混凝土內微裂縫產(chǎn)生并向任意方向延伸時，在不超過纖維平均中心距的范圍內存在一根纖維，并阻止裂縫的發(fā)展?；谶@兩種理論，國內外學者在進行了大量摻加單一纖維混凝土抗裂性能試驗的基礎上，對混雜纖維混凝土的阻裂增韌效應進行了更進一步的研究。

Hsie等[11]將不同尺寸的聚丙烯纖維混雜以研究混凝土韌性。試驗結果顯示，混雜聚丙烯纖維能有效抑制混凝土的干燥收縮，但對混凝土開裂后韌性的提升幅度較小，且對抗彎強度的影響不大。由于纖維總摻量較低(1.0%附近)，混雜纖維混凝土仍然表現(xiàn)為應變軟化特征。

Cominoli等[12]研究了不同尺寸鋼纖維混雜對混凝土的阻裂作用。研究表明，小尺寸鋼纖維僅能抑制在一定寬度范圍內的裂縫擴展，對混凝土后期的韌性提升效果有限，而大尺寸纖維則能有效抑制較大寬度裂縫的發(fā)展。

劉思國等[13]研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維的混雜對自密實混凝土早期約束收縮的影響。結果表明，相對于單摻纖維，混雜纖維具有更加優(yōu)異的限縮和抗裂能力。其中，聚丙烯纖維對早期塑性收縮的限制效果更明顯，但隨著基體強度的增加，玻璃纖維的阻裂能力愈加明顯。

4 抗凍性能

對于水泥混凝土路面，凍融破壞能夠引起混凝土表面出現(xiàn)微裂縫，并使裂縫逐漸向內部延伸，導致混凝土表層剝落，最終造成路面板斷裂。混凝土的凍融破壞主要與其內部的毛細水和凝膠水有關。毛細水結冰后體積膨脹，擠壓毛細孔在混凝土內部產(chǎn)生拉應力；凝膠水雖不結冰，但在凍融條件下會產(chǎn)生較大的滲透壓。在凍脹力和滲透壓的共同作用下，混凝土內產(chǎn)生微裂縫并逐步延伸，導致混凝土凍融破壞。為提高混凝土的抗凍性能，相關學者進行了大量混雜纖維對混凝土抗凍性能影響的試驗。

趙兵兵等[14]采用慢凍法研究了混雜玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混凝土的抗凍性能。研究結果顯示，混雜纖維有利于改善混凝土基體的抗凍性。其中，聚丙烯纖維主要通過限制混凝土初裂縫的形成來改善混凝土的抗凍性。玄武巖纖維則主要通過抑制大尺寸裂縫的發(fā)展，抵抗凍融產(chǎn)生的膨脹壓力和滲透壓力。因此，兩種纖維在不同階段共同作用，提高混凝土的抗凍性。

李燕等[15]采用慢凍法測得不同凍融循環(huán)后鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土的抗壓強度及彈性模量。試驗結果表明，混凝土抗壓強度值和凍融循環(huán)數(shù)量呈正比例關系。試驗同時建立了精度較高的鹽凍條件下混凝土強度衰減模型。

5 疲勞強度

疲勞強度是混凝土路面設計及其性能表現(xiàn)的一個關鍵指標?；炷恋钠谄茐氖怯捎谠谄谧饔孟缕鋬炔康膿p傷不斷積累造成的?；炷谅访嬖谟不^程中不可避免會產(chǎn)生一些初始缺陷，在車輛循環(huán)荷載的作用下，由于原始缺陷的存在，缺陷處的損傷不斷累積，開裂韌度不斷降低并達到一定界限后初始缺陷將穩(wěn)定發(fā)展，直至新的損傷區(qū)附近的混凝土又以較高的抗裂韌度阻止已有裂縫的繼續(xù)擴展,于是就開始了新一輪的損傷積累。上述過程不斷循環(huán)，終于在疲勞應力作用累計到一定程度后導致破壞[16]。目前，部分學者采用摻加混雜纖維的方式，提高混凝土的疲勞強度，延長混凝土路面的使用壽命。

華淵等[17]將碳纖維和聚丙烯纖維混摻入混凝土中，觀察了混雜纖維混凝土在疲勞作用下內部的損傷發(fā)展規(guī)律，并建立了相應的疲勞損傷模型。研究結果表明，混雜纖維加入混凝土中，由于纖維能夠延緩裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，混凝土的疲勞強度得到提升，疲勞變形性能也得以大大改善。

Singh[18]研究了混雜鋼纖維和聚丙烯纖維增強混凝土的抗彎疲勞強度，并利用疲勞試驗數(shù)據(jù)為混雜纖維混凝土生成了S-N-Pf曲線族，確定了疲勞應力水平、疲勞壽命和失效概率之間的關系，得到了含不同比例鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土疲勞方程，并用以預測混凝土的疲勞壽命。結果顯示，混雜纖維有利于提高混凝土的疲勞強度。

根據(jù)國內外學者關于混雜纖維混凝土疲勞強度的研究顯示，在疲勞加載過程中，混雜纖維混凝土的裂縫擴展普遍具有“潛伏期現(xiàn)象”。素混凝土的疲勞應變變化規(guī)律具有很明顯的三段式發(fā)展特征。其中，第二階段即應變穩(wěn)定發(fā)展階段持續(xù)時間最長，約占混凝土疲勞壽命周期的70%左右。與素混凝土相比，混雜纖維混凝土同樣具有上述特征，但第一階段即內部損傷形成階段相對更短，第二階段則達到90%左右。第二階段的大部分能量由微觀裂縫間的纖維吸收。因此，混雜纖維可以延緩疲勞損傷的積累速率，抑制裂縫的發(fā)展，從而提高混凝土的疲勞強度。

6 結語

混雜纖維混凝土作為纖維混凝土的主要研究方向之一，大量的研究結果顯示，混雜纖維有利于提高混凝土的抗凍性、抗裂性和耐疲勞性等路用性能。通過兩種或兩種以上不同尺寸、不同本構關系的纖維混雜，可以在混凝土使用的不同階段、不同結構層次發(fā)揮各自纖維的作用，以達到正混雜效應，改善混凝土的性能。

但目前混雜纖維混凝土的研究依然存在一些局限?，F(xiàn)階段，大部分的混雜纖維試驗依然集中于普通混凝土中，高強高性能混凝土的化學組成和微觀結構更加復雜，對混雜纖維的作用效應具有何種影響需要進一步探討。此外，目前的混雜纖維研究多集中于宏觀纖維之間的混雜，納米技術發(fā)展至今，已在材料工程中得到大量應用，并展現(xiàn)了極具發(fā)展?jié)摿Φ臓顟B(tài)。因此，研究納米級纖維與其他纖維混雜增強混凝土的性能對混凝土材料進一步發(fā)展也將極具現(xiàn)實意義。