[纤维对混凝土材料的增强增韧机理分析.doc

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 　 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。?　　 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：?　　[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?　　[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 multi