钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理研究

张伟

南京工程学院建筑工程学院,江苏南京211167

钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理研究

张伟

南京工程学院建筑工程学院,江苏南京211167

本文从理论和试验两个角度分析钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理。研究结果表明：直线形和弯钩形钢纤维聚合物混凝土的界面应力最大值出现在埋入端位置，并沿着钢纤维的埋入方向降低，在截面中部位置趋于零；当钢纤维的长径比为定值时，随着钢纤维含量的增加，聚合物混凝土的力学性能均较大增强；在相同的钢纤维的掺量时，聚合物混凝土的力学强度与长径比成正比；纤维长度和直径对界面应力影响较小，但会改变钢纤维应力的位置，本文的结果能为钢纤维聚合物混凝土的配合比设计及应用提供参考。

钢纤维;混凝土;界面应力;增强机理

混凝土在土木工程中得到广泛应用，其抗压性强，但抗拉性和抗裂性都较差，随着建筑工程的不断发展，混凝土的抗压强度也得到较大提高，其缺点也变的更加突出。为此，在混凝土中增加纤维材料形成复合材料的思想出现，掺入纤维之后的混凝土，从微观角度提高了混凝土抗拉强度和极限延伸率，纤维混凝土是一种具有代表性的复合材料，其界面（纤维与基材之间的区域）主要进行应力的传递，界面粘结强度的情况直接影响符合混凝土的整理强度。界面应力传递理论的研究主要包括界面应力传递理论以及基于界面层的界面应力传递理论[1]，Yue等[2]采用剪滞模型研究纤维聚合物混凝土的剪应力分布，详细分析最大脱粘抽出力受界面力和界面摩擦力，并将理论模型和试验结果进行了对比，两者的结果较为吻合；Kim等[3]研究被圆柱形基体包围的纤维的剪滞模型，计算了不粘部分和脱粘部分直接的轴向应力，得到粘合和部分脱粘界面下纤维剪应力计算公式；增强金属基复合材料所得的试验结果一致。Starink等[4]研究单根圆柱纤维，推导复合聚合物材料的应力状态，建立新剪滞模型，并得出预报聚合物材料杨氏模量的新公式，通过研究发现预报值较好的吻合不同长径比纤维增强金属材料；Broutman等[5]采用有限元法计算界面层玻璃纤维聚合物界面应力分布；崔维成[6]和杨庆生[7]采用界面单元技术分析界面层的破坏过程，界面区域由于较薄，他们将界面元模拟为—个界面层，假设界面的剪切屈服处在理想弹塑性阶段，采用屈服应力对界面的常摩擦力进行模拟；田稳苓等[8]和曾滨[9]采用剪应力理论推导了弯钩形纤维的拔出载荷。

研究发现，基于钢纤维聚合物混凝土的界面应力的研究大部分只是分析应力，无法精确的分析实际的符合材料，本文在前人的研究基础上采用数字图像相关方法，结合单纤维拉拔试验方法，分析钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递原理，研究钢纤维的体积率、长径比以及纤维的排列情况对钢纤维混凝土的增强作用。

1 界面应力传递机理

采用数字光弹性实验分析钢纤维界面的残余应力，总结钢纤维在混凝土中的应力传递机理，为研究增强机理提供参考。

1.1 直线形钢纤维

图1 直线形纲纤维聚合物混凝土光弹模型的等差线图案和等色线级数3D分布（加载前）Fig.1 3D distribution series straight steel fiber polymer concrete photoelastic model of the isochromatic pattern and color line(load)

由图1（a）可以看出在钢纤维附近出现明显的条纹，离着原理钢纤维的距离的增加条纹的数量逐渐表少，表明应力逐渐表小，数字光弹法计得到的应力等色线级数3D分布可以看出远离钢纤维区域的级数逐渐表小并趋向于零，钢纤维端的条纹级数最高，表现为红色。

1.2 端钩形钢纤维

图2 弯钩形纲纤维聚合物混凝土光弹模型的等差线图案和等色线级数3D分布（加载前）Fig.23D distribution series of hook shaped steel fiber polymer concrete photoelastic model of the isochromatic pattern and color line(load)

由图2（a）可以看出在钢纤维以及弯钩附近出现明显的条纹，离着原理钢纤维的距离的增加条纹的数量逐渐表少，反应钢纤维附近的应力较为集中，数字光弹法计得到的应力等色线级数3D分布可以看出钢纤维端的条纹级数最高，表现为红色，钢纤维附近的应力变化较为突出，说明该位置的应力传递较快，传递的范围较小。钩形纤维在拔出时候消耗能量较大，纤维的抗拔能力较强，钢纤维在形状改变的位置较容易出现应力集中，让该位置的混凝土出现脱粘、开裂，钢纤维弯折形状和角度的不同，应力集中程度也会发生变化。

2 钢纤维混凝土的增强机理

为研究钢纤维混凝土的增强机理，本文从理论角度分析聚合物混凝土的力学模型，通过设计一定配合比的混凝土，加入不同体积率、长径比钢纤维以及在混凝土的排列情况，分析对混凝土的性能的影响。

2.1 长径比不同钢纤维对混凝土的增强作用

根据上述分析可知，长径比是影响钢纤维混凝土的重要因素之一，本文将对三维乱向分布的钢纤维混凝土进行力学分析。

图3 实验所用端钩形钢纤维示意图Fig.3 Schematic diagram of the end hook shaped steel fiber used in the experiment

表1 不同含量的钢纤维的增强效果Table 1 Reinforcing effect of different content of steel fiber

当钢纤维的长径比为定值时，采用抗拔实验得到的聚合物混凝土的力学性能如表1，随着钢纤维含量的增加，聚合物混凝土的力学性能都得较大的提高，这主要是由混凝土中钢纤维让混凝土的整体性增强，载荷分布更加均匀，减小了薄弱的截面上裂纹的出现，三维乱向分布的钢纤维本身增强了混凝土的断裂应变。在进行加载荷前期，钢纤维聚合物混凝土共同承受荷载，能承受的荷载较大，随着荷载的不断增大到极限载荷，横贯于裂纹中的界面粘结力继续传递应力，使应力达到重新分布，混凝土能够继续承受荷载，载荷增加到破坏荷载的时候，钢纤维与混凝土的界面破坏，钢纤维被出或者拉断，吸收了较大的能量。

本实验还对钢纤维的含量一定时，研究不同长径比的钢纤维配制聚合物混凝土的力学性能。

表2 不同长径比钢纤维烦人增强效果Table 2 Effect on different length diameter ratio of steel fiber reinforced

由表2可得，在相同的钢纤维的掺量时，聚合物混凝土的力学强度与长径比成正比。钢纤维长径比相差不大，混凝土的力学强度较为接近，长径比增加到88时，力学强度增加较为显著，当增加在100时，钢纤维对混凝土的的增强效果下降，造成这种现象的原因是纤维的长度过长，施工中较为困难，达不到的理想的效果，在实际工程中，尽量控制钢纤维长径比在40～80之间。

3 钢纤维聚合物混凝土的界面应力有限元分析

在实验的基础上，本文通过MARC有限元软件分析直线形和端钩形钢纤维界面残余剪应力分布情况，在进行有限元建模时候，假定钢纤维与混凝土的粘结完好，荷载作用在钢纤维上，方向与钢纤维轴向重合。基体弹性模量为1 GPa，泊松比为0.4，钢纤维的弹性模量210 GPa，泊松比0.3。模拟实验过程，直线形钢纤维的荷载为0～35 N，钩形纤维荷载为0～40 N。

图4 有限元计算模型网格划分Fig.4 Grid division finite element calculation model

3.1 直线形钢纤维界面应力分析

图5 不同钢纤维埋入长度和不同纤维直径的界面应力分布Fig.5 The interfacial stress distribution of different steel fiber embedded length and fiber diameter

图5（a）中钢纤维的直径为1 mm并保持不变，当钢纤维埋入聚合物混凝土的长度改变后，有限元模拟的界面应力具有相似的分布规律，界面应力极值在钢纤维埋入端和埋入末端，界面应力最大值没有随着钢纤维埋入长度的增加而发生很大的变化，但最大值的位置向钢纤维中部移动。这表明钢纤维在保持直径不变的时候，纤维长度的改变对界面应力的影响不大。

图5（b）钢纤维埋入长度为17 mm并保持不变，改变钢纤维的直径，界面应力有限元数值模拟结果表明，钢纤维直径的增加，界面应力极值在钢纤维埋入端，界面应力最大值没有随着直径的改变而改变。

3.2 弯钩形钢纤维界面应力分析

图6不同钢纤维埋入长度和不同纤维直径的界面应力分布Fig.6 The interfacial stress distribution of different steel fiber embedded length and fiber diameter

图6（a）中钢纤维的直径为1 mm并保持不变，当弯钩形钢纤维埋入聚合物混凝土的长度改变后，有限元模拟的界面应力具有相似的分布规律，应力极值出现在钢纤维埋入端和埋入末端弯折处，钢纤维埋入长度的增加，界面应力最大值变化较小，表明钢纤维直径不变，纤维长度的改变对界面应力影响不大。图6（b）中弯钩形钢纤维埋入长度为24 mm并保持不变，改变钢纤维的直径，界面应力最大值没有随着直径的改变而改变。表明钢纤维埋入长度不变，钢纤维直径对界面应力影响不大。

4 结论

本文较为深入的从理论和试验两个角度分析钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理，结合单纤维拉拔试验方法，研究钢纤维的体积率、长径比以及纤维的排列情况对钢纤维混凝土的增强作用。根据得到的试验现象和数据，并结合相应的理论研究成果，得出了以下主要的结论。

（1）在直线形钢纤维聚合物混凝土，界面应力的最大值出现在埋入端位置，并沿着钢纤维的埋入方向下降，在截面中部位置趋于零；钩形纤维在形状改变的位置较容易出现应力集中，端钩形钢纤维混凝土截面应力在距离埋入端约1～2倍纤维直径的位置达到极值，在中间位置接近零。

（2）当钢纤维的长径比为定值时，随着钢纤维含量的增加，聚合物混凝土的力学性能都得较大的提高；在相同的钢纤维的掺量时，聚合物混凝土的力学强度与长径比成正比，在实际工程中，尽量控制钢纤维长径比在40～80之间。

（3）采用有限元计算程序，研究纤维长度和直径对界面应力的影响，结果表明，纤维长度和直径对界面应力影响较小，但会改变钢纤维应力其中的位置，由于聚合物混凝土的特殊性，研究钢纤维聚合物混凝土具有较为重要的现实意义，本文的结果能为钢纤维聚合物混凝土的配合比设计及应用提供参考。

[1]王恒武.玻璃纤维/聚合物基复合材料界面粘结强度的实验与理论研究[D].武汉:武汉理工大学,2003

[2]Yue CY,Cheung WL.Interfacial properties of fibrous compositesⅠ,Model for the debondingand pull-out processes[J]. Journal of Materials Science,1992,27:3173-3180

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[5]Broutman LJ,Agarwal BD.Atheotitical study of the effect of interfacial layer on properties of composites[J].Polymer Engineering and Science,1974,14:581-588

[6]崔维成.复合材料结构破坏过程的计算机模拟[J].复合材料学报,1996,13(4):102-111

[7]杨庆生.复合材料的界面破坏力学[C].南京:第八届全国复合材科学术会议文集,1994

[8]田稳苓.异型钢纤维粘结机理研究[C].济南:第八届全国纤维混凝土会议论文集,2000

[9]曾滨,金芷生.钢纤维混凝土纤维增强作用[J].北京科技大学学报,1995,17(5):485-488

Study on Interfacial Stress Transfer and Strengthening Mechanism of Steel Fiber Polymer Concrete

ZHANG Wei
Department of Architecture Civil Engineering/Nanjing Institute of Technology,Nanjing211167,China

In this paper,the interfacial stress transfer and strengthening mechanism of steel fiber polymer concrete were analyzed from two aspects of theory and experiment.According to the experimental phenomena and data,the main conclusions were as follows:the interface stress of straight line and curved hook shaped steel fiber polymer concrete had been decreased and the mechanical properties of polymer concrete had been improved.The mechanical strength of polymer concrete was proportional to the length and diameter of steel fiber and the results could be used for the design and application of steel fiber polymer concrete.

Steel fiber;concrete;interfacial stress;strengthening mechanism

TU528.56

:A

:1000-2324(2015)06-0908-05

2014-10-22

:2015-01-20

南京工程学院校级科研基金项目:绿色高耐久性混凝土塑性收缩与开裂性能研究（QKJB201306）

张伟(1982-),男,江苏省泰州市人,硕士,实验师.主要研究方向为混凝土结构耐久性.E-mail:zhangweijt2000@163.com