纤维对混凝土材料的增强增韧机理分析

纤维对混凝土材料的增强增韧机理分析

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]。

3.增韧机理和多缝开裂体积率

图1. 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