字数：3125
来源：城市建设理论研究 2012年29期 字体：大 中 小 打印当页正文
摘要：钢纤维、聚丙烯纤维等加入混凝土可显著提高混凝土的抗折强度，韧性，疲劳性能，抗冲击性能；目前对其材料的实验研究较多，鲜有文献对其增强，增韧机理进行深入讨论；本文综合目前国内外相关研究提出了纤维对混凝土增强、增韧的相关理论。 关键词：纤维；混凝土；复合材料模型；断裂力学模型；界面特性 Abstract: steel fibers, polypropylene fibers, such as adding concrete can significantly improve the flexural strength of the concrete, toughness, fatigue performance, impact resistance; experimental study of its material more little literature enhanced toughening mechanism in-depth discussion; This article integrated research at home and abroad fiber concrete reinforcing, toughening the theory.Keywords: fiber; concrete; composite model; fracture mechanics model; interface characteristics 中图分类号： TU375 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 纤维作为混凝土的增强相，可以使其强度和韧性都大幅提高，短纤维相对来说具有压模好，便于自动化生产，利用分散等特点，而且在工程中可以根据不同的工程需要方便的选取不同配合比，达到最为适宜的细观结构和材料性能，因此在工程中具有广泛的应用。随着纤维增强复合材料的发展和广泛应用，人们愈来愈迫切地要求建立更为合理和完善的理论来预测复合材料的强度、断裂韧性等破坏性能，这种预测由于包括基体开裂、界面脱黏、纤维的拉断或者拔出等众多的非线性过程，所以复合材料的损伤和破坏取决于更为复杂的演化机理。 1.纤维混凝土的复合材料模型 这种模型的思路是根据单纤维-基体的拉拔实验得到纤维内部承载力的分布，对其均值进行统计，继而采用混合率等方法计算得到短纤维复合材料的整体承载效果。复合材料理论的经典强度公式可表示为：（2-1） 其中表示基体的弹性模量，表示纤维的弹性模量，表示纤维的体积率，表示基体的体积率，表示基体的应变，表示纤维的方向、长度、界面粘结特征综合作用系数。该式能表征 纤维和混凝土处于弹性阶段的承载状态，当纤维与混凝土基体脱黏后该公式则失效。 Naaman根据短纤维易发生破坏的特点，采用拉拔界面模型中的平均剪应力来表示短纤维所能承受的荷载，给出了入下表达式： （2-2） 为基体的开裂应力，为纤维的综合作用系数，其效果和（2-1）中的效果相同[1]。我国《钢纤维混凝土》规范中明确规定采用这种方法来计算纤维混凝土的抗拉强度[2]，本文认为聚丙烯纤维混凝土的弹性模量和混凝土较为接近，而且其含量小，双纤维混凝土的增强作用主要由钢纤维来发挥，故聚丙烯纤维的增强效果在系数中体现。 2.断裂力学模型 现代断裂力学也能够解释纤维对混凝土的增强和增韧效果，因为混凝土的开裂破坏与内部微裂纹的形成和扩展等内在的过程有关。Romuldi[3]假设裂纹的形状为币形裂纹，其四周均与分布四根刚性纤维，裂纹的扩展导致纤维内部产生拉应力，而拉应力的效果是产生反作用与裂纹表面的等效压应力，造成裂纹尖端应力强度因子的下降，（2-3） 其中为远场拉应力，为远场应力产生的裂纹尖端应力强度因子，为纤维产生的等效压应力，为纤维产生的压应力对应的裂纹尖端应力强度因子，a为裂纹的长度。 小林一辅根据实验结果给出了纤维混凝土的半经验抗拉公式： （2-4）
为纤维-基体间界面的黏结强度相关的系数，为纤维对混凝土产生增强作用的纤维间距上限值，为纤维间距，为基体的开裂强度。蔡四维把短纤维视为椭球包容体，采用Eshelly等效包容法则计算了距离微裂纹一定距离垂直分布的纤维对混凝土的阻裂效果[4]蓝基因超级计算机。
3.增韧机理和多缝开裂体积率
图pc-cillin1. 纤维混凝土增韧模型
如图1示，纤维混凝土开裂区被分成三个部分，区域1为应力自由区，该区的纤维一端从基体中拔出，不能再承受拉应力。区域2为纤维桥联区，纤维桥联在宏观裂缝尖端，承受拉应力并其阻裂作用。区域3为微裂纹区域，该区由于存在应力集中，处于处在大量的微裂纹。有学者认为可以用裂纹的张口位移来描述纤维的桥联作用所增加的断裂韧度。
（2-6）
纤维混凝土的主要增强效果体现在抗拉强度，疲劳性能，弯拉韧性，抗冲击性能等方面，这些都与纤维的阻裂机理有关。纤维混凝土的单轴拉伸试验，因其破坏形式简单（相对于弯拉试验，劈拉试验，抗剪试验），破坏准则易于掌握，便于进行破坏机理分析，常被学
者用来研究纤维对混凝土的阻裂、增强、增韧机理。但单轴拉伸试验也存在着相对难度大的缺点，目前还没有统一的实验方法。
素混凝土或纤维含量较少的混凝土，在单向拉伸条件下，基体一旦开裂便无法继续承受更高的荷载，裂纹沿初始裂纹不断发生扩展，最终发生单缝破坏。
若在基体中掺加足够的纤维，随着初始裂纹的扩展，纤维内部的拉应力可以持续的增长（前提是纤维-基体界面足够强或异性纤维的锚固强度足够大），从而混凝土的承载能力可以持续的增长，在其他原始缺陷处也会出现裂纹的扩展，最终破坏发生在最薄弱部位，但破坏形式为多缝开裂模式。
在断裂力学计算基础上认为实现多裂纹扩展必须满足两个条件：1.基体内裂纹稳定扩展，不能发生裂纹失稳扩展；2.纤维的最大桥联荷载必须大于初裂强度。Li还给出了多裂缝扩展的纤维体积率。
（2-7）
是最大桥联荷载对应的裂纹张开位移，为基体裂缝尖端的断裂韧性。
Naaman根据复合材料力学观点，认为界面力学模型计算得到的纤维桥联荷载作用大于复合材料的开裂强度时可实现多缝开裂，并提出了实现多缝开裂的最小纤维含量如式（2-8）
所示，并求得了钢纤维混凝土实现多缝开裂的钢纤维体积率在2%-3%之间，按照现有的施工条件，这种体积率超出了工程中所允许的纤维掺量，需要在混凝土的施工工艺和纤维的分散性方面有所突破。
（2-8）
4.界面力学特性
4.1界面力学模型
纤维和混凝土基体界面作为复合材料中的一相，相对于基体和纤维是薄弱环节，最容易发生黏结破坏。纤维增强混凝土的破坏一般是先从基体材料的开裂开始的，由于混凝土自身材料的限制，在制作和养护的过程中会产生大量的微裂纹和微孔洞，在受力条件下，这些裂纹会不断的张开、扩展，混凝土中乱向分布的纤维将会对这一过程起到阻滞作用，阻裂的效果区主要取决于纤维的特性，基体的特性、配合比和界面强度，其中纤维和基体间的结合强度是纤维对混凝土增强、增韧增强能力的关键。界面太弱，纤维的强度再高，其增强效果也无法得到发挥。
采用细观力学分析建立材料宏观力学性能和材料各组分性能及细观结构参数之间的关系是材料研究的趋势，通过扫描电镜对纤维-混凝土界面结构进行观测实验，Stuck发现界面
的组成和厚度与纤维半径的大小及混凝土的微观孔隙分布有关，对于工程常用的钢纤维和聚丙烯纤维，由于其直径远大于水泥颗粒的直径，故存在墙壁效应。在混凝土凝结过程中，纤维和混凝土界面未能形成致密结构，存在大量的微观孔隙和水化钙结晶，成为混凝土的薄弱环节[8]。材料工作者为了改善纤维-基体界面，常采用在混凝土中计入硅粉、高岭土、粉煤灰等细小颗粒填充剂的方法来提高界面强度，增大界面摩擦力。
对界面的力学行为的研究常常是先在感性认识的基础上建立细观模型，然后根据实验结果基于一定的假设或准则来修正模型，不断的逼近实验结果。常用单纤维拉伸实验模型来研究纤维-基体界面的力学特性，在实验过程中可以借助于扫描电镜（SEM）来观察破坏过程中界面的变化。随着有限元的发展，也有学者借助于软件来计算界面特性，但存在界面的物理参数难以测定，破坏过程需要动态网格的划分等缺点。横山大刀队
早期的混凝土单纤维拉拔实验采用纤维埋入柱形基体的剪滞模型（如图2所示），并假设界面上的剪应力是均匀分布的，由受力平衡条件：
（2-9）
其中表示纤维的半径，表示纤维的长度，通过实验测得最大拔出荷载后可以通过公式计算得到界面的最大剪应力。然而在混凝土是不均匀分布量，所以用该方法预测的最大剪应力
偏低。
图2 单柱体剪滞模型
4.2斜向拉拔模型
短纤维在复合材料中是乱向分布的，基体开裂后纤维方向并非与开裂面垂直，大部分是斜交的，因此上述的轴向拉拔模型并不能完全反应复合材料开裂后纤维的阻裂效果。除了发生纤维的脱黏和滑移外，还会发生纤维的弯曲，以及拔出点附近局部基体的屈服破裂，剥落现象。
图3 纤维斜向拉拔模型
Naaman和Shah[13] Morton和Groves[14] 曲把纤维以各种角度埋入基体中，分别完成了钢纤维从水泥砂浆基体，金属纤维从树脂基体中的拉拔实验，得出以下结论：在0-45°之间，最大拉拔荷载随着角度的增大而增大，在45-75°之间变化时，最大拔出荷载随的增大而略有减小，最大拔出功在取45°时取得。对于聚丙烯纤维等柔性纤维，在脆性基体中的斜
向拉拔模型不同于钢纤维，在把出点基体相当于定滑轮的作用，径向作用力N不仅起到改变纤维方向的作用，而且该作用能够导致纤维表面的严重磨损，界面间的摩擦系数会变大，这些已经被电镜扫描观察所证实。
4.3异型纤维
通过实验，金芷生[17]，黄承逵[19]都发现异型短纤维在混凝土断裂过程中，很多是被拔出而不是拉断，异型纤维在最大拔出荷载和荷载-挠度曲线下部面积（表征实验过程中混凝土的吸能效果）都比圆直纤维大，这是由异型纤维的形貌特征所决定的，由于异型纤维的形貌特征差别较大（弯钩型、波浪型、压痕型和哑铃型等）很难用一种增强理论进行概括。
5.总结
本文综述了国内外关于纤维对素混凝土材料的增强、增韧机理。
基于复合材料模型，综述了纤维增强混凝土的强度计算模型，为相关的试验工作者提供了强度拟合的模板
基于断裂力学模型，阐述了纤维桥联作用对裂纹尖端应力集中的缓和作用，并分析了单向纤维材料初裂应变和纤维体积率之间的关系。
在纤维增韧模型的基础上，综述了多缝开裂的条件（多缝开裂的临界纤维体积率）。
纤维与基体间的界面时混凝土的薄弱环节，本文综述了单纤维圆柱体拉拔模型，分析了目前常用的两大破坏准则（最大剪应力准则和能量准则），并简述了斜向拉拔模型和异型纤维的增强效果。
参考文献： 反硝化细菌
[1] Naaman A.E, Moavenzadeh F, Probabilistic analysis of fiber-reinforced concrete[J]. Journal of the Engineering Mechanics division, 1974, 100(4):394-413
[2] 钢纤维混凝土[S]. 北京：中国计划出版社, 1999
办公室工作存在问题 [3] 赵国藩, 彭少民, 黄承逵等. 钢纤维混凝土[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1999
[4] 蔡四维, 蔡敏, 王慧等. 短纤维对基体微裂纹扩展的阻滞分析[J]. 复合材料学报, 1995, 12(3): 101-107
[5] Aveston J, Cooper G.A , Kelly A. Single and multiple fracture[R]. London: IPC science and Technology Press Ltd, 1971
[6]金芷生, 庞沄, 赵永禄. 钢纤维与界面黏结性能的研究[J]. 武汉工业大学学报, 1991, 1：5
5-60
[7]黄承逵, 田稳苓, 赵国藩. 钢纤维与水泥砂浆粘结强度试验研究[A]. 程国庆. 第七届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文集, [C]. 井冈山：中国铁道出版社, 1998：通讯中断134-138
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议