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纤维对 混凝土控裂机理 [ 2017-09-07 ]

混凝土是土木、水利等 建筑工程的基础材料,混凝土 开裂现已成为土木建设工程的通病。在相对湿度(RH)<65%时,裂缝宽度小于0.5mm,在RH>65%时裂缝宽度小于0.3mm,尽管这 对混凝土结构不会带来大的危害,但混凝 土结构受到载荷作用后,裂缝将会变宽,无害或 少害裂缝将会变成有害裂缝。有害裂 缝不仅影响到混凝土结构的使用安全,同时也 会缩短混凝土构筑物的服役寿命,带来巨大的经济损失。

混凝土开裂,结构承载能力下降。混凝土 开裂将改变结构的受力条件,导致结 构局部甚至整体发生破坏。裂缝随 着环境载荷作用的不断变化将削弱混凝土建筑物的刚度。混凝土 开裂还会降低结构的抗震能力,威胁结 构的整体稳定性和安全性。混凝土开裂,结构耐 久性能的劣化分为三个阶段。阶段一,混凝土 的损伤及开裂增大了渗透性,降低了 结构保护层的有效厚度;阶段二,渗透性 的增加加速了环境中侵蚀性介质、空气及 水分在混凝土结构中的传输;阶段三,混凝土性能劣化,内部钢筋锈蚀,结构服役寿命缩短。

导致混 凝土开裂的因素很多,从受力角度分析,主要来 自如下三个方面:直接应力的作用、间接应力的作用、混凝土 早期变形产生的应力作用。图一展 示了时科纤维阻止混凝土开裂的机理。当混凝土开裂时,纤维1的断裂、纤维2的拔出、纤维3架桥在裂纹的两端、纤维4与混凝土脱粘,会有效 的吸收混凝土开裂的能量,减小裂纹的间距,减少裂纹尖端的应力,纤维5则进一 步阻挡了裂纹尖端的前进,从而彻 底阻止了裂纹的扩展。当混凝 土持续受到外力时,裂纹只 能从其他地方重新产生,如6号位置上,而重新 产生的裂纹则还会继续被纤维阻止扩展。

 

图一时 科纤维阻止混凝土开裂的机理。(1)纤维断裂;(2)纤维拔出;(3)纤维架桥;(4)纤维脱粘;(5)纤维阻挡裂纹尖端;(6)新产生的裂纹

 

对于素 混凝土和钢筋混凝土来说,一旦混凝土产生裂纹,应力就 会集中在裂纹处,导致裂纹迅速扩展,直到混凝土断裂,而混凝 土的其他地方则不再产生裂纹,如图二。时科纤 维增强后的混凝土,由于纤 维对裂纹延伸进行了有效的控制,混凝土 表面产生了大量的裂纹,如图3,因此有 效的吸收了断裂能量,极大的 延长了混凝土的使用寿命。此外,即使混凝土彻底断裂,使用时 科纤维的混凝土依然通过纤维连在一起,而不散落。

 

图五是 时科纤维增强混凝土梁的测试。混凝土 梁的横截面尺寸为150 mm x 150 mm,载荷的 正下方有一个切口,切口可 使裂纹在载荷的正下方产生。从图6的测试结果可以看出,素混凝土在16 kN的载荷下开裂,而且一旦开裂,素混凝 土再没有承受载荷的能力,如黑线所示,载荷骤减至0。时科纤 维增强的混凝土,在16 kN下开裂后,纤维有 效的阻止了裂纹的扩展。如红线所示,只有持 续在混凝土裂纹上施加7 kN的载荷,即700 kg的重量,裂纹才会继续扩展。


 

 

 

 

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