鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力傳遞與增強(qiáng)機(jī)理研究

張偉

南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇南京211167

鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力傳遞與增強(qiáng)機(jī)理研究

張偉

南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇南京211167

本文從理論和試驗(yàn)兩個(gè)角度分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力傳遞與增強(qiáng)機(jī)理。研究結(jié)果表明：直線形和彎鉤形鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在埋入端位置，并沿著鋼纖維的埋入方向降低，在截面中部位置趨于零；當(dāng)鋼纖維的長徑比為定值時(shí)，隨著鋼纖維含量的增加，聚合物混凝土的力學(xué)性能均較大增強(qiáng)；在相同的鋼纖維的摻量時(shí)，聚合物混凝土的力學(xué)強(qiáng)度與長徑比成正比；纖維長度和直徑對界面應(yīng)力影響較小，但會改變鋼纖維應(yīng)力的位置，本文的結(jié)果能為鋼纖維聚合物混凝土的配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

鋼纖維;混凝土;界面應(yīng)力;增強(qiáng)機(jī)理

混凝土在土木工程中得到廣泛應(yīng)用，其抗壓性強(qiáng)，但抗拉性和抗裂性都較差，隨著建筑工程的不斷發(fā)展，混凝土的抗壓強(qiáng)度也得到較大提高，其缺點(diǎn)也變的更加突出。為此，在混凝土中增加纖維材料形成復(fù)合材料的思想出現(xiàn)，摻入纖維之后的混凝土，從微觀角度提高了混凝土抗拉強(qiáng)度和極限延伸率，纖維混凝土是一種具有代表性的復(fù)合材料，其界面（纖維與基材之間的區(qū)域）主要進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，界面粘結(jié)強(qiáng)度的情況直接影響符合混凝土的整理強(qiáng)度。界面應(yīng)力傳遞理論的研究主要包括界面應(yīng)力傳遞理論以及基于界面層的界面應(yīng)力傳遞理論[1]，Yue等[2]采用剪滯模型研究纖維聚合物混凝土的剪應(yīng)力分布，詳細(xì)分析最大脫粘抽出力受界面力和界面摩擦力，并將理論模型和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者的結(jié)果較為吻合；Kim等[3]研究被圓柱形基體包圍的纖維的剪滯模型，計(jì)算了不粘部分和脫粘部分直接的軸向應(yīng)力，得到粘合和部分脫粘界面下纖維剪應(yīng)力計(jì)算公式；增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料所得的試驗(yàn)結(jié)果一致。Starink等[4]研究單根圓柱纖維，推導(dǎo)復(fù)合聚合物材料的應(yīng)力狀態(tài)，建立新剪滯模型，并得出預(yù)報(bào)聚合物材料楊氏模量的新公式，通過研究發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)值較好的吻合不同長徑比纖維增強(qiáng)金屬材料；Broutman等[5]采用有限元法計(jì)算界面層玻璃纖維聚合物界面應(yīng)力分布；崔維成[6]和楊慶生[7]采用界面單元技術(shù)分析界面層的破壞過程，界面區(qū)域由于較薄，他們將界面元模擬為—個(gè)界面層，假設(shè)界面的剪切屈服處在理想彈塑性階段，采用屈服應(yīng)力對界面的常摩擦力進(jìn)行模擬；田穩(wěn)苓等[8]和曾濱[9]采用剪應(yīng)力理論推導(dǎo)了彎鉤形纖維的拔出載荷。

研究發(fā)現(xiàn)，基于鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力的研究大部分只是分析應(yīng)力，無法精確的分析實(shí)際的符合材料，本文在前人的研究基礎(chǔ)上采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，結(jié)合單纖維拉拔試驗(yàn)方法，分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力傳遞原理，研究鋼纖維的體積率、長徑比以及纖維的排列情況對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用。

1 界面應(yīng)力傳遞機(jī)理

采用數(shù)字光彈性實(shí)驗(yàn)分析鋼纖維界面的殘余應(yīng)力，總結(jié)鋼纖維在混凝土中的應(yīng)力傳遞機(jī)理，為研究增強(qiáng)機(jī)理提供參考。

1.1 直線形鋼纖維

圖1 直線形綱纖維聚合物混凝土光彈模型的等差線圖案和等色線級數(shù)3D分布（加載前）Fig.1 3D distribution series straight steel fiber polymer concrete photoelastic model of the isochromatic pattern and color line(load)

由圖1（a）可以看出在鋼纖維附近出現(xiàn)明顯的條紋，離著原理鋼纖維的距離的增加條紋的數(shù)量逐漸表少，表明應(yīng)力逐漸表小，數(shù)字光彈法計(jì)得到的應(yīng)力等色線級數(shù)3D分布可以看出遠(yuǎn)離鋼纖維區(qū)域的級數(shù)逐漸表小并趨向于零，鋼纖維端的條紋級數(shù)最高，表現(xiàn)為紅色。

1.2 端鉤形鋼纖維

圖2 彎鉤形綱纖維聚合物混凝土光彈模型的等差線圖案和等色線級數(shù)3D分布（加載前）Fig.23D distribution series of hook shaped steel fiber polymer concrete photoelastic model of the isochromatic pattern and color line(load)

由圖2（a）可以看出在鋼纖維以及彎鉤附近出現(xiàn)明顯的條紋，離著原理鋼纖維的距離的增加條紋的數(shù)量逐漸表少，反應(yīng)鋼纖維附近的應(yīng)力較為集中，數(shù)字光彈法計(jì)得到的應(yīng)力等色線級數(shù)3D分布可以看出鋼纖維端的條紋級數(shù)最高，表現(xiàn)為紅色，鋼纖維附近的應(yīng)力變化較為突出，說明該位置的應(yīng)力傳遞較快，傳遞的范圍較小。鉤形纖維在拔出時(shí)候消耗能量較大，纖維的抗拔能力較強(qiáng)，鋼纖維在形狀改變的位置較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，讓該位置的混凝土出現(xiàn)脫粘、開裂，鋼纖維彎折形狀和角度的不同，應(yīng)力集中程度也會發(fā)生變化。

2 鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

為研究鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，本文從理論角度分析聚合物混凝土的力學(xué)模型，通過設(shè)計(jì)一定配合比的混凝土，加入不同體積率、長徑比鋼纖維以及在混凝土的排列情況，分析對混凝土的性能的影響。

2.1 長徑比不同鋼纖維對混凝土的增強(qiáng)作用

根據(jù)上述分析可知，長徑比是影響鋼纖維混凝土的重要因素之一，本文將對三維亂向分布的鋼纖維混凝土進(jìn)行力學(xué)分析。

圖3 實(shí)驗(yàn)所用端鉤形鋼纖維示意圖Fig.3 Schematic diagram of the end hook shaped steel fiber used in the experiment

表1 不同含量的鋼纖維的增強(qiáng)效果Table 1 Reinforcing effect of different content of steel fiber

當(dāng)鋼纖維的長徑比為定值時(shí)，采用抗拔實(shí)驗(yàn)得到的聚合物混凝土的力學(xué)性能如表1，隨著鋼纖維含量的增加，聚合物混凝土的力學(xué)性能都得較大的提高，這主要是由混凝土中鋼纖維讓混凝土的整體性增強(qiáng)，載荷分布更加均勻，減小了薄弱的截面上裂紋的出現(xiàn)，三維亂向分布的鋼纖維本身增強(qiáng)了混凝土的斷裂應(yīng)變。在進(jìn)行加載荷前期，鋼纖維聚合物混凝土共同承受荷載，能承受的荷載較大，隨著荷載的不斷增大到極限載荷，橫貫于裂紋中的界面粘結(jié)力繼續(xù)傳遞應(yīng)力，使應(yīng)力達(dá)到重新分布，混凝土能夠繼續(xù)承受荷載，載荷增加到破壞荷載的時(shí)候，鋼纖維與混凝土的界面破壞，鋼纖維被出或者拉斷，吸收了較大的能量。

本實(shí)驗(yàn)還對鋼纖維的含量一定時(shí)，研究不同長徑比的鋼纖維配制聚合物混凝土的力學(xué)性能。

表2 不同長徑比鋼纖維煩人增強(qiáng)效果Table 2 Effect on different length diameter ratio of steel fiber reinforced

由表2可得，在相同的鋼纖維的摻量時(shí)，聚合物混凝土的力學(xué)強(qiáng)度與長徑比成正比。鋼纖維長徑比相差不大，混凝土的力學(xué)強(qiáng)度較為接近，長徑比增加到88時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度增加較為顯著，當(dāng)增加在100時(shí)，鋼纖維對混凝土的的增強(qiáng)效果下降，造成這種現(xiàn)象的原因是纖維的長度過長，施工中較為困難，達(dá)不到的理想的效果，在實(shí)際工程中，盡量控制鋼纖維長徑比在40～80之間。

3 鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力有限元分析

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文通過MARC有限元軟件分析直線形和端鉤形鋼纖維界面殘余剪應(yīng)力分布情況，在進(jìn)行有限元建模時(shí)候，假定鋼纖維與混凝土的粘結(jié)完好，荷載作用在鋼纖維上，方向與鋼纖維軸向重合?；w彈性模量為1 GPa，泊松比為0.4，鋼纖維的彈性模量210 GPa，泊松比0.3。模擬實(shí)驗(yàn)過程，直線形鋼纖維的荷載為0～35 N，鉤形纖維荷載為0～40 N。

圖4 有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division finite element calculation model

3.1 直線形鋼纖維界面應(yīng)力分析

圖5 不同鋼纖維埋入長度和不同纖維直徑的界面應(yīng)力分布Fig.5 The interfacial stress distribution of different steel fiber embedded length and fiber diameter

圖5（a）中鋼纖維的直徑為1 mm并保持不變，當(dāng)鋼纖維埋入聚合物混凝土的長度改變后，有限元模擬的界面應(yīng)力具有相似的分布規(guī)律，界面應(yīng)力極值在鋼纖維埋入端和埋入末端，界面應(yīng)力最大值沒有隨著鋼纖維埋入長度的增加而發(fā)生很大的變化，但最大值的位置向鋼纖維中部移動(dòng)。這表明鋼纖維在保持直徑不變的時(shí)候，纖維長度的改變對界面應(yīng)力的影響不大。

圖5（b）鋼纖維埋入長度為17 mm并保持不變，改變鋼纖維的直徑，界面應(yīng)力有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼纖維直徑的增加，界面應(yīng)力極值在鋼纖維埋入端，界面應(yīng)力最大值沒有隨著直徑的改變而改變。

3.2 彎鉤形鋼纖維界面應(yīng)力分析

圖6不同鋼纖維埋入長度和不同纖維直徑的界面應(yīng)力分布Fig.6 The interfacial stress distribution of different steel fiber embedded length and fiber diameter

圖6（a）中鋼纖維的直徑為1 mm并保持不變，當(dāng)彎鉤形鋼纖維埋入聚合物混凝土的長度改變后，有限元模擬的界面應(yīng)力具有相似的分布規(guī)律，應(yīng)力極值出現(xiàn)在鋼纖維埋入端和埋入末端彎折處，鋼纖維埋入長度的增加，界面應(yīng)力最大值變化較小，表明鋼纖維直徑不變，纖維長度的改變對界面應(yīng)力影響不大。圖6（b）中彎鉤形鋼纖維埋入長度為24 mm并保持不變，改變鋼纖維的直徑，界面應(yīng)力最大值沒有隨著直徑的改變而改變。表明鋼纖維埋入長度不變，鋼纖維直徑對界面應(yīng)力影響不大。

4 結(jié)論

本文較為深入的從理論和試驗(yàn)兩個(gè)角度分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力傳遞與增強(qiáng)機(jī)理，結(jié)合單纖維拉拔試驗(yàn)方法，研究鋼纖維的體積率、長徑比以及纖維的排列情況對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用。根據(jù)得到的試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)的理論研究成果，得出了以下主要的結(jié)論。

（1）在直線形鋼纖維聚合物混凝土，界面應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在埋入端位置，并沿著鋼纖維的埋入方向下降，在截面中部位置趨于零；鉤形纖維在形狀改變的位置較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，端鉤形鋼纖維混凝土截面應(yīng)力在距離埋入端約1～2倍纖維直徑的位置達(dá)到極值，在中間位置接近零。

（2）當(dāng)鋼纖維的長徑比為定值時(shí)，隨著鋼纖維含量的增加，聚合物混凝土的力學(xué)性能都得較大的提高；在相同的鋼纖維的摻量時(shí)，聚合物混凝土的力學(xué)強(qiáng)度與長徑比成正比，在實(shí)際工程中，盡量控制鋼纖維長徑比在40～80之間。

（3）采用有限元計(jì)算程序，研究纖維長度和直徑對界面應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，纖維長度和直徑對界面應(yīng)力影響較小，但會改變鋼纖維應(yīng)力其中的位置，由于聚合物混凝土的特殊性，研究鋼纖維聚合物混凝土具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文的結(jié)果能為鋼纖維聚合物混凝土的配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

[1]王恒武.玻璃纖維/聚合物基復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),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

[3]Kyo KJ,Hou LM,Mai YW.Stress transfer in the fiber fragmentation testⅠ,An improved analysis based on a shear strength criterion[J].Journal of Materials Science,1993,28:6233-6245

[4]Starink MJ,Syngellakis S.Shear lag models for discontinuous composites:fiber end stresses and weak interface layers[J].Materials Science and Engineering,1999,A270:270-277

[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]崔維成.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞過程的計(jì)算機(jī)模擬[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),1996,13(4):102-111

[7]楊慶生.復(fù)合材料的界面破壞力學(xué)[C].南京:第八屆全國復(fù)合材科學(xué)術(shù)會議文集,1994

[8]田穩(wěn)苓.異型鋼纖維粘結(jié)機(jī)理研究[C].濟(jì)南:第八屆全國纖維混凝土?xí)h論文集,2000

[9]曾濱,金芷生.鋼纖維混凝土纖維增強(qiáng)作用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),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

南京工程學(xué)院校級科研基金項(xiàng)目:綠色高耐久性混凝土塑性收縮與開裂性能研究（QKJB201306）

張偉(1982-),男,江蘇省泰州市人,碩士,實(shí)驗(yàn)師.主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性.E-mail:zhangweijt2000@163.com