钢筋混凝土结构梯度复合优化设计及性能

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摘要：本项目 对钢筋混凝土结构承载能力、抗裂性、荷载作用下的耐久性和体积稳定性等的影响规律进行分析。在此基础上，优化和完善梯度复合钢筋混凝土结构设计方法，这对于提高钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命，降低恶劣环境下的钢筋混凝土结构材料和维护成本具有重要意义。

关键词：钢筋混凝土结构；高弹模；低弹模；纤维增强；梯度功能优化

中图分类号：TV331文献标识码： A

1 引言

随着时代的进步，人们开始将目光从钢筋混凝土的耐久性上来。普通的钢筋混凝土材料是已经无法满足日益增长的需求。尤其由于钢筋混凝土的抗拉性差而导致的微裂缝产生，从而对钢筋混凝土的耐久性和美观上有着相当大的降低。于是有了高性能混凝土的提出，其中纤维混凝土因为有着良好的抗裂性和耐久性备受青睐。

纤维混凝土中纤维的工作原理主要在于控制水泥基体内部微裂缝的生成及发展，防止或钻结构性裂缝的生成，提高混凝土的变形能力，同时也提高了抗渗能力、抗冻性能，使得混凝土的耐久性大大增强[1]。纤维分为高弹模纤维和低弹模纤维两种。高弹模纤维是一种纤维弹性模量大于水泥基体的纤维，如钢纤维（SFRC）如图1、石棉纤维、玻璃纤维等；低弹模纤维是一种纤维弹性模量小于水泥基体的纤维，如聚丙烯纤维如图2和大多植物纤维。K.C.G.Ong[2]的在低速冲击试验中得到，聚丙烯纤维断裂能远小于钢纤维，但价格远小于钢纤维，有巨大潜力。

图1 钢纤维图片图2聚丙烯纤维图片

2材料性能

2.1低弹模纤维性能

低弹性模量的合成纤维在水泥混凝土硬化初期，对基体有明显的约束作用。但硬化后混凝土一旦开裂，如果承受持久的高应力，将产生较大的变形，从而使复合体产生显著伸长的或较大的挠度，所以地碳纤维很难起到微筋材的作用。与此同时，这类纤维的泊松比也较大，在承受拉伸作用时，横截面急剧减小，从而失去基体的连接力。而聚丙烯纤维则可以在在一定的程度上改善机体与纤维的连接能力。聚丙烯纤维由聚丙烯及多种有机、无机材料，经特殊的复合技术精制而成。它的化学稳定性好，和大多数化学物质不会发生反应，表面疏水性，不会被水泥浆所侵湿，有着良好的抗渗能力，是一种有效的刚性自防水材料。在混凝土中可形成三维乱向分布的网状承托作用，使混凝土在硬化初期形成的微裂纹在发展过程中受到阻挡，难以进一步发展[3]。可提高混凝土的断裂韧性，改善混凝土的抗裂防渗性能，是混凝土工程抗裂，防渗，耐磨，保温的新型理想材料。

2.2高弹模纤维性能

高弹模纤维可以明显改善硬化水泥浆的混凝土的强度和韧性，从而可用于各种半承重[4]的制品，甚至可用于承重结构。然而，人们更看重纤维混凝土的裂后性能，因此，增加纤维与基体连接性能也是十分重要的。钢纤维混凝土是是一种高弹性模量的纤维，它在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料，一般为低碳钢纤维。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性 ，而且性能随着钢纤维的掺入而不断提高。尤其在耐腐蚀上，已获得国内外的认可。聚丙烯纤维和钢纤维性能见表1

表1 聚丙烯和钢纤维的物理力学性能

3 作用及原理

3.1纤维作用

（1）阻止水泥基体中原有的微裂缝的扩展并有效延缓新裂缝的出现，从而导致在宏观上大大减少裂缝的产生。

（2）提高水泥基体的密实性，阻止外界水分侵入

（3）改善水泥基体抗冻、抗疲劳的能力，从而提高耐久性

（4）提高水泥基体的抵抗变形的能力，改善其韧性和抗冲击能力

（5）可以起到混凝土基体的抗拉强度的作用

3.2高弹模纤维和低弹模纤维比较 及作用原理

抗压强度强与普通混凝土相比有所增加[5]，低弹模纤维混凝土较高弹模纤维混凝土下降更多。所以高弹模混凝土和低弹模纤维混凝土在抗压强度上都增加，且高弹模纤维增加降更多，及随着弹性模量的增大，抗压强度和混凝土劈拉强度都随着增加。

两种纤维在钢筋混凝土中，减少原始缺陷，在微、细观性能上得到改善。当混凝土由于受力而产生微小裂缝时，纤维像锁链一样将裂缝两边的混凝土连起来，增加了裂缝开展的阻力，从而提高混凝土的抗裂性，耐久性 。解决了混凝土由于自身脆性而易裂的问题，提高受拉区的抗裂性，提高结构构件耐久性和服役寿命以及高强建筑的利用范围。而高弹模纤维由于在弹性模量上大于低弹模纤维，当混凝土受到相同的力时，高弹模纤维钢钢筋混凝土裂缝的开展能力弱于低弹模纤维钢钢筋混凝土。从而在抗裂、耐久等性能上，高弹模纤维钢钢筋混凝土要优越与低弹模纤维钢钢筋混凝土。

参考文献

[1]徐至均，纤维混凝土技术及应用，北京：中国建筑出版社，2003

[2] 黄承逵，纤维混凝土结构,北京：机械工业出版社,2004,4

[3] 邓宗才，高性能合成纤维混凝土，，科学出版社，2003，ISBN 7-03-011615-1

[4] 梁兴文 史庆轩 ,混凝土结构设计中国建筑工业出版社 2008

[5] （美）库马•梅塔（美）保罗 J.M. 蒙特罗 覃维祖、王栋民、丁建彤 译 混凝土 微观结构、性能和材料著 中国电力出版社 2008