混凝土纤维增韧原理及计算模型

2021-11-02席居宇陈翠翠

江苏建材 2021年5期

席居宇，陈翠翠

（1.重庆大学，重庆 400044；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103）

0 引言

我国是世界上混凝土用量最大的国家，随着现代钢筋混凝土结构向超高、超大以及超长跨度的发展，对水泥基材料的韧性要求也越来越高。采用纤维提高混凝土韧性是当下最有效的方法之一。

纤维混凝土作为一种复合材料，其性能受到组成结构参数影响，而作为传递纤维与基体间应力的主要因素，纤维-基体界面粘结性能的研究是理解和量化纤维混凝土增韧阻裂行为的基础，也是决定纤维混凝土宏观拉伸行为的关键。基于此，从纤维-混凝土基体界面作用机制入手，介绍纤维增强原理和已有计算模型，以期推动纤维混凝土配合比设计以及工程应用。

1 界面作用力

纤维-基体界面粘结作用力主要包括四个方面：脱粘前的物理化学胶结力（弹性剪切力）、脱粘后的摩擦剪切力、法向应力以及多维纤维额外产生的机械锚固力。

图1展示了主要界面作用力，其作用机制分为三个阶段。

图1 纤维-基体界面粘结作用力示意

（1）弹性阶段：当施加的力在界面形成的剪切应力τ≤最大物理化学胶结力τa,max时，纤维-基体界面处于完全弹性阶段。在基于一定的假设条件下，Cox提出了第一个计算该阶段界面剪切应力的有效模型（剪滞模型），由于该模型并没有考虑较大剪切应力作用下产生的滑移现象，并不适用于模拟弹性剪切应力和摩擦剪切应力耦合作用的情况。

（2）弹性粘结-脱粘滑移阶段：当施加的力在界面形成的剪切应力τ≥最大物理化学胶结力τa,max时，纤维-基体界面处于弹性-脱粘阶段。在改进模型基础上，Lawrence提出了计算该阶段界面剪切应力的有效模型。需要注意的是，该模型并没有考虑摩擦随着滑移的进行而下降的事实。因此，众多研究学者进行了修正研究，也提出了一系列修正模型，如图2所示。经试验验证，曲线模型与实际情况更为相符。这种随着滑移出现摩擦应力下降趋势的原因，对于钢纤维主要是表面摩擦破坏累积造成打滑的缘故，对于模量较小的合成纤维，也有可能由于变形大而产生紧缩，导致摩擦应力下降。当弹性剪切应力足够大到使纤维断裂时，就不会产生脱粘滑移现象，此时纤维埋入的临界值，约为临界脱粘长度的5～10倍。

图2 纤维-界面界面剪切应力分析模型

（3）脱粘滑移阶段：当纤维-基体界面处于完全脱粘阶段，界面只受摩擦剪切应力，同时在界面表面还会形成一个法向应力，主要是由于在力的作用下纤维和孔道产生了位移偏差，且会因孔道塌陷，导致该值随着滑移的进行而缩小。任何造成孔道收缩的因素（体积变化，外在应力、泊松比、塑性变形）都会提供侧向约束力，而提高纤维的法向应力。研究表明，法向应力可达19.2～32.6 MPa，该力可以让界面处的基体产生裂缝，甚至撕裂纤维本体。通过法向应力，计算脱粘阶段的动摩擦系数μ，其值约为0.05～0.25（钢纤维）和0.45～0.75（有机纤维）。

2 纤维拔出行为

纤维拉拔试验单丝（单束）被广泛用于研究纤维-基体界面的粘结特性，且通常采用拔出-拔出试验。经对比分析，图3所示的试验方法最为合适，它不仅能真实反映实际受力状态，且数据准确度高，方法操作简便。但仍需注意的是，通过纤维拉拔试验获取界面作用力特征值的误差往往会比较大，同一试验就可高达30%。造成这个现象的主要原因有：①需要人工确定纤维拔出曲线特征关键值的位置；②纤维-基体界面区的多孔疏松特征。当采用剪滞理论去计算界面作用力特征值时，后者的影响更为显著，且难以准确表征该区域的剪切模型，而试验中往往用附近基体的性能进行经验评估。此外，根据弹性剪切应力和摩擦剪切应力之间相对大小，纤维的拔出行为可分为三类。而实际由于界面的多孔特性，往往发生的是第二类情况，即0<τf<τe。

图3 纤维拉拔试验示意

微观结构表明，纤维-基体界面存在的多孔疏松区域富含CH，且类似于骨料周边的界面过渡区，其厚度可达10～40μm，甚至高达40～70μm，即使在超高强砂浆体系中，其厚度也可能有40～50μm。同时该多孔疏松区的强度比基体强度要低30%～50%。

基于试验研究，相关的纤维拔出行为分析模型也相继提出，表1展示了平直纤维拉拔行为的分析模型。试验验证端钩纤维在拉拔过程中，端钩通过孔道时会产生塑性变形，并不会产生孔道破坏或基体压溃现象，可将端钩转角处假设为等效滑轮铰链，仅通过冷变形进而提高纤维拔出力，随着两个端钩依次拉直拔出，相应的拔出力提高部分可相应进行计算。但值得注意的是，在致密度非常高的极低水胶比混凝土体系中，在基体剥落以及路径破坏等过程中，也会进一步产生更高的桥接应力。此外，二维织物与三维织物纤维拔出行为的模拟可以借鉴端钩纤维的处理，将经纱或纬纱看成铰链锚固点，相似的计算模型也被学者相继提出，三类纤维典型的拔出荷载-位移曲线可见图4。