一种高韧性混凝土原料选择方法与流程

本发明涉及材料学技术领域，特别涉及一种混凝土增韧原料的选择方法。

背景技术：

高强度、高刚度、高韧性是土木建筑领域对混凝土材料性能要求的发展趋势，也是满足大型建筑工程对材料抗裂性能和耐久性能的要求。与普通混凝土相比，纤维混凝土在力学性能方面更优越，能显著地提高混凝土的抗拉、抗弯、断裂等性能等，但是纤维与水泥基体间存在界面层，而界面层是复合材料中的薄弱区，如何强化界面层则是钢纤维对混凝土增强、增韧和阻裂效应起到关键作用。一般采用加入聚合物和矿物掺合料的方法，有可能使上述界面层由强化，甚至消失，从而进一步提高混凝土的韧性。

混凝土细观力学研究结果表明，混凝土材料无论是在静态荷载还是在疲劳荷载作用下，其破坏过程都是裂缝在界面和基体中产生、扩展的过程。混凝土是由硬化水泥浆体、骨料和水泥石与骨料之间的界面过渡区组成的一种非匀质多相材料，其内部存在的气孔和微裂缝等初始缺陷，这些原始缺陷影响着宏观裂缝的产生、扩展过程。

裂缝在混凝土中的扩展必然朝着所需耗散能量最小的路径方向进行，扩展路径主要取决于混凝土中初始缺陷的分布状态以及扩展路径上材料的性质，其扩展路径一般有三种情况：一种是沿骨料与水泥基体之间的界面扩展；一种是直接贯穿骨料扩展；一种是在水泥基体中扩展。裂缝在混凝土中的扩展模式影响着混凝土的强度、变形和破坏性能。

近年来，x射线混凝土的ct研究已经成为混凝土材料细观破裂过程的热点课题。根据ct基本原理，混凝土各组分物理密度不同，反映在ct图像上各部位的ct数不同，从而形成骨料、砂浆、孔洞等灰度不同的影像图。混凝土试件受力产生细观裂纹后，相应的ct图像部位灰度降低，形成线状或环状影像，称之为ct尺度裂纹，属于基于x射线ct分辨率条件下的细观裂纹，是混凝土ct的主要研究对象。

世界上较早修建的高速铁路隧道衬砌结构普遍采用素混凝土结构，随着运营时间推移，隧道衬砌非结构性裂缝不断出现并发展，维修养护工作不断加大，衬砌结构耐久性问题逐渐突出，甚至危及高速列车的运行安全，世界各国都在积极研究试验相应的措施与方法，如德国采用对衬砌混凝土采用单层钢筋网护面结构但钢筋网护面结构造价高、施工困难、工序耗时长.

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种高韧性混凝土原料选择方法，并用该方法制备了适用于高速铁路隧道衬砌结构的高强度、高刚度、高韧性混凝土材料，并满足结构设计、施工要求的混凝土，本发明将粉煤灰、聚合物乳液、纤维三种材料在混凝土中单掺或复掺，通过对混凝土流动性能、强度、弯曲韧性、断裂性能的分析，确定出以韧性提升为基础的混凝土的最佳配合比，通过对混凝土断裂路径的分析，建立微观尺度下混凝土韧性的评价方法，并将其应用于高速铁路隧道衬砌结构中。

本发明的技术方案为：提供了1、一种高韧性混凝土原料选择方法，其特征在于，所述高韧性混凝土原料选择方法用于使水泥基材料增韧，其包括以下步骤：胶凝材料选择、细集料选择、粗集料选择、聚合物选择、纤维选择和减水剂选择；

所述胶凝材料选择具体为采用武汉华新水泥厂生产的52.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用南京热电厂生产的ⅰ级粉煤灰；

所述细集料选择具体为细集料选择的步骤为：选用最大粒径为2.2～3.8mm的河砂，细度模数2.2～2.4，连续级配，堆积密度1.2～1.4g/cm3，表观密度2.3～2.7g/cm3；

所述粗集料选择具体为选用最大粒径为14.5～15.5mm的玄武岩碎石，表观密度2.6～2.8g/cm3，堆积密度1.4～1.7g/cm3，压碎值4.5～5.5％，含泥量0.6～0.8％，吸水率0.18～0.23％；

所述聚合物选择具体为选用下述五种聚合物中的一种或多种：乙烯-醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物、有机硅丙烯酸酯；

所述纤维选择具体为选用下述纤维中的一种或多种：钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维、改性聚酯纤维；

所述减水剂选择具体为选用减水率21％～24％，流动性要求掺量为0.7％～0.9％的减水剂。

优选的，所述聚合物选择的注意事项为：

a.选择具有良好的预加工性能和机械稳定性，便于使用的聚合物；且，

b.选择对于水泥水化没有负面影响，对水泥水化过程中产生的ca2+和al3+离子有较高的稳定性的聚合物；且，

c.选择在水泥基体硬化后与水化产物和集料间有较好的黏结能力，且成膜温度低的聚合物；且，

d.选择在硬化水泥基体中具有较好的耐水性和耐碱性的聚合物；且

e.选择玻璃化温度低，具有一定粘性的聚合物。

优选的，所述纤维选择的注意事项为：

a.选择强度和弹性模量均高于水泥基体的纤维；且，

b.选择与水泥基体间有很好的粘结强度，保证水泥基体承受的应力通过界面传递给其自身的纤维；且，

c.选择与水泥基体间的热膨胀系数接近，保证两者间黏结强度不会在热胀冷缩过程中被削弱的纤维；且，

d.选择与水泥基体间不能发生有害的化学反应的纤维；且，

e.选择体积率、尺寸和分布适宜，且分散性能良好的纤维。

优选的，还包括纤维掺量选择，具体包括以下步骤：

步骤一，纤维掺量选择：采用乱向非连续纤维复合材料的纤维临界体积率公式(式2－1)，对纤维掺量进行确定：

式中：fmu—纤维混凝土基体极限抗拉强度(mpa)；ffu—纤维的极限抗拉强度(mpa)；εmu—纤维混凝土基体极限抗拉应变；ef—纤维的弹性模量；

步骤二，水胶比选择：采用式(2－2)计算混凝土的水胶比，

式中：fce—水泥实际强度；a、b—经验系数；fcu—混凝土设计抗压强度；

步骤三，聚合物掺量选择：采用式(2－3)计算聚合物理论用量：

式中：pm0—聚合物理论用量；—材料设计水胶比；—水泥在完全水化时的胶水比；d—聚合物三维体积厚度；s—水化产物单位表面积；ρ—聚合物密度；m0—聚合物在胶凝材料体系中的理论掺量；

步骤四，砂率选择：通过拌和物和易性试验确定砂率；

步骤五，单位体积用水量和胶凝材料总量选择：通过衬砌部位混凝土的坍落度，以及，无坍落度损失的时间要求，确定单位体积用水量；

步骤六，养护制度选择：根据复合材料强度法则(式2－4)，确定养护制度：

σ＝σmvm+σpvp(2—4)

式中：σ—聚合物水泥基复合材料强度；σm、vm—水泥砂浆的强度、体积；σp、vp—聚合物的强度、体积。

优选的，还包括弯曲韧性测试，包括：采用100×100×400mm棱柱体试件，采用四点加载方式，跨距为300mm，试验设备为深圳新三思公司生产的电液伺服万能电子试验机，采用位移加载，加载速率为0.05mm/s，试验记录弯曲荷载作用下混凝土荷载—位移曲线，当荷载达到极限荷载的10％时停止测试。

优选的，还包括断裂性能测试，采用平面应变断裂韧性kic、断裂能gf、临界裂纹尖端张开位移δ0来表征；断裂韧性kic、断裂能gf分别按照式(2－5)和(2－6)所示进行测算，

式中：t、h、l、a0-混凝土试件的几何尺寸；w0-荷载—挠度曲线下的面积；m＝m1+2m2，其中m1-支点间的梁重，m2-加荷附件重量；δ0-梁断裂时测得的最大挠度值；p-加载时混凝土试件承受的最大荷载(kn)。

优选的，还包括混凝土断裂路径与韧性的微观评价：采用裂缝临界扩展应力、断裂面粗糙度进行表征；

所述裂缝临界扩展应力表示为：

gcrit＝2γsε^2-d(2－8)

式中：ε—标度因子；d—断面的分形维数；γs—单位宏观量度的表面能；

所述断裂面粗糙度r表示为：

本发明有益的技术效果在于：

(1)采用了工业废渣、纤维、聚合物与水泥熟料复合技术，化学成分不同的各组分在结构形成过程中性能叠加，在相应的性能层次上逐级发挥作用及优势互补的效应，大幅度提高了水泥基体增强、增韧的能力。制备出强度等级为60mpa的高性能水泥基复合材料，不仅能大量节省了资源和能源，保护了生态环境，而且优化了材料的微观和细观结构，强化了聚合物对水泥基体的增强、增韧和阻裂效应，它们与纤维复合后能有效地抑制裂缝的引发与扩展，钝化裂缝尖端的应力集中，发挥了很强的抵抗变形与开裂的能力，提高了材料的弯曲韧性和断裂性能。

(2)利用荷载—位移曲线下包围的面积大小来衡量混凝土的弯曲韧性，聚合物乳液按照一定的聚灰比加入混凝土后，弯曲韧性提升6.5倍以上，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物加入混凝土中，其弯曲韧性提升17.6倍；纤维按照一定体积掺量加入混凝土后，弯曲韧性提升8倍以上，其中端钩型钢纤维0.8％加入混凝土后，其弯曲韧性提升24.1倍；将聚合物和纤维按照一定比例共同掺加混凝土中后，其弯曲韧性较单独加入聚合物和纤维材料又有了较大的提高，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物和超细钢纤维加入混凝土中后，弯曲韧性提高35.7倍。

(3)利用断裂韧性和断裂能评价混凝土的断裂韧性，聚合物混凝土断裂韧性提高15％以上，断裂能提升1.6倍以上，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物的断裂韧性提高24.2％，断裂能提升2.6倍；纤维混凝土后，除纤维素纤维外，其余各组混凝土断裂韧性提高25％以上，断裂能提升5倍以上，其中超细钢纤维0.8％加入混凝土后，其断裂韧性提高46.7％，断裂能提升5.3倍；将聚合物和纤维按照一定比例共同掺加混凝土中后，其断裂能较单独加入聚合物和纤维材料又有了较大的提高，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物和超细钢纤维加入混凝土中后，断裂韧性提高42.1％，断裂能提高6.9倍。

(4)采用ct测试技术对混凝土断裂路径进行跟踪，并对混凝土断裂面的尺寸进行计算，普通混凝土裂缝扩展沿水泥基体与骨料间界面过渡区，聚合物混凝土裂缝扩展可以贯穿大粒径的骨料，纤维混凝土和纤维增强聚合物混凝土均呈现纤维拔出或断裂破坏，采用韧性微观结构评价指标r得出纤维增强聚合物混凝土断裂面面积为普通混凝土的3.5倍，即断裂路径曲折，断裂面粗糙，裂缝扩展过程中耗散更多的能量。

(5)将纤维增强聚合物混凝土应用于高速铁路隧道衬砌结构中，不仅工作性能、强度、耐久性能满足设计和施工要求，而且720d后强度仍满足设计要求，混凝土表面光洁，无肉眼可见裂缝。

附图说明

图1为本发明实施例中，56d龄期时，各系列混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度图；

图2为本发明实施例中，混凝土的抗弯韧性图；

图3为本发明实施例中，56d龄期的聚合物混凝土(a)的典型荷载－位移曲线图；

图4为本发明实施例中，纤维混凝土(b)的典型荷载－位移曲线图；

图5为本发明实施例中，纤维增强聚合物混凝土(c)的典型荷载－位移曲线图；

图6为本发明实施例中，混凝土试件的几何尺寸示意图；

图7为本发明实施例中，(a)聚合物混凝土系列p—cmod曲线图；

图8为本发明实施例中，(b)纤维混凝土系列p—cmod曲线图；

图9为本发明实施例中，(c)纤维增强聚合物混凝土p—cmod曲线图。

具体实施方式

一、原料选择

(1)胶凝材料

水泥采用武汉华新水泥厂生产的硅酸盐水泥，粉煤灰采用南京热电厂生产的ⅰ级粉煤灰。水泥、粉煤灰的矿物组成、化学成分和物理性能见表1～5所示。

表1水泥熟料的矿物组成

表2水泥熟料的化学组成

表3水泥的物理与力学性能

表4粉煤灰的化学组成

表5粉煤灰的物理性能

(2)细集料

选用最大粒径为2.36mm的普通河砂，细度模数2.3，连续级配，堆积密度1.3g/cm3，表观密度2.5g/cm³。

(3)粗集料

最大粒径为15mm的玄武岩碎石，表观密度2.7g/cm³，堆积密度1.5g/cm³，压碎值5％，含泥量0.7％，吸水率0.2％。

(4)聚合物

对于水泥基材料中的聚合物选择，既要充分考虑其与水泥、集料是否兼容，又要考虑聚合物自身的稳定性和工作性能，因此对其基本要求包括：a.具有良好的预加工性能和机械稳定性，便于使用；b.对于水泥水化没有负面影响，对水泥水化过程中产生的ca²⁺和al³⁺离子有较高的稳定性；c.在水泥基体硬化后与水化产物和集料间有较好的黏结能力，且成膜温度要低；d.在硬化水泥基体中具有较好的耐水性和耐碱性；e.玻璃化温度要低，具有一定的粘性。

目前常用的聚合物材料种类包括水溶性聚合物、聚合物乳液、可再分散性聚合物粉料和液体聚合物，本发明选用乙烯-醋酸乙烯共聚物(db)、丙烯酸乙酯(a700)、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ad66)、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物(gd56)和有机硅丙烯酸酯(2900t)五种聚合物乳液，其物理化学性质如表6所示。

表6各种聚合物物理化学性质

(5)纤维

根据复合材料原理，作为增强增韧的纤维材料要满足以下几个条件：a.纤维的强度和弹性模量都要高于水泥基体；b.纤维与水泥基体间有很好的粘结强度，保证水泥基体承受的应力通过界面传递给纤维；c.纤维与水泥基体间的热膨胀系数接近，保证两者间黏结强度不会在热胀冷缩过程中被削弱；d.纤维与水泥基体间不能发生有害的化学反应；e.纤维的体积率、尺寸和分布必须适宜，且纤维分散性能良好。

本实施例选取钢纤维(2种)、玄武岩纤维(bf)、聚乙烯醇纤维(pvaf)、纤维素纤维(cf)、改性聚酯纤维(petf)六种纤维，纤维的物理力学参数见表7所示。

表7各种纤维物理力学性能

(6)减水剂

江苏博特新材料有限公司提供的pcm聚羧酸高效减水剂，减水率20％～25％，根据流动性要求掺量为0.6％～1％。

二、配合比设计

本发明采用粉煤灰、聚合物乳液、纤维多重复合增韧技术，在确保工作性能、强度的基础上，制备三个系列的高性能混凝土材料：聚合物混凝土、纤维混凝土和纤维增强聚合物混凝土，并对三个系列的混凝土的弯曲韧性和断裂性能进行试验和优化，确定混凝土增韧的最佳技术路线，纤维和聚合物材料的试验品种和掺量见表11所示。

(1)纤维掺量

纤维增强脆性基体复合材料的临界纤维体积率的定义是：在基体开裂后，纤维能承担复合材料开裂时荷载所需的最小纤维体积率，或基体开裂后复合材料承载力不致下降所必须掺入的最小纤维体积率。纤维临界体积率是混凝土两种破坏形式的转折点，当纤维掺量小于纤维临界体积率时，基体开裂后，因纤维不能承担基体开裂而转移的荷载，此时基体一旦开裂，立即引起破坏，呈脆性破坏状态；当纤维掺量大于纤维临界体积率时，基体开裂后，纤维能承担基体转移的荷载，甚至使承载能力继续提高。

本发明采用乱向非连续纤维复合材料的纤维临界体积率公式(式2－1)，并根据已有的经验对纤维掺量进行确定：

式中：fmu—纤维混凝土基体极限抗拉强度(mpa)；

ffu—纤维的极限抗拉强度(mpa)；

εmu—纤维混凝土基体极限抗拉应变；

ef—纤维的弹性模量。

对于一般的c60混凝土而言，混凝土基体的极限抗拉强度fmu＝4.11mpa，混凝土基体的极限抗拉应变εmu＝100×10^－6，所用纤维的极限抗拉强度和弹性模量见表6所示。把数据代入式(2－1)计算得各种纤维的临界体积率如表9所示。

本发明在参阅大量试验数据的基础上，考虑施工成本、混凝土设计要求等的影响，最终确定各种纤维的体积掺量均为0.1％～2％，优选为0.8％。

表9纤维临界体积率

(2)水胶比

本发明选定混凝土设计强度等级为c60，其中粉煤灰等质量取代30％水泥，采用式(2－2)计算混凝土的水胶比。

式中：fce—水泥实际强度，本实施例中fce＝1.13×52.5＝59.325mpa；

a、b—经验系数，本实施例采用碎石，分别取0.46、0.07；

fcu—混凝土设计抗压强度，本实施例中fcu＝60+1.645×6＝69.87mpa。

将各系数值代入式(2－2)混凝土的水胶比为：

考虑到施工条件、材料情况等因素的制约，本发明选定水胶比为0.1-0.9，优选为0.35。

(3)聚合物掺量

根据聚合物与水泥基体界面黏结模型和聚合物和水泥基体的互穿网络结构，推导出聚合物理论用量，如式(2－3)所示：

式中：pm0—聚合物理论用量(kg)；

—材料设计水胶比，本实施例取0.35；

—水泥在完全水化时的胶水比，本实施例取2.63；

d—聚合物三维体积厚度，由各聚合物分子结构计算确定；

s—水化产物单位表面积，本实施例取200m²/g；

ρ—聚合物密度(g/cm³)；

m0—聚合物在胶凝材料体系中的理论掺量(％)。

将各参数值代入式(2－3)，计算得出各种聚合物的理论掺量见表10所示。

表10聚合物理论掺量

表10中计算所得的为聚合物的理论掺量，是假定聚合物在水泥基体中可以完全展开。实际上聚合物不可能拌合均匀，难以完全展开，会存在一些团聚状。此外聚合物还会填充在一些结构的孔洞、缝隙中，因此聚合物材料的实际用量要高于理论计算值，但考虑聚合物材料价格较为昂贵，因此本实施例选取各种聚合物掺量均为胶凝材料用量的8～11％，优选10％。

(4)砂率

砂率的变化，会使集料的总表面积有较大的变化，对拌和料的和易性和质量有较大影响。由于影响砂率的因素较多，因此砂率可通过试验或根据已有的经验确定，然后再通过拌和物和易性试验确定。

本实施例所选用的纤维中包括两种钢纤维，当钢纤维掺入混凝土中会使混凝土流动性下降，必须增大砂率，但是砂率太高会使混凝土的强度下降，综合考虑这两方面的影响，本实施例将砂率选定为0.42。

(5)单位体积用水量和胶凝材料总量

在水胶比一定条件下，单位体积用水量应使拌合物达到要求的和易性、便于施工。隧道设计要求的衬砌部位混凝土的坍落度为160mm～200mm，并在30min之内无坍落度损失，根据《普通混凝土配合比设计规程》(jgj55-2000)中规定，本实施例选取单位体积用水量为160kg。

(6)养护制度

影响聚合物混凝土性能的因素除了水泥的种类和性能、聚合物的种类和掺量外，养护制度是非常重要的一环。聚合物的种类很多，对混凝土的改性均有一定的成效，但是不同种类、不同厂家生产的聚合物其效果不同，且所需的养护方式也各异。

最佳的养护制度，即在该养护制度下，各组分材料充分出正面效能，宏观上表现为综合性能的提高。在聚合物水泥基复合材料体系中，根据复合材料强度法则(式2－4)：

σ＝σmvm+σpvp(2—4)

式中：σ—聚合物水泥基复合材料强度；

σm、vm—水泥砂浆的强度、体积；

σp、vp—聚合物的强度、体积。

要使σ达到最大，则σm与σp分别达到最大值时，才是适宜的，即水泥必须充分水化，同时聚合物必须充分成膜。但两者是矛盾的，水泥水化是水越多越容易，故一般养护是浸在水中或蒸汽中以便水泥水化的充分与完整；而成膜是水越少越容易使乳胶更好成膜，因此只有在中间找一条两者均能达到最优途径，才能使σ达到最大，即最佳的养护条件。本发明考虑聚合物种类、掺量等因素，确定养护制度为混凝土拆模后先在标准养护室(温度20±2℃，湿度>90％)，然后移至空气中养护(温度>10℃，相对湿度65％)。

综上所述，本实施例混凝土选定水胶比为0.35，砂率为40％，各组分材料的用量：水泥315kg/m³，粉煤灰135kg/m³，细集料690kg/m³，粗集料1035kg/m³，水160kg/m³，聚合物22.5kg/m³，纤维体积掺量0.8％，减水剂2.7～4.5kg/m³，表10为各系列混凝土编号。

表10各系列混凝土编号

注：(1)c0为普通混凝土；

(2)纤维增强聚合物混凝土系列为基于聚合物系列和纤维系列试验结果优选得出。

三、原料拌合

混凝土的制备技术除优化材料组成外，为了使得各组分在体系中均匀分布，制备方法是保证混凝土弯曲韧性的重要方面。其关键技术在于粉煤灰、水泥、聚合物乳液的均匀混合和纤维水泥基体中的均匀分布。纤维在水泥基体中的均匀分布主要有两种方法，其一是“先干后湿”拌和方法，其二是在水泥基体湿拌的同时，将纤维均匀撒入。由于第二种方法必须有纤维均匀分布的专用设备，否则靠人手工去做既效率低又不安全，故不宜采用，为此本实施例采用先干后湿的拌合方法：先将纤维、粗集料、细集料、水泥进行干伴，使纤维均匀分散到混合料中，然后加水搅拌。

本发明首先对比了聚合物乳液系列、纤维系列和纤维－聚合物系列对水泥基体的增强效果，配合比见表8所示。混凝土至56d龄期时，取出100×100×100mm立方体试块进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试，测试方法见《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081－2002)。56d龄期时，各系列混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度如图1所示。

从图1中我们可以得出以下结论：1)聚合物掺入后，混凝土56d龄期抗压强度比普通混凝土下降10％～15％，这是由于聚合物乳液在水泥水化产物中聚合后，其弹性模量远低于水泥石及骨料的弹性模量，因此只能承受拉应力而几乎不能承受压应力；另外聚合物水泥砂浆和混凝土的抗拉强度提高后，抗压破坏的形式一般为剪切破坏。聚合物因剪切强度低而成为剪切面上的软弱夹层，降低了抗剪强度，从而使抗压强度降低；但劈裂抗拉强度相较普通混凝土提高50％～70％，这是由于聚合物在混凝土受拉时，裂缝尖端出现塑性区，吸收裂缝扩展所需的能量，使裂缝由失稳扩展变为稳定扩展，提高了断裂应力的原因。2)纤维掺入后，钢纤维和聚乙烯醇纤维混凝土56d的抗压强度比普通混凝土提高30％，其它各种纤维混凝土变化不明显；劈裂抗拉强度提高20％以上，其中钢纤维和聚乙烯醇纤维混凝土提高80％；3)聚合物和纤维加入混凝土后，克服了聚合物对混凝土抗压强度的不利影响，抗压强度较普通混凝土提高10％～15％，稍低于纤维混凝土，但劈裂抗拉强度较普通混凝土提高2倍，其中钢纤维和苯乙烯－丙烯酸酯共聚物混合后提高2.3倍。

四、弯曲韧性测试

弯曲试验采用100×100×400mm棱柱体试件，采用四点加载方式，跨距为300mm，试验设备为深圳新三思公司生产的电液伺服万能电子试验机，采用位移加载，加载速率为0.05mm/s，试验记录弯曲荷载作用下混凝土荷载—位移曲线，当荷载达到极限荷载的10％时停止试验。

从宏观角度，韧性可以定义为材料或结构从荷载作用到失效为止吸收能量的能力，即可以用能量法，用荷载－挠度曲线下包围的面积来表征韧性。通过计算试件弯曲荷载挠度曲线下的面积得到混凝土的抗弯韧性(图2)，结果见表12。

56d龄期的普通混凝土、聚合物混凝土(a)、纤维混凝土(b)、纤维增强聚合物混凝土、(c)的典型荷载－位移曲线如图3所示。

从图3和表11中可以看出，利用荷载—位移曲线下包围的面积大小来衡量混凝土的弯曲韧性，聚合物乳液加入混凝土后，弯曲韧性提升6.5倍以上，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物加入混凝土中，其弯曲韧性提升17.6倍；纤维加入混凝土后，弯曲韧性提升8倍以上，其中端钩型钢纤维加入混凝土后，其弯曲韧性提升24.1倍；将聚合物和纤维按照一定比例共同掺加混凝土中后，其弯曲韧性较单独加入聚合物和纤维材料又有了较大的提高，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物和钢纤维加入混凝土中后，弯曲韧性提高35.7倍。

表11各种混凝土的弯曲韧性

五、断裂性能测试

为了对开裂后钢纤维混凝土构件的受弯承载力进行研究，本发明采用三点弯曲梁试验对钢纤维混凝土进行了开裂后韧性性能的研究。试验采100mm×100mm×515mm的切口梁试件，用锯切割生成深度为20mm预制裂缝。采用mts810液压伺服刚性试验机进行三点加载，跨距为400mm。试验机与试件接触的两个支座点与加载点采用直径30mm的圆钢作支点，并保证加载点和一个支座能够滚动，加载装置示意如图4所示。通过计算机自动采集数据可以得到受弯梁的裂缝张开位移和荷载值数据，见图5所示。试验时以位移控制加载速度，采用单调加载，加载速度为0.02mm/s。加载过程中，通过计算机自动采集跨中荷载和裂缝尖端位移。当裂缝宽度达到5mm时停止加载。

断裂韧性作为衡量材料抗裂性能的常用力学参量，是表征材料在准静态载荷下阻止宏观裂纹扩展和构件抵抗断裂能力的指标，常用临界应力强度因子即平面应变断裂韧性kic、断裂能gf及临界裂纹尖端张开位移δ0等参量来表征。断裂韧性kic、断裂能gf分别按照式(2－5)和(2－6)所示进行计算，计算结果见表9所示。

式中：t、h、l、a0——混凝土试件的几何尺寸，见图4所示；

w0——荷载—挠度曲线下的面积；

m＝m1+2m2，其中m1—支点间的梁重，m2—加荷附件重量；

δ0——梁断裂时测得的最大挠度值；

p－加载时混凝土试件承受的最大荷载(kn)。

图5和表9中显示，利用断裂韧性和断裂能评价混凝土的断裂韧性，聚合物乳液加入混凝土后，断裂韧性提高15％以上，断裂能提升1.6倍以上，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物的断裂韧性提高24.2％，断裂能提升2.6倍；纤维混凝土，除纤维素纤维外，其余各组混凝土断裂韧性提高25％以上，断裂能提升5倍以上，其中端钩型钢纤维加入混凝土后，其断裂韧性提高46.7％，断裂能提升5.3倍；将聚合物和纤维按照一定比例共同掺加混凝土中后，其断裂能较单独加入聚合物和纤维材料又有了较大的提高，其中苯乙烯－丙烯酸酯共聚物和钢纤维加入混凝土中后，断裂韧性提高42.1％，断裂能提高6.9倍。

表12混凝土的断裂性能

总之，根据弯曲韧性、断裂韧性和断裂能的试验结果，苯乙烯－丙烯酸酯共聚物加入混凝土后，韧性相较普通混凝土、聚合物混凝土和纤维混凝土均有了很大的提高，且韧性由于试验中所选取其它样本，判定为所选取的最佳试验配合比。

六、混凝土断裂路径与韧性的微观评价

从韧性定义出发的韧性指标，即将韧性定义为材料或结构在荷载作用下达到破坏或失效为止吸收能量的能力，可归纳为四种类型：

(1)能量法：直接用荷载—挠度曲线所围面积表示材料到破坏为止吸收能量的大小；

(2)强度法：把混凝土在给定变形条件下所具有的承载能力作为评价韧性的指标；

(3)能量比值法：将混凝土某一特征点的韧度为基数，以其与给定点韧性的比值作为韧性指标；

(4)特征点法：根据混凝土荷载—挠度曲线上的特征点提出的多给定点的指标体系。

1、混凝土微观结构韧性指标的提出

本发明对于材料的韧性断裂提出了裂缝临界扩展准则，裂缝临界扩展应力定义为：

式中：γs——单位宏观量度的表面能，假定裂缝是沿平直路径扩展的。

但是实际上任何裂缝都不是平直扩展的，而是弯折扩展，其断裂表面是粗糙、凹凸不平的，考虑到混凝土材料断裂表面的分形特征，本发明将式(2－7)修正为：

gcrit＝2γsε^2-d(2－8)

式中：ε——标度因子；d——断面的分形维数

上式表明实际材料断裂所需能量耗散比式(2－7)要大，因此采用实际材料破坏时临界扩展力与理想韧性材料的临界扩展力之比作为韧性指标，可表示为：

韧性指标r实际上即为混凝土断裂面面积与其投影面积之比，称为断裂面粗糙度。

2、混凝土韧性的微观表征

本发明通过x-ct技术对弯曲荷载作用下混凝土断裂前后的断裂面形貌进行比较，并对断裂区域的尺寸参数进行计算。试件采用100×100×400mm的棱柱体，选择c0、pm-3、fc-2、pfc-3作为试验对象，各组混凝土ct图像见图6所示。

从断裂理论分析的角度来看，具有韧性变形能力的材料在裂缝扩展时，裂纹尖端附近由于应力集中，局部应力超过屈服强度，裂纹尖端附近局部材料产生塑性变形，继而裂纹向前扩展。图6(1)所示为普通混凝土中裂缝扩展，可见裂缝扩展路径上遇到轻集料一般都是沿着水泥基体和骨料间的界面过渡区。图6(2)所示为在普通混凝土中添加聚合物乳液，当聚合物乳液与水泥基体相互贯穿，形成连续空间网状结构时，降低了原有界面的刚性，破坏过程中能吸收更多的能量，水泥基体与骨料的粘结强度得以提高，抑制了裂缝的形成，网络结构能够连续传递力，降低应力集中，即便产生裂缝时，聚合物也能跨越裂纹并抑制裂缝扩展，因此裂缝扩展时将贯穿粒径较大的骨料，也可沿着小粒径骨料与水泥基体的界面扩展，这将使裂缝的扩展路径变得曲折复杂，延长了裂缝扩展的路径，耗散裂缝扩展过程中断裂能，进而大大改善混凝土的韧性。图6(3)所示为钢纤维混凝土中裂缝扩展，当纤维受弯和受拉时，受拉区基体开裂后，纤维将起到承担拉力并保持基体裂缝缓慢扩展的作用，基体裂缝间也保持着一定的残余应力。随着裂缝的扩展，基体裂缝间的残余应力逐步减小，而纤维具有较大的变形能力可继续承担截面上的拉力，直到纤维从基体中拔出，这个过程是逐步发生的，纤维在此过程中就起到了明显的增韧效果，实际是纤维加入使得混凝土断裂能量得到了逐步的释放，并提高了混凝土的韧性。图6(4)所示为钢纤维增强聚合物混凝土中裂缝扩展，由于聚合物和纤维在发挥各自的增韧优势外，聚合物可以改善钢纤维－水泥集体和水泥集体－骨料间的界面过渡区(试验和机理分析见第五章)，因此延长了裂缝扩展的路径，耗散裂缝扩展过程中断裂能，进而极大的改善混凝土的韧性。对混凝土断裂面的表面积和体积进行计算，结果如表13所示，并用上文提出的混凝土韧性评价指标r进行韧性评估，可以看出相较普通混凝土，聚合物混凝土、纤维混凝土和纤维增强聚合物混凝土的断裂面面积和韧性指数r分别提高1.96倍、2.49倍和3.57倍，反映在混凝土中即断裂面更为粗糙，断裂过程中断裂路径更为曲折，需要耗散更多的能量，从而达到增韧的效果，与试验结果相吻合。

表13各种混凝土断裂面尺寸

具体实施例1：纤维增强聚合物混凝土在隧道衬砌工程中的应用

按照新奥法的原则，隧道工程可视为两阶段施工，第一阶段施工地下工程的主要支护，包括锚杆、钢筋网、钢拱架和喷射混凝土等；第二阶段用现浇混凝土施工内层衬砌，包括底板或仰拱。

(1)衬砌不是一个独立的结构，它所承受的载荷和它自身的性能受周围地层特性控制.在地下结构物中修建衬砌是围岩与结构共同作用的问题，其重点是围岩自身的稳定性条件.

(2)衬砌像薄壳一样将荷载重新分配给围岩。由于围岩和喷射混凝土一起变形，所以应增加衬砌的柔韧性使其与围岩结合得更好，更好的将荷载重新分配给围岩。围岩变形稳定后施作的二次衬砌仅用于承担围岩水压力、长期蠕变造成的附加荷载，以及后来开挖平行隧道支洞施工造成的影响。

因此衬砌施工中关键是保证衬砌和围岩完全结合在一起，充分发挥围岩承载能力，使其控制围岩不发生有害的变形。

我国对于衬砌结构的处理根据围岩等级的不同，对于ⅱ、ⅲ级围岩采用素混凝土结构，而对于ⅳ级以上围岩采用钢筋混凝土结构，近年来随着高速铁路建设的发展，在武广、郑西、贵广、广深港等高速和客运专线的铁路建设中在ⅱ、ⅲ级围岩中也初步使用了纤维混凝土结构，利用纤维在混凝土中的乱向分布，对混凝土的塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝的有效抑制作用，不仅降低了工程造价，而且初步解决了困扰衬砌非结构裂缝的难题。

a隧道位于广西壮族自治区b市，全长8531m，是贵广客运专线中挖掘较长、施工难度较大(存在高温、岩爆、放射性等不良地质，部分断层位置地下水发育)的一条隧道，设计要求使用寿命为100年。混凝土强度等级为c30，坍落度要求160～200mm，混凝土所处环境等级为t2(碳化等级)、h1(化学侵蚀等级)，按照《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设[2005]157号)的规定，电通量小于1200c。衬砌使用纤维增强聚合物混凝土(用于ⅲ、ⅳ级围岩条件下)和普通混凝土(用于ⅱ级围岩条件下)，衬砌层厚度为45cm。

衬砌混凝土结构所用原材料为：水泥为海螺牌p·o42.5；砂为黄洞河中粗砂，细度模数2.6；石为碎石，粒径范围5～16mm、16～31.5mm；外加剂为聚羧酸高效减水剂nof-as；粉煤灰为ⅱ级，细度19.8％；水为自来水；钢纤维为bekaert公司提供的rn80/50bn，聚合物乳液为上海通洋化工有限公司提供的ad66，钢纤维与聚合物乳液参数见上文说明，试验段混凝土的配合比采用表14所示，施工方法按照上文所述的“先干后湿”法进行。

表14试验段混凝土配合比单位：kg/m³

隧道衬砌两段混凝土工作性能测试结果，见表15所示。两段二次衬砌试验段混凝土研究情况表明：纤维增强聚合物混凝土在实际施工过程中易于使用，和易性和流动性良好，未出现离析、泌水等现象；混凝土搅拌、泵送、灌注等工作性能良好。

在浇筑两个二次衬砌试验段混凝土时，分别预留了混凝土试件，与隧道衬砌结构混凝土同条件养护(隧道内温度(16±5)℃，湿度(50±10)％)，对混凝土的强度和耐久性指标进行测试，见表15所示。纤维增强聚合物混凝土抗压强度满足c30的设计要求，抗渗等级和氯离子渗透系数均达到设计要求，各项强度和耐久性能指标均优于普通混凝土。

表15混凝土工性能、强度和耐久性指标

二次衬砌浇筑成型后，对其表面状况和强度指标进行定期监测，以确定其工作状态是否仍然可以正常使用。图7表示成型后60d、180d、360d和720d衬砌混凝土表面状态，可以看到纤维增强聚合物混凝土表面光洁，外观良好，未发现微细裂纹，也无纤维结团、露头现象，用回弹仪测试上述各龄期混凝土的强度，见表16所示，满足c30的强度设计要求。

表16不同龄期混凝土强度值(回弹法)

所有上述为这一知识产权的首要实施方法，并没有设定限制以其他形式实施这种新方法和/或新产品。本领域技术人员将利用这一重要信息，对上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有基于本发明的修改或改造新方法，属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。