混凝土纖維增韌原理及計算模型

席居宇，陳翠翠

（1.重慶大學(xué)，重慶 400044；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

我國是世界上混凝土用量最大的國家，隨著現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)向超高、超大以及超長跨度的發(fā)展，對水泥基材料的韌性要求也越來越高。采用纖維提高混凝土韌性是當(dāng)下最有效的方法之一。

纖維混凝土作為一種復(fù)合材料，其性能受到組成結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，而作為傳遞纖維與基體間應(yīng)力的主要因素，纖維-基體界面粘結(jié)性能的研究是理解和量化纖維混凝土增韌阻裂行為的基礎(chǔ)，也是決定纖維混凝土宏觀拉伸行為的關(guān)鍵?；诖?，從纖維-混凝土基體界面作用機(jī)制入手，介紹纖維增強(qiáng)原理和已有計算模型，以期推動纖維混凝土配合比設(shè)計以及工程應(yīng)用。

1 界面作用力

纖維-基體界面粘結(jié)作用力主要包括四個方面：脫粘前的物理化學(xué)膠結(jié)力（彈性剪切力）、脫粘后的摩擦剪切力、法向應(yīng)力以及多維纖維額外產(chǎn)生的機(jī)械錨固力。

圖1展示了主要界面作用力，其作用機(jī)制分為三個階段。

圖1 纖維-基體界面粘結(jié)作用力示意

（1）彈性階段：當(dāng)施加的力在界面形成的剪切應(yīng)力τ≤最大物理化學(xué)膠結(jié)力τa,max時，纖維-基體界面處于完全彈性階段。在基于一定的假設(shè)條件下，Cox提出了第一個計算該階段界面剪切應(yīng)力的有效模型（剪滯模型），由于該模型并沒有考慮較大剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象，并不適用于模擬彈性剪切應(yīng)力和摩擦剪切應(yīng)力耦合作用的情況。

（2）彈性粘結(jié)-脫粘滑移階段：當(dāng)施加的力在界面形成的剪切應(yīng)力τ≥最大物理化學(xué)膠結(jié)力τa,max時，纖維-基體界面處于彈性-脫粘階段。在改進(jìn)模型基礎(chǔ)上，Lawrence提出了計算該階段界面剪切應(yīng)力的有效模型。需要注意的是，該模型并沒有考慮摩擦隨著滑移的進(jìn)行而下降的事實。因此，眾多研究學(xué)者進(jìn)行了修正研究，也提出了一系列修正模型，如圖2所示。經(jīng)試驗驗證，曲線模型與實際情況更為相符。這種隨著滑移出現(xiàn)摩擦應(yīng)力下降趨勢的原因，對于鋼纖維主要是表面摩擦破壞累積造成打滑的緣故，對于模量較小的合成纖維，也有可能由于變形大而產(chǎn)生緊縮，導(dǎo)致摩擦應(yīng)力下降。當(dāng)彈性剪切應(yīng)力足夠大到使纖維斷裂時，就不會產(chǎn)生脫粘滑移現(xiàn)象，此時纖維埋入的臨界值，約為臨界脫粘長度的5～10倍。

圖2 纖維-界面界面剪切應(yīng)力分析模型

（3）脫粘滑移階段：當(dāng)纖維-基體界面處于完全脫粘階段，界面只受摩擦剪切應(yīng)力，同時在界面表面還會形成一個法向應(yīng)力，主要是由于在力的作用下纖維和孔道產(chǎn)生了位移偏差，且會因孔道塌陷，導(dǎo)致該值隨著滑移的進(jìn)行而縮小。任何造成孔道收縮的因素（體積變化，外在應(yīng)力、泊松比、塑性變形）都會提供側(cè)向約束力，而提高纖維的法向應(yīng)力。研究表明，法向應(yīng)力可達(dá)19.2～32.6 MPa，該力可以讓界面處的基體產(chǎn)生裂縫，甚至撕裂纖維本體。通過法向應(yīng)力，計算脫粘階段的動摩擦系數(shù)μ，其值約為0.05～0.25（鋼纖維）和0.45～0.75（有機(jī)纖維）。

2 纖維拔出行為

纖維拉拔試驗單絲（單束）被廣泛用于研究纖維-基體界面的粘結(jié)特性，且通常采用拔出-拔出試驗。經(jīng)對比分析，圖3所示的試驗方法最為合適，它不僅能真實反映實際受力狀態(tài)，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，方法操作簡便。但仍需注意的是，通過纖維拉拔試驗獲取界面作用力特征值的誤差往往會比較大，同一試驗就可高達(dá)30%。造成這個現(xiàn)象的主要原因有：①需要人工確定纖維拔出曲線特征關(guān)鍵值的位置；②纖維-基體界面區(qū)的多孔疏松特征。當(dāng)采用剪滯理論去計算界面作用力特征值時，后者的影響更為顯著，且難以準(zhǔn)確表征該區(qū)域的剪切模型，而試驗中往往用附近基體的性能進(jìn)行經(jīng)驗評估。此外，根據(jù)彈性剪切應(yīng)力和摩擦剪切應(yīng)力之間相對大小，纖維的拔出行為可分為三類。而實際由于界面的多孔特性，往往發(fā)生的是第二類情況，即0<τf<τe。

圖3 纖維拉拔試驗示意

微觀結(jié)構(gòu)表明，纖維-基體界面存在的多孔疏松區(qū)域富含CH，且類似于骨料周邊的界面過渡區(qū)，其厚度可達(dá)10～40μm，甚至高達(dá)40～70μm，即使在超高強(qiáng)砂漿體系中，其厚度也可能有40～50μm。同時該多孔疏松區(qū)的強(qiáng)度比基體強(qiáng)度要低30%～50%。

基于試驗研究，相關(guān)的纖維拔出行為分析模型也相繼提出，表1展示了平直纖維拉拔行為的分析模型。試驗驗證端鉤纖維在拉拔過程中，端鉤通過孔道時會產(chǎn)生塑性變形，并不會產(chǎn)生孔道破壞或基體壓潰現(xiàn)象，可將端鉤轉(zhuǎn)角處假設(shè)為等效滑輪鉸鏈，僅通過冷變形進(jìn)而提高纖維拔出力，隨著兩個端鉤依次拉直拔出，相應(yīng)的拔出力提高部分可相應(yīng)進(jìn)行計算。但值得注意的是，在致密度非常高的極低水膠比混凝土體系中，在基體剝落以及路徑破壞等過程中，也會進(jìn)一步產(chǎn)生更高的橋接應(yīng)力。此外，二維織物與三維織物纖維拔出行為的模擬可以借鑒端鉤纖維的處理，將經(jīng)紗或緯紗看成鉸鏈錨固點，相似的計算模型也被學(xué)者相繼提出，三類纖維典型的拔出荷載-位移曲線可見圖4。

表1 纖維拉拔行為的分析模型

圖4 典型纖維拔出荷載位移曲線

3 結(jié)論

（1）纖維增韌是混凝土韌性提升的有效途徑，受纖維-基體界面作用力和纖維拔出行為控制。

（2）提升基體密實度和優(yōu)選纖維種類，能夠提高纖維-基體界面力，強(qiáng)化纖維拔出耗能，抑制裂縫擴(kuò)展，提高混凝土韌性。