先进纤维和水泥助力高性能混凝土抗裂抗腐蚀

来自 实验室仪器网

工程师们发现了有助于混凝土抗裂、抗腐蚀和结构疲劳的材料组合。新研究探讨了不同纤维类型和水泥成分如何影响高性能纤维增强混凝土（HPFRC）的拉伸行为。

研究人员利用先进的建模和机械测试，评估了三种混凝土混合物，分别是将直钢或非晶金属纤维与CEM I或CEM III水泥结合。他们的目标是设计能够在恶劣环境中抵抗开裂和劣化的可持续混凝土。

HPFRC是一种有用的材料，因为它能够控制拉伸下的开裂、延长使用寿命并减少维护需求。通过将纤维嵌入水泥基体中，这些高性能材料提高了延展性，实现了微裂纹的稳定传播。这在可使用极限状态（SLS）尤为重要，因为混凝土会承受持续的拉伸应力。细细的裂纹控制与自生自愈结合，即使在海洋或地热等恶劣暴露条件下也能增强耐久性。

研究重点为三种混合物：使用钢纤维和CEM I水泥的参考配方；一种变体使用非晶金属纤维代替钢材；第三种混合材料为CEM III水泥与钢纤维。所有产品均含有1.5%的纤维体积比。

标本铸成深梁（100×100×500毫米3)以及细梁（100×25×500毫米3）以模拟结构应用，如预制地热罐。固化90天后，采用四点弯曲（4PBT）、双刃楔形劈裂（DEWS）和反分析来推导拉伸行为。反分析方法在深梁中得到了验证，用于估算应力-应变和应力-裂纹开启定律。细束和DEWS结果与逆向建模结果进行了比较，尽管这些比较是探索性的。

团队还使用铰链模型模拟基于拉伸定律的弯曲行为。这些混合物表现出相似的拉伸强度，范围在8到9兆帕之间，但在延展性和裂纹后行为上表现出明显差异：

钢纤维混合物的局域应变值在2.9%至3.5%之间，超过了钢筋屈服的2.1%至2.5%应变。这对于SLS处钢筋屈服时的裂纹控制至关重要。相比之下，非晶纤维混合物仅局限于1.4%，显示出更强的脆性行为。在深梁测试中，参考比例峰值弯曲应力为16.78兆帕，非晶纤维混合物为19.04兆帕，基于CEM III的混合比为20.19兆帕。

细梁因铸造方向的改善而增强了纤维对齐，其强度在21至25兆帕之间更为显著。这种对齐效应在钢纤维混合物中尤为明显。钢筋混凝土还形成了更密集的裂纹图案，间距更小，在循环载荷下仍保持刚性。

相反，非晶纤维混合物裂纹间距更宽，刚度明显下降，伴随着挠度增加。该混合物延展性降低归因于结合-滑移界面更硬、疏水纤维表面，以及裂纹面纤维破裂的可能性增加。

为了评估长期性能，细梁在地热水中或自来水中浸泡六个月。非晶纤维混合物表现出显著的耐腐蚀性，浸入地热水后弯曲强度提升了9%。然而，在相同条件下，钢纤维混合物强度损失了11%到23%，可能是由于表面腐蚀导致纤维-基体结合力的劣化。尽管强度有所降低，钢纤维混合物在应变能力和裂纹控制方面仍保留了暴露前的优势。这使得它们非常适合在延展性和裂纹限制对长期性能至关重要的结构应用中。

研究强调了选择符合结构和环境需求的纤维类型和水泥成分的重要性。CEM III是CEM I最可持续的替代方案，但这种可持续性并未牺牲机械性能（与钢纤维结合时）。逆分析和铰链模型模拟被证明是表征和预测拉伸性能的有效工具。

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