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【高成结构之声】纤维混凝结构的发展与挑战

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发表于 2017-9-12 13:57:17 |只看该作者 |倒序浏览
纤维混凝结构的发展与挑战

作者简介:胡山风,英国谢菲尔德大学结构与土木工程专业在读博士,研究方向为混合钢纤维混凝土力学性能。


高成结构之声



引言

混凝土以其造价较低,取材较易,制造简单的特点成为目前为止可以说最为成功的建筑材料。近几十年来,混凝土的发展总体来讲在朝着高性能混凝土方向发展,这意味着更高的强度,更好的耐久性,以及更快速的凝结硬化。但是,混凝土的天然缺陷一直没有解决,那就是脆性。它十分低的抗拉强度在面对裂缝的发生和开展时往往显得十分的脆弱。几千年前,我们聪明的先祖便靠着人类智慧的本能尝试着使用纤维状材料加固脆性的黏土类材料,堆砌成原始人类的小小蜗居。史料记载,这些原始的纤维状增强材料包含着动物毛发,秸秆以及其他植物类纤维。现代纤维增强材料的概念大约起于上个世纪初,那时的技术人员尝试着使用石棉纤维加固水泥类脆性材料,效果不太理想且石棉后来在1971年左右被发现对人体有致癌的危害。直到上世纪六十年代起, Romualdi和他的同事发现了钢纤维的优点并发表了一些相关论文,这才将纤维混凝土这个概念摆到了工程师们的面前。本文将简要地介绍这五十多年来混凝土领域所使用不同的纤维种类及它们的不同应用,并将简略地分析目前为止钢纤维混凝土在推广上遇到的一些问题和挑战。

1 纤维的种类

按照材料来分,目前的纤维增强材料主要分为四大类,包含有:钢纤维,玻璃纤维,合成纤维以及碳纤维等(见图一)。植物纤维目前仍处于研究阶段,而石棉纤维如前所述的原因已不在主要发达国家使用。这四大类纤维中,应用最广的无疑是钢纤维。为了提高钢纤维对混凝土的锚固和增强能力,钢纤维往往被加工成不同的几何形状(见图二)。

图一  各种类型的纤维增强材料 (a)钢纤维 (b)玻璃纤维 (c)碳纤维布(d)合成纤维



图二  常见的钢纤维几何形状

2 纤维在混凝土中的作用

钢纤维混凝土
       由于在混凝土中随机散分布的钢纤维的作用,开裂混凝土中产生的若干个大裂缝可以被大量的小裂缝所取代(图三),这无论从结构的安全性还是耐久性来讲都会有极大的好处。早期的钢混凝土发展曾经走过一段弯路,科研人员将掺入高抗拉强度与弹性模量的钢纤维混凝土的优势定位于提高混凝土本身的抗拉强度,直到后来才发现这个提高一般小于30%。随着时间的推移,科研人员才逐渐发现钢纤维的掺入对于混凝土最大的帮助是对于抗拉应变,韧性,延性的提高,而这个提高往往可以达到几个数量级。

    
(a)                                  (b)
      图三  受拉构件不同的裂缝分布形式 (a)钢筋混凝土  (b)加入钢纤维的钢筋混凝土
合成材料
对于合成纤维(如聚丙烯)的使用则与钢纤维颇为不一样。由于聚丙烯弹性模量较低,往往在工程上被加在新浇筑混凝土中用来限制干缩裂缝的产生。更妙的是,它们还曾被用在新建公寓的墙内,当发生火灾时它们会第一时间被融化。而它们融化后在混凝土墙内产生的孔道会降低所产生的温度应力,以延缓结构的破坏,给予人员以更多逃生空间。
高性能纤维混凝土
1990年左右法国人使用高掺量的3mm钢纤维(约占混凝土体积5%),高水泥用量以及一些其他粘结材料(如硅灰),加上塑化剂,制成了令人惊诧的超高强度的纤维混凝土(法国人将其命名为Ductal),其抗压强度达到了恐怖的800兆帕且同时抗拉强度也有约100兆帕。如图四所示,通过三点弯曲实验,钢纤维混凝土Ductal显示了远超素混凝土的卓越抗弯性能。

图四  三点抗弯梁实验(超高强混凝土Ductal对比素混凝土)

混合纤维材料
当将不同材料、不同尺寸的纤维加入混凝土里时,这时的混凝土被称作混合纤维混凝土。混合纤维混凝土往往可以利用不同纤维的优势,如杂交水稻一般产生1+1>2的效果。例如,短纤维目前被认为控制微裂缝的发生及开展比较有效,而长纤维则被认为在控制大裂缝的发展、提高混凝土的延性有显著贡献(见图五)。
               图五  不同长度纤维对于混凝土中裂缝控制的示意图

纤维混凝土在抗冲击荷载中的应用
大量的科研报告已经证实纤维混凝土板(主要使用高掺量钢纤维)对于抗击高速冲击荷载的作用明显(见图六)。当爆炸或者撞击来临时,纤维混凝土不会如普通混凝土一般的崩裂,对于人体产生直接伤害,体现了很好的整体性和能量吸收性。

图六 爆炸后的纤维混凝土表面


3 钢纤维混凝土发展所遇到的挑战

由于钢纤维混凝土是目前使用最广的纤维混凝土种类,因此笔者结合自己的科研工作在这里谈一谈钢纤维混凝土在现阶段推广和使用中遇到的一些挑战。
不同的规范以及测试方法
当钢纤维在低掺量下(占混凝土体积的0.5%以下)时,其对混凝土的提升并不是强度(包含抗压和抗拉强度),而主要是对混凝土韧性和开裂后仍然能带裂缝工作的能力的改善。目前已有的规范主要集中在发达国家如美国、日本和欧洲等。由于钢纤维直拉实验极难实现,所以这些各类规范主要使用抗弯实验对于钢纤维混凝土的韧性以及开裂后结构表现进行评估鉴定。他们包含传统地四点或者三点梁抗弯实验,圆板实验以及方板实验(图七)。遗憾地是,这些规范多达数十个,五花八门,且采取的实验方法构件尺寸差异较大。并且,由于实验中要计算的参数(有的是强度,而有的则要求计算韧度)完全不同,使得不同实验结果的换算都往往无法进行,导致了大量实验结果的浪费和重复实验。

abcd
图七  纤维混凝土(a)四点梁实验 (b)三点梁实验 (c)圆板实验(d)方板实验
不同来源的钢纤维
目前全球有多个钢纤维生产公司,他们生产的钢丝性质不同、几何形状不同,不同产地的钢纤维甚至没有如混凝土一般统一的标号来进行分级。对于这些不同来源的钢纤维,工程单位不得不再请求相关高校和科研单位进行力学性能的鉴定,这对于钢纤维的更进一步推广运用产生了很大阻碍。
造价较高
钢纤维在混凝土中是随机分布的,所以要想达到与钢筋混凝土同样的抗弯能力,更多体积的钢纤维(与钢筋相比)需要被掺入混凝土。换句话讲,与钢筋混凝凝土相比,要达到同样的抗弯表现,钢纤维混凝土往往需要消耗更多的钢材。因此,若全部采用工业制造的钢纤维,往往会导致工程造价较高。目前来讲,比较现实的方法是使用低成本的钢纤维。取自废旧轮胎中的钢纤维(见图八)造价低、耗能少、高环保附加值,是工业制造钢纤维在工程建设中的可能替代者之一。对于废旧轮胎钢纤维混凝土结构行为的初步研究早在2000年就在笔者所在的英国谢菲尔德大学开始,并已取得一系列发明专利和有重要影响的论文出版。初步研究表明,使用工业和回收轮胎钢纤维的混合钢纤维混凝土可以达到结构力学行为、造价以及尤其是环保上的巨大回报。
(a)                                (b)图八 (a)废弃的轮胎 (b) 回收自废旧轮胎中的钢纤维

钢纤维的分布问题
钢纤维的分布和在混凝土中的朝向是目前影响钢纤维混凝土质量的最大问题。当纤维在混凝土里的分布不够均匀时,会有可能导致一些地方的混凝土结构性能趋向与素混凝土(见图九(b)中红色标记部分)。如果裂缝一旦开展在这些地方,将有可能产生严重的结构安全、耐久性上后果。当浇筑新混凝土时,钢纤维的朝向会大致垂直于混凝土液体的流向,因此混凝土的浇筑方式会很大程度影响纤维在混凝土中的朝向(图十)。而纤维究竟是垂直于裂缝还是平行于裂缝,将对于钢纤维混凝土的结构性能产生极大的影响。(a)                     (b)  
图九 低掺量钢纤维在混凝土梁中的分布(a)较为均匀的分布 (b)不均匀的分布


图十 钢纤维在圆板中的朝向与混凝土流向的关系(示意图)


总结

本文粗略地介绍了纤维混凝土在历史上的发展,简要地概括了目前大量的不同种类的纤维以及纤维在混凝土中所起的作用。通过对于钢纤维混凝土目前在发展中所遇到挑战的分析,我们大概可以得出这样的结论:要完全取代钢筋混凝土在土木工程建设中的地位,钢纤维混凝土还有很长的路要走。
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天地不言
这个好
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沙发
发表于 2017-9-12 14:08:57 |只看该作者
小手一挥,金币拿走!!!!

12主题 174听众 7413积分
五星高级工程师
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百尺竿头 三十而立 大校 论坛之星 中级工程师 土木男僧 白银 天秤座
板凳
发表于 2017-9-12 16:17:31 |只看该作者
微信公众号已经学习过,这个技术好

能把看似平常的项目做得透彻深入才该是设计师的追求。
0主题 0听众 130积分
二星助理工程师
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地板
发表于 2017-9-12 16:49:59 |只看该作者
小手一挥,金币拿走!!!

0主题 5听众 2568积分
一星高级工程师
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地下室
发表于 2017-9-13 08:01:13 |只看该作者
谢谢楼主的资料

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三星助理工程师
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6#
发表于 2017-9-13 09:47:00 |只看该作者
谢谢楼主的资料

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二星高级工程师
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七天大胜
7#
发表于 2017-9-13 16:45:09 |只看该作者
感谢楼主分享

0主题 0听众 182积分
三星助理工程师
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七天大胜
8#
发表于 2017-9-13 17:00:25 |只看该作者
长知识了,学习两遍。谢谢楼主

6主题 3听众 1263积分
五星工程师
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9#
发表于 2017-9-13 17:15:26 |只看该作者
谢谢楼主的资料

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五星助理工程师
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10#
发表于 2017-9-15 09:03:49 |只看该作者
感谢楼主分享

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