（固体力学专业论文）钢纤维混凝土抗裂性能及龄期影响.pdf

摘要 钢纤维混凝土是近年来受到广泛应用和关注的一种工程材料，对其性能的 测试和钢纤维作用机理的研究还不能满足目前实际应用的需要。基于断裂力学 理论和单轴拉伸破坏原理，文主要进行了以下几方面的研究工作：( 1 ) 通过 钢纤维混凝土和素混凝土两种材料在2 8 天龄期的对比试验，根据实验数据计 算两种材料的应力强度因子和断裂能，并综合运用现有的纤维增强增韧理论和 模型分析钢纤维的作用效果；( 2 ) 通过钢纤维混凝土早龄期阶段的实验以及应 力强度因子和断裂能的计算，探索早龄期阶段的材料抗裂性能发展规律：( 3 ) 采用应变片电测实验方法研究混凝土的断裂过程。 通过试验和分析，发现在混凝土基体中加入钢纤维，可以显著提高材料的 韧性，但是并不能明显地提高材料的强度；钢纤维混凝土的承载能力和韧性， 在前期增长很快，中后期增长速度不断减慢；素混凝土材料开裂比较突然，断 裂过程区范围较小：不同长度的钢纤维混杂使用，可以有效的提高钢纤维混凝 土材料的韧性作用效果。 关键词：钢纤维混凝土，龄期效应，抗裂性能，单轴拉仲 a b s t r a c t t h es t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei sak i n do fe n g i n e e r i n gc o m p o s i t ew h i c h i su n d e r s t o o dw i d e l yn o w a d a y s t h er e s e a r c h e so ni t sp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i s m o fs t e e l f i b e ri nc o n c r e t ep r o p e ra r ef a rf r o ms a r i s f y i n gt h ep r a c t i c a ln e e d b a s e d o nt h et h e o r yo ff r a c t u r em e c h a n i c sa n d 吨ef a i l u r ep r i n c i p l eo fu n i a x i a lt e n s i o n ， t h em a i n v o l u m eo ft h i sp a p e ri sf o l l o v i n g ( 1 ) e x p e r i m e n t so fs t e e l f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dp l a i nc o n c r e t ea r ec o n t r a s t e di nt h ea f t e r 一2 8 一d a ys t a g e t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o ra n dt h ef r a c t u r ee n e r g yo ft h em a t e r i a l sa r ec a l c u l a t e d f r o mt h ed a t a t h ee f f e c to fs t e e lf i b e rj nc o n c r e t ei sa n a l y z e dt h r o u g ht h et h e o r y o fs t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n g ；( 2 ) t h ef r a c t u r eb e h a v i o ra te a r l ys t a g e i s g e n e r a l i z e dt h r o u g ht e s t so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dc a l c u l a t i o no ft h e s t r e s si n t e n s i t yf a c t o ra n dt h ef r a c t u r ee n e r g y ；( 3 ) t h ee l e c t r i c a lm e a s u r i n gm e t h o d i s a p p l i e dt oi n v e s t i g a t ef r a c t u r ep r o c e s s s o m ep h e n o m e n aa r ea sf o l l o w s ：t h e t o u g h n e s so ft h em a t e r i a li si m p r o v e dr e m a r k a b l yw h e nt h ec o n c r e t ei sc o m p o s e d w i t hs t e e l f i b e rb u t t h es t r e n g t hi sn o t ；t h el o a d i n ga b i l i t ya n dt o u g h n e s so ft h e s t e e l f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei n c r e a s ef a s ta te a r l ys t a g ew h i l et h ei n c r e a s i n gr a t e s l o w sd o w na tl a t e rs t a g e ；t h ec r a c kp r o c e s s i n gz o n eo fp l a i nc o n c r e t ei ss m a l l ，t h e m a t e r i a lt e n d i n gt oc r a c ki n s t a n t l y ；t h et o u g h n e s so ft h em a t e r i a li sr e m a r k a b l y i m p r o v e dw h e ns t e e l f i b e ro fd i f f e r e n tl e n g t h sa r em i x e d k e yw o r d s ：s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n e r e t e ，i n f l u e n c eo fa g i n g ，f r a c t u r ep r o p e r t i e s u n i a x i a it e n s j o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蕴蓐挤 时问：加s 年参月罗日 关于论文使用授权的说明 本入完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 硎桥 矽坳 m i i a i ：a 艿年多月3 日 时间：。许6 月f7 日 1 1 钢纤维混凝土概况 第一章绪论 钢纤维混凝土出现于2 0 世纪初，是在混凝土基体中掺入适量的钢纤维和 添加剂而成的一种复合材料f 1 1 。19 1 0 年h f p o r t e r 发表了有关以钢纤维增强 混凝土的研究报告，1 9 1 1 年，g r e h a m 把钢纤维掺入普通混凝土中，得到了 可以提高混凝土强度和稳定性的结果。英、法、德等国在4 0 年代相继开展了 钢纤维混凝土实用性的研究，但都没能达到实用化的程度 2 , 3 1 。 1 9 6 3 年j p r o m u a l d i 和g b b a t s o n 发表了一系列关于钢纤维混凝土约 束混凝土裂缝开展机理的文章，提出了建立在线弹性断裂力学基础上的纤维间 距理论。该理论认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、孔隙和缺陷，在施加外 力时，这些部位产生较大的应力集中，引起裂缝的扩展，最终导致结构破坏， 在加入钢纤维后的结构受力破坏过程中，纤维可以有效的抑制裂缝的发展，因 此提高了复合村料的抗裂能力，达到增强与增韧目的。这一理论在当时引起了 广泛的重视，从而促进了钢纤维混凝土的发展。此后的2 0 年问，钢纤维混凝 十的研究和应用进入了高速发展阶段1 4 jj 。 我国研究钢纤维混凝土始于7 0 年代，近年来发展迅速应用领域不断拓 宽。在桥梁，公路路面，铁路以及内河航道等工程中的典型应用实例有：北京 安慧立交桥和马草河桥等三座桥梁，为解决水泥混凝士桥面开裂破坏问题，采 用了钢纤维混凝土桥面；青藏公路某段，全长约2 0 0 多k m ，穿越青藏高原的 多年冻土带地区，为适应寒冷的气温，选用钢纤维混凝土在多年冻土地区铺筑 路面。由铁道部科学研究院等单位研制的s f j 一2 型预应力钢纤维混凝土轨枕， 经过十余年的研究试验，试铺在北京、上海、郑州、柳州等铁路局的小半径曲 线和钢轨接头两侧，成功的取代了木枕。采用喷射钢纤维混凝土代替钢筋混凝 土衬砌或钢筋网喷射混凝土衬砌，具有截面减小、强度高、韧性好、施工简便 等优点，已经广泛应用于隧道于矿山巷道衬砌和桥梁加固 2 , 4 , 5 1 。 近年来，研究人员通过添加辅助材料，改进生产工艺，不断提升钢纤维混 凝土材料的性能，发展出新型钢纤维混凝土材料。其中的钢纤维高强混凝土， 砂浆渗浇高含量钢纤维增强混凝土，钢纤维钢丝网水泥复合结构，钢纤维钢筋 混凝土结构，纤维增强预应力混凝土结构和聚合物浸渍钢纤维混凝土等，被公 认为是钢纤维混凝土未来发展的方向 j j 。 混凝土强度的平均水平是反映一个国家土建技术水平的重要标志。世界各 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 国都十分重视高强混凝土的研究开发，并已取得重大进展。在试验室中混凝土 抗压强度己超过15 0m p a 。当混凝土强度超过1 0 0m p a 后，混凝土材料变得非 常脆，在轴向压力作用下极易发生突然性爆裂破坏，几乎不存在应变软化性能。 因此，必须采用掺入钢纤维以改善材料的延性，韧性和抗冲击，抗震能力，才 有利于高强混凝土结构在工程实践中的应用和发展。近年来，湖南大学在广东 省公路部门的支持下，进行了中等纤维含量钢纤维混凝土的试验研究，在高温 养护( 2 0 0 度烘箱中烘烤) 条件下研制成功了2 0 0m p a 以上的超高强钢纤维混 凝土 “。 为了克服钢纤维含量受施工工艺的限制，8 0 年代以来国际上积极开展了 砂浆渗浇钢纤维混凝土( s i f c o n ，s l u r r yi n f i l t r a t e df i b e rc o n c r e t e ) 新工艺的研 究和开发，其特点是先将钢纤维乱向填满于模具中，再浇注水泥净浆或砂浆( 灰 砂比一般为1 ：i 1 ：1 5 ) 所用钢纤维的长径比可达1 0 0 一1 2 0 。与普通钢纤维混 凝土相比，其纤维体积含量由2 以下增至4 2 0 ，甚至高达2 7 。s i f c o n 的强度和韧性可成倍提高，特别是在承受重复荷载和抗震抗爆结构中其优越性 更为显著【2 】。与之类似，美国学者h a c k m a n 等研究开发了一种砂浆渗浇钢纤 维网混凝土( s i m c o n ，s l u r r yi n f i l t r a t e dm a tc o n c r e t e ) 。与s i f c o n 不同的是， 预置于模具中的是钢纤维网而不是乱向分布的钢纤维。试验表明，s i m c o n 的 增强率和增韧率可分别为s i f c o n 的2 9 4 1 倍和2 5 6 3 倍，并且可以显著降 低成本f2 1 。 1 2 纤维混凝土理论的研究现状 在纤维混凝土技术发展和实用化过程中，分析纤维混凝土基本性能的影响 因素是十分重要的。目前，国内外学者通过实验研究与分析，对不同种类纤维 在不同受力条件下的适宜用量【6 ，混凝土的合理配合比范围，不同种类纤维对 基体材料的增强增韧效果 s l 以及断裂参数的尺寸效应【9 ，1 0 】等方面进行了深入研 究，积累了丰富的成果。一致认为在混凝土材料中添加钢纤维后，复合材料变 形能力的提高幅度远远大于强度的增长幅度”7 “。 纤维混凝土材料理论模型的研究始于2 0 世纪6 0 年代中期，r o m u a l d i 将 断裂力学引入纤维混凝土材料的研究中，提出纤维间距理论i 2 j j 。7 0 年代中期， s w a m y ，m a n g a t h 和n a a m a n 利用复合材料理论分析研究纤维的增强作用，建 立了复合力学理论( 混合率法则) 2 , 3 1 。其后，随着纤维复合材料的不断发展， 国内外学者应用不同的基础理论又提出了一系列理论模型，主要有多缝开裂模 型，连续损伤模型，微观力学模型，应变释放模型和界面力学模型等1 3 1 。但是 这些理论模型都只针对某一品种纤维材料，或者针对某一种受力情况，应用范 i 【糸理工大学硕士学位论文第一章绪论 围有限。另外在建立理论模型时，对实际情况进行了一定的假设和简化，也限 制了这些理论的使用范围。 断裂力学中的应力强度因子准则，认为当试件的应力强度因子达到临界值 时，裂缝发生失稳扩展。由于纤维的桥联力降低了裂缝处的应力集中，减小了 纤维混凝土试件的应力强度因子，因此延缓了裂缝的失稳扩展，增强了材料的 变形能力 。基于非线性断裂力学理论的虚拟裂缝模型把纤维混凝土材料的 微裂纹前端划分为应力自由区，纤维桥联区，基体微裂纹区和无损伤区四部分， 裂缝的扩展张开会拔出或拉断这一区域的纤维，消耗大量的能量，达到纤维的 增韧目的 2 ，3 ，1 ”。 纤维混凝土是多相复合材料，其力学性能和损伤规律不仅取决于各组分的 材料性能，更取决于各组分之间的界面作用。当今的研究，已经深入到界面细 观结构和由此而产生的界面效应、钢纤维混凝土微观结构与宏观行为的关系。 对于纤维和基体之间的界面作用，在早期的界面剪滞模型的计算过程中，弹性 场的分布被简化为沿轴向的一维问题或解耦为沿轴向的一维与垂直于轴向的 平面问题来处理。这样就忽略了部分应力及应变，造成了在部分边界条件处变 形或平衡方程不能严格满足，为此提出了改进的剪切滞后模型【1 1 , t 2 1 。纤维在基 体中的作用模型分析，l e u n g 和l i ，l e u n g 和c h i 提出了简化斜向纤维为悬臂 粱的有限元模型m 1 。通过大量的实验与分析，研究人员总结出了两种典型的 纤维拔出全过程模型，应变软化模型和应变强化模型【3 ，1 4 , 1 ”。文献 】6 通过数 值方法得到了垂直裂缝端部的短纤维对裂纹应力强度因子的影响。 b a t s o n 进行三点弯曲梁疲劳试验，得到了应力水平对疲劳寿命的影响。 n a a m a n 通过研究认为，纤维混凝土在循环荷载下的韧度是所施加荷载的函数， 在单调荷载的作用下韧度最低，循环荷载的作用下，纤维混凝土能吸收更多的 能量，因此钢纤维混凝土适合在承受动荷载的情况下工作m 】。z h a n gj u n 和 s t a n gh e n r i k 认为铜纤维混凝土在常幅疲劳荷载的作用下，其破坏时的挠度可 以用静载下的荷载挠度曲线预测口”。国内学者通过实验对比，发现全截面使 用钢纤维混凝土材料的结构和只在部分截面使用这种材料的结构，二者之间的 疲劳性能相同7 j 。 综合国内外的研究资料，目前的研究主要集中在以下几个方面： 1 、以纤维一基体界面性能为研究对象，分析外力作用下界面破坏过程的力 学模型。 2 、纤维对基体材料的增强、增韧效果，重点是纤维的桥联作用。 3 、通过单轴受力实验，从宏观角度纤总结维混凝土材料在拉伸条件下的 应力一应变关系。 4 、纤维混凝土材料在循环荷载作用下的应力一应变关系以及纤维的作用机 理。 1 3 本课题的研究意义和任务 作为一种水泥基材料，钢纤维混凝土在硬结过程中，材料的力学性能是不 断变化的 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 。控制钢纤维混凝土早龄期的性能发展，可以保证混凝土结 构的质量及耐久性，早龄期阶段的材料性能对钢纤维混凝土结构的施工质量， 以及结构的修补质量都有很大的影响。另外研究材料性能的发展变化过程，也 有助于我们研究这种材料的断裂损伤行为，所以有必要研究钢纤维混凝土材料 龄期对材料性能和构件断裂性能的影响。随着断裂力学的发展，钢纤维混凝土 性能的研究重点已经转向材料的断裂性能。因此本文以钢纤维混凝土断裂性能 试验为手段，引入断裂力学的概念，通过分析断裂韧性参数来衡量钢纤维的增 强增韧效果，以及探寻钢纤维混凝土早龄期的材料性能特征。 基于以上的目的要求，本课题的研究内容主要分为以下几个方面： 1 、在相同条件下，进行钢纤维混凝土和混凝土两种材料的单轴拉伸、预 制裂缝三点粱和楔入劈裂试验。 2 、 以试验数据和根据实验数据计算得到的断裂参数为依据，分析钢纤维 混凝土的特性和钢纤维的增强增韧作用。 3 、进行2 8 天以内龄期的钢纤维混凝土试验和7 天以内龄期以及接近2 8 天龄期的普通混凝土试验，试验方案包括单轴拉伸、预制裂缝三点弯曲和楔入 劈裂三种。 4 、分析试验数据和计算结果，研究钢纤维混凝土在不同受力状态下承载 能力和断裂参数的变化规律。 5 、应用电阻应变片测量技术，通过试验研究混凝土材料的断裂发展过程。 第二章钢纤维涅凝土力学模型 2 1 钢纤维混凝土的性能特点 混凝土基体中乱向分布的钢纤维可以延迟裂缝的出现，限制裂缝的扩展， 从而使脆- 陛的混凝土材料表现出良好的抗裂性能。并且，钢纤维的添加不影响 基体材料的结硬过程，因此钢纤维混凝土在保留了抗压强度高，耐久性，耐火 性和可模性好等优点的基础上，又具备了良好的塑性变形能力1 2 引。 与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的各项强度指标均有不同程度的提高， 它在弹性阶段的变形1 生能与其条件相同的普通混凝土没有显著差别，但是在受 压和受弯作用下的变形能力和抗冲击韧性都有较大幅度提高，在正常的纤维掺 入量下，受压条件下变形能力提高2 7 倍，受弯作啊_ 卜的变彤能力提高几十 倍，弯曲冲击韧性可提高2 4 倍，板式试件落球法击碎试验所测得的冲击韧 性提高几倍到几十倍。抗弯疲劳性能和抗压疲劳性能也有很大改善，在各种物 理因素作用下的耐久性有不同程度的提高，其中耐冻融性、耐热性和抗气蚀性 提高最显著。在空气、污水和海水中部呈现良好的耐腐蚀性。其材料的抗渗性 能与普通混凝土相比没有明显的变化。 2 2 纤维增强模型 2 2 ，l 复合力学模型 复合力学模型将钢纤维混凝土视为多相材料，其中以纤维作为增强相，而 把混凝土基体视为基础相，这两相材料性能的总和即为钢纤维混凝土的材料性 能【2 ，”。该模型的基本假定是： 1 、纤维连续平行排列，并与受力方向一致， 2 、纤维与基体粘结完好，两者之间无相对滑动， 3 、纤维与基体均为弹性，横向变形相同。 根据基本假定可知，当载荷方向与纤维方向致时，复合材料的虑力表示 为： 盯= 盯r + o - 。 ( 2 1 ) 式中，r ，分别是基体和纤维的体分比盯，叮，盯，分别表示纤维混凝 土，纤维和混凝土基体的应力。 钢纤维在混凝土幕体中的分布具有乱向性和不连续性，在分析钢纤维混 钢纤维在泥凝土基体中的分布具有乱向性和不连续性，在分析钢纤维混 第二章钢纤维混凝土力学模型 2 1 钢纤维混凝土的性能特点 混凝土基体中乱向分布的钢纤维可以延迟裂缝的出现，限制裂缝的扩展， 从而使脆性的混凝土材料表现出良好的抗裂性能。并且，钢纤维的添加不影响 基体材料的结硬过程，因此钢纤维混凝土在保留了抗压强度高，耐久性，耐火 性和可模性好等优点的基础上，又具备了良好的塑性变形能力郾4 】。 与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的各项强度指标均有不同程度的提高， 它在弹性阶段的变形性能与其条件相同的普通混凝土没有显著差别，但是在受 压和受弯作用下的变形能力和抗冲击韧性都有较大幅度提高，在正常的纤维掺 入量下，受压条件下变形能力提高2 7 倍，受弯作用下的变形能力提高几十 倍，弯曲冲击韧性可提高2 4 倍，板式试件落球法击碎试验所测得的冲击韧 性提高几倍到几十倍。抗弯疲劳性能和抗压疲劳性能也有很大改善，在各种物 理因素作用下的耐久性有不同程度的提高，其中耐冻融性、耐热性和抗气蚀性 提高最显著。在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性。其材料的抗渗性 能与普通混凝土相比没有明显的变化。 2 2 纤维增强模型 2 2 1 复合力学模型 复合力学模型将钢纤维混凝土视为多相材料，其中以纤维作为增强相，而 把混凝土基体视为基础相，这两相材料性能的总和即为钢纤维混凝土的材料性 能】。该模型的基本假定是： 1 、纤维连续平行排列，并与受力方向一致， 2 、纤维与基体粘结完好，两者之间无相对滑动， 3 、纤维与基体均为弹性，横向变形相同。 根据基本假定可知，当载荷方向与纤维方向一致时，复合材料的应力表示 为： 盯= 盯r 以+ o m ( 2 1 ) 式中k ，分别是基体和纤维的体分比，口，盯，盯，分别表示纤维混凝 土，纤维和混凝土基体的应力。 钢纤维在混凝土基体中的分布具有乱向性和不连续性，在分析钢纤维混 山东理工大学硕士学位论文第二蕈钢纤维混凝土力学模型 凝土材料的力学性能时，必须同时考虑纤维的取向、长度及其与基体的界面粘 结作用。这三者之间又存在着内在的联系，通常以乱向短纤维有效系数表示， 它义包括方向有效系数和长度有效系数。 钢纤维混凝土承受轴向拉力时，由于纤维的乱向分布性，多数纤维并不 与轴向拉力方向一致，而成某一角度。当纤维方向与拉应力方向相同时，增强 效果最佳，方向有效系数7 1 。= 1 ；当纤维方向垂直于拉应力方向，不仅纤维完 全失去了增强作用，仉= 0 ，而且还会因纤维和基体间薄弱界面的影响，使抗 拉强度降低。通常纤维与轴向拉力之间的夹角在0 万2 之间变化，相应的， 在0 1 之间变化。 纤维方向有效系数由一维、二维、三维之分，又有裂前与裂后的不同。 对二维乱向分布的短纤维，取一根纤维为研究对象。假设纤维不发生刚性移动， 可以认为纤维的方向变化范围为一个圆，圆的半径，是纤维的长度，如图2 1a 所示。在圆内，纤维任取一位置方向的概率相等，因此纤维在一州2 到叫2 间的 半圆内任取一个位置的概率也相等。设纤维与x 轴夹角为毋，则纤维落在这个 位置上的概率为： r d 8d 曰 、 5 l 。， r 耳耳 设x 轴为拉力方向，此时纤维的承担的最大应力可以表示为 7 ；= - c o s e = f ；c o s 8 t 2 - 功 以， 根据上式可知。纤维的增强效果为c 0 s 目，因此方向有效系数为 ：f 型：三地6 4( 2 4 ) 对于三位乱向分布的纤维，则简化为半径等于纤维长度的半球为模型， 根据同样的假定，可以求得纤维的方向有效系数为0 5 。但也有学者认为三维 乱向分布的纤维，应该按斜纤维两个方向的投影确定其增强效果，模型见图 2 i b ，对其积分得到方向有效系数 r 。= f f 塑学_ 0 4 0 5 0 4 1 ( 2 - 5 ) 在实际工程中，纤维在混凝土中的分布是受到诸多不确定因素的影响， 理想化的分析对其进行了简化，与实际情况是有差距的。大量实践表明，钢纤 维混凝土组成比例，工作性能，搅拌与成型工艺，纤维的长径比体积率，几 何形状，分散程度，结构截面形状和尺寸等诸多因素对纤维方向有效系数均会 产生影响。裂后方向有效系数与初裂前又有所不同，但是这个问题比较复杂， 有待下进行深层次的研究。总之，纤维方向有效系数的准确确定，是一个十分 l j i 东理工大学硕士学位论文 第二章钒纤维涅凝土力学模型 复杂而又非常重要的问题，深入研究还牵扯到图相分析方法以及近代测量技术 等相关学科内容。 方向有效系数描述乱向的特征，同样对纤维因“短”的因素对增强效果 的影响，则用纤维长度有效系数来描述。在纤维混凝土材料受轴向拉力时，垂 直于轴向拉力的任一截面上，囡纤维长度的关系，各纤维的受力是不相同的。 一般分为两种情况：横跨裂缝的纤维，当较短的端长度小于临界长度的一半 时，纤维将会被拔出；当大于一半临界长度时，纤维则被拉断。 一，一 a二维 图2 1 纤维乱向分布模型 b三维 考虑以上两个因素，将公式2 1 改写为如下形式： 0 - = r o ，+ 盯。k( 2 6 ) 式中：r = r e r ，r 。是纤维方向有效系数，7 ，= l ，a z ，是纤维长度有效 系数，上，和。分别是纤维长度和临界纤维长度。公式只在弹性范围内成立， 因此，复合材料力学理论仅适用于钢纤维混凝土开裂前的弹性阶段，一旦基体 开裂，该理论就不再使用。 2 2 2 纤维间距理论【2 】 3 1 从细观结构上来讲，混凝土等脆性材料的开裂破坏与内部微裂纹的形成、 扩展等内在过程有关，这就为现代断裂力学理论应用予纤维增强复合材料的机 理分析提供了依据。纤维间距理论就是建立在线弹性断裂力学基础上的分析理 论，这一理论认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、孔隙和缺陷，施加外力时 这些部位会产生应力集中，引起裂缝的扩展，最终导致结构的破坏。加入钢纤 维后，钢纤维可以在混凝土结构的形成和受力破坏过程中有效的抑制裂缝的出 t l f 东理工= ： = 学硕士学位论文第= 章铡纤维灌凝。f ：力学模型 现与发展，达到纤维对混凝土增强增韧的作用。r o m u a l d i 先从顺向连续纤维 混凝土入手，假定在拉力方向上，钢丝按棋盘状分布，裂缝出现在相邻的纤维 之间，在拉应力作用下，裂缝端部的钢丝附近产生粘结应力粘结应力与裂缝 端部的应力方向相反，从而降低了此处的应力集中，约束了裂缝的扩展。 r o m u a l d i 对定向钢纤维试件进行了弯曲和劈拉试验，进一步分析指出钢纤维 的增韧增强能力由纤维的平均间距控制。后来，又将这一概念用于均匀分布的 乱向短纤维混凝土。 纤维混凝土材料的裂缝端部存在明显的非线性效应区，称为破坏过程区。 这一区段的变形既不同于弹性变形，又不同于塑性变形，因此应按非线性断裂 力学原理分析。对此，s h a h 和瑞典学者先后提出了虚拟裂纹分析模型，把纤 维混凝土材料的微裂纹前端，划分为4 个区域如图2 2 所示，图中为应力自 由区，为纤维桥联区，为基体微裂纹区，为无损伤区 2 , 3 1 。在这四部分 区域中，纤维桥联区内基体已经开裂，此时横跨裂缝的纤维通过界面的粘结， 阻止裂缝的扩展。基体微裂缝区内裂缝存在但并未张开，基体和纤维共同阻止 裂缝扩展。很明显，纤维只在这两个区域内发挥作用。在裂缝的扩展过程中， 无损伤区开裂成为微裂缝区，进而张开变成纤维桥联区，纤维不断地被从基体 中拔出或拉断，消耗了大量的能量，因此纤维增强混凝土的断裂韧性增长很大。 同时裂缝的发展受到纤维阻挡而偏离原方向，由于钢纤维是乱向分布在基体中 的，裂缝的开展途径将足一条空间折线，增大了裂缝的扩展长度，提高了裂缝 开裂所需的能量，提高了材料的抗裂能力。这一理论模型还认为，对于闭锁和 抑制微裂缝的增长，掺入纤维比集中配置钢筋更为有效。 2 3 钢纤维拉拔模型 纤维阻裂作用能力的强弱是由纤维与基体之问的界面粘结强度所决定的 2 3 - 2 “。如果界面作用效果太弱，纤维极易从基体中脱黏拔出，纤维的作用得不 到体现；而如果界面作用效果太强，纤维会被拉断，由于纤维的截面积比较小 拉断时比较突然，会降低纤维对混凝土基体的增韧效果。因此研究纤维混凝土 材料的宏观性能，有必要把纤维与混凝土基体之间的粘结作用作为一项重要的 内容加以考虑。 纤维在混凝土基体内的分布具有“乱向”的特点，开裂后，纤维与裂缝面 之间的夹角在0 一z 2 之问。除了发生轴向模型中所描述的脱黏以及滑移两种破 坏过程外，还会发生纤维的弯曲、拉断、屈服，以及拔出点局部的基体屈服、 破裂、剥落等现象。所以建立纤维桥联裂缝的作用模型就要考虑纤维自身的弯 曲。裂缝的张玎导致了纤维的弯曲和拔出。图2 3 所示为单根纤维与裂缝斜向 相交的模型【13 , 2 s j 。可以把纤维的桥联作用力分为两个部分：由纤维被拔出或者 是脱黏产生的剪切应力，和纤维弯曲产生的正应力。剪切应力沿纤维长度方向 图2 2 虚拟裂缝模型图 分布，通过分析纤维在基体内表面的滑出过程可以求出这部分应力。正应力的 方向垂直于纤维长度方向，可以把纤维等效为在弹性基础上的悬臂梁分析纤维 弯曲所产生的作用。这两部分应力是相互作用，相互影响的，纤维的弯曲增加 了纤维与基体内表面之间的摩擦力，而摩擦力又影响拔出或脱黏行为。b r a n & 将剩向坦置金属纤维在脆性基体中拔出过程巾能量损耗分为五部分：纤维一基 体界面脱黏能耗：界面相对滑动摩擦能耗；纤维塑性变形能耗；拔出点局部基 体损伤能耗和纤维弯曲造成的附加摩擦能耗。他还通过计算，得到在纤维的埋 置长度较短时，埋置角度在4 5 度左右时可以取得较好的增强效果，这一计算 结果也与实验相吻合【2 ”。l e u n g 把斜向纤维等效为一悬臂粱，分成若干单元， 把基体视作弹性，用弹簧来模拟纤维与基体之间的界面作用，如图2 ，4 所示【”】。 弹簧的弹性模量随坐标递增，基体剥落效应由弹簧的失效来模拟，弹簧失效荷 载随坐标变化。 为了获得良好的枯结作用，增大拉拔荷载以及滑移过程中的能耗。通过改 变纤维轴向体型来获得额外的机械咬合与锚固作用，收到了良好的效果，这种 纤维称为异型纤维。通过异型纤维与平直纤维的对比试验，发现异型纤维无 论是最大拔出荷载，还是拉拔过程全曲线性能都远远超过了同样条件下的圆直 纤维【l “。对于异型纤维的作用，s u j i v o r r a k u l ，w a s s 和n a a m a n 采用一个等效 弹簧来模拟纤维弯钩端的机械锚固作用。如图2 5 所示 。 光滑纤维段与混凝土基体之间的剪切力，与纤维的应变f ，和基体的应变 s 。差有关，若以纤维的边沿作为x 轴的原点，则剪应力表示为 9 r = 女f b ，g ) 一毛g 她( 2 - 7 ) 式中k 位于材料性质有关的常数。 断裂面 横跨裂缝的弯曲钢纤维 单元节点 图2 3 钢纤维斜向横跨裂缝模型 落 刚度逐渐增大的弹簧系列 弹簧作用 图2 4 斜向拉拔有限元模型 2 无 f 由于混凝土是脆性材料，异型纤维的掺加也会带来一定的副作用。通过试 验发现，异型纤维会导致水泥基体在拔出过程中的大幅度剥落损伤，纤维自身 也会有更大的儿率被拉断，从而降低了材料的塑性h6 。异型纤维的界面作用 o 山东理工大学硕士学位论文 第二章钢纤维混凝+ j 7 学模型 比圆直纤维要复杂得多，其作用机理还有待于进一步的研究与探索。 a 混凝土中的钩形纤维b 弯钩短纤维的等效虚拟纤维和弹簧 圈2 5 混凝土基体中钩形短纤维的拉拔分析模型 2 4 纤维混凝土受拉破坏模式【3 按照纤维混凝土材料轴向受拉时的应力应变曲线图形，其破坏模式可以概 括为以下两种 1 、应变软化模式 图2 6 a 为此模式的典型应力应变曲线。从受荷开始直到a 点为弹性变形 阶段，在a 点时混凝土基体出现第一道裂缝，这时横跨裂缝的纤维承受拉力， 并且逐渐从混凝土基体中拔出，这一拔出过程需要吸收大量的能量。在离开a 点后，应力应变曲线图上出现下降段a b 和b c ，这说明虽然纤维混凝土的承 载能力不断下降，但仍具有一定的变形能力。这种模式里，纤维混凝土材料的 抗拉强度与初裂强度十分接近甚至相等。本文采用双折线模拟应力应变曲线的 下降段，除此之外，还可以采用曲线模型和单斜线模型 15 , 2 9 1 。当混凝土基体中 掺入的纤维长径比较小且掺入量又较低时，会发生这种破坏。 2 、应变强化模式 图2 6 b 为此模式的典型应力应变曲线。从受荷开始直到a 点为弹性变形 阶段。曲线到达a 点时基体开裂，开裂后，应力接近于恒定值而应变不断增 大，基体中出现大量的微裂缝，通常称之为多缝开裂区段，即为图中的a b 段。 在这一阶段，基体逐步将荷载转移给横跨裂缝的纤维。b c 段称为加强段，接 近于直线，该直线的斜率取决于所用纤维的弹性模量和掺入纤维的体积率。曲 线到达c 点时，绝大部分纤维被拉断，少部分纤维被从基体中拔出。一般情 山东理工大学硕士学位论文 第二章钒纤维混凝土力学模型 况下，纤维的弹性模量越大，体积率越高，c 点的应力值和应变值就越大。 当混凝土基体中掺入体积率较高的连续长纤维或者长径比高的短纤维时，发生 这种破坏。 a 应变软化模式 y o 应变y b 应变强化模式 图2 6 典型拉伸应力一应变曲线 2 5 纤维混凝土受弯时的力学行为 大多数纤维混凝土构件主要承受弯曲荷载，因此需要研究材料在承受弯曲 荷载时的力学行为。 纤维混凝土梁式构件在纯弯荷载作用下，截面上的应力和应变呈线性分布 3 0 - 3 2 。随着荷载的增加，最大压应变和最大拉应变均相应增大，当最大拉应力 值达到混凝土基体材料的抗拉强度时，构件受拉区的混凝土开裂。开裂后，裂 缝处的纤维仍然可以承受部分荷载，并且由于纤维从基体材料中拔出和纤维本 身的弹性变形，使受拉区的应变继续增加，并且拉应变的增加速率大于压应变， 中性轴的位置向受压面移动。这时材料表现出明显的假塑性行为，即构件已经 出现裂缝，但仍然具有一定的承载能力和变形能力。 纤维混凝土材料在受弯和受拉时的破坏，皆因材料的拉应力达到其强度极 限值所致。但是材料受拉和受弯时的力学行为是不相同的。首先，二者应力一 戍变曲线形状不同。受拉时复合材料出现裂缝后，承载能力下降或在应力不变 的漪况下，应变增大；而受弯时即使复合材料出现裂缝，其承载能力仍可保持。 其次，受弯时的延性与韧性明显高于受拉时的这两项力学性能指标。这种现象 t l j 东理工大学硕士学位论文 第二章钢纤维混凝上力学模型 与两种受力条件下，试件截面的应力分布有关。受拉时试件截面上出现单向均 匀的拉应力，而在受弯时，试件截面上产生应力梯度，应力梯度越大，则临界 虑力峰值也越大，试件在受弯破坏时的断裂，主要取决于试件受拉区一定范闱 内的平均拉应力。另外，二者在受力时材料缺陷所引起的破坏概率也不同。假 设二者的作用截面面积相等，受拉时，由于截面内各处应力相等，裂缝有可能 在截面的任意部位出现：而受弯时，截面分成受拉区和受压区，并且受拉区内 各点的应力值是不同的，断裂通常发生在最大拉应力区，因此受弯时缺陷引起 的破坏概率要比轴向受拉小得多【j j 。 2 6 小结 纤维增强混凝土的理论模型，主要有复合材料力学模型和纤维间距模型。 这两种模型分别在不同的理论基础上对纤维的作用进行了归纳简化。纤维在混 凝土基体中实际的受力状况是很复杂的，在不同的受力条件下纤维在基体中 作用机理是不同的，作用效果也相差很大。在研究纤维作用机理的力学模型中， 斜向拉拔模型对从基体中拔出纤维过程的模拟是比较合理的。 l i j 东理工大学硕士学位论文第三章钢纤维混凝土与混凝土断裂性能的研究 第三章钢纤维混凝与混凝土断裂性能的研究 本章中通过单轴拉伸、预制裂缝三点粱和楔入劈裂三种实验，对比钢纤维 混凝土和普通混凝土两种材料在试验过程中的现象，并根据实验数据和在此基 础上计算得到的断裂韧性参数，研究其材料性能在添加钢纤维后的改变。 3 1钢纤维混凝土的组分 2 】 3 1 1 钢纤维 钢纤维的材质主要包括普通碳钢和不锈钢。根据不同的划分标准，可以把 钢纤维划分为不同的类型，其中按钢纤维的外形可以分为长直形，压痕形，波 浪形，弯钩形，大头形，扭曲形等，其中长直形和弯钩形比较常见：按钢纤维 的截面形状可以分为圆形，矩形，月牙形和不规则形，按生产工艺可以分为切 断型，剪切型，铣削型和熔抽型。 钢纤维必须具有一定的抗拉强度和硬度，以防止在搅拌混凝土时，钢纤维 发生弯折现象，钢纤维太脆，搅拌时则容易发生折断现象。钢纤维的几何参数 包括纤维长度、商径( 等效直径) 和长径比。长度指的是纤维两端点之间的直 线距离。等效直径是指纤维截面为非圆形时，其截面积相当于圆形截面面积时 计算所得到的直径。大量的实验研究和工程应用表明，钢纤维的长度在 15 - 6 0 m m 之间，直径或等效直径在0 3 1 2 m m 之间，长径比在3 0 1 0 0 之间， 其增强效果和施工性能可以满足要求。钢纤维的体积率是指纤维所占复合材料 体积的百分数。体积率太小起不到增强的作用，对于普通钢纤维混凝土，体积 率太大，则纤维容易抱团，材料的和易性变差，影响正常使用。对于不同品种、 不同长径比的钢纤维，体积率的选择范围略有不同，一般在0 5 2 之间。 3 1 2 基体材料 水泥是钢纤维混凝土的重要组成材料，水泥和水结合形成的胶凝体在钢 纤维混凝土中起粘合作用，目前常用的水泥是4 2 5 和5 2 5 号普通硅酸盐水泥。 一般情况下，钢纤维混凝土中水泥用量比普通混凝土中水泥用量大。在水泥用 量相同时，用粗砂配制的钢纤维混凝土比细砂配制的强度要高，但是过粗的砂 拌制混凝土容易产生离析。通常选用碎石拌制钢纤维混凝土，碎石的颗粒表面 比较粗糙，能产生良好的机械嵌锁作用，与水泥有较强的粘结力，石料粒径不 山东理工大学硕士学位论文 第三章钢纤维混凝土与混凝土断裂性能的研究 宜太于钢纤维长度的2 3 ，否则会削弱钢纤维的增强作用，同时钢纤维易集中 于大石料周围。凡能饮用的水和洁净的天然水，均可用于钢纤维混凝土。 3 2 试验材料及试件制备 试验中所用钢纤维是产自上海的异型纤维，两端带有弯钩，长度2 5 m m 。 混凝土基体的组成材料包括山东省交通厅水泥厂生产的4 2 5 # 普通水泥，山东 莱芜河滩砂子和济南东章丘双山青石子。使用微机控制电子万能试验机 ( w d w 3 1 0 0 ) 加载，电子引伸计( y y j 5 2 0 ) 辅助记录数据。纤维混凝土的 配合比为：水泥：水：砂子：石子= 1 ：o 3 5 ：1 6 7 ：1 9 3 ，钢纤维的掺入量占 试件总重量的4 ；素混凝土的配合比为：水泥：水：砂子：石子 = l ：0 3 4 ：1 6 8 ：1 9 4 。 三点弯曲、楔入劈拉和单轴拉伸试件尺寸及受力方式如图3 1 所示，其中 劈裂拉伸试件的厚度为1 4 5 m m ，预制裂缝长度为1 0 0 m m ，电子引伸计放置在 预制裂缝的端口部：三点弯曲试件的横截面为1 0 0 1 0 0 m m 2 ：直接拉伸试件的 中间部位横截面1 0 0 1 0 0m m 2 ，两端部截面为1 0 0 1 2 0m m 2 ，截面面积沿轴向 平滑过渡，以减少应力集中。 采用干拌法工艺搅拌钢纤维混凝土 3 3 1 。先将砂子和水泥倒入搅拌机，混 合搅拌均匀厉加入纤维和石子，继续搅匀，最后加入水拌制成钢纤维混凝土材 料。混凝土浇注进模具后，放在振动台上振动5 1 0 分钟。试件成型采用木制 模具，内层贴塑料纸防水。根据木模特点，经过试验确定最佳脱模时间为浇注 后3 - 4 小时【3 4 】。脱模后的试件在常温常压下保持恒定湿度养护2 8 天后进行试 验。 3 3 单轴拉伸实验 轴向拉伸试验，试件受力形式简单，破坏特征明显便于实验人员进行分 析研究。但同时试验难度较大，为了能够取得比较理想的实验数据，要求试件 受力形式合理，试验机和试件之间有良好的传力机制。在查阅论文的基础上， 结合浇筑现场的模拟试验，最终决定采用如图3 1 c 所示的试件。在试件的两 端各放入一根直径1 9 m m 的光圆钢筋，钢筋外露约3 5 m m ，深入试件内部约 1 0 0 m m ，并且在深入基体的一端焊接一段弧形的细钢筋，以增强与混凝土基体 之间的咬合作用。 为保证试验数据真实可靠，试件必须在实验过程中只承受轴向拉力，不发 户 ( b ) 劈裂拉伸试件 p l if 专 u _ 。 _ 。 ( a ) 三点弯曲试件示意图 ( c ) 单轴拉伸试件示意 图3 1试件尺寸及受力示意图 生偏心受拉现象。为了达到这一要求，将模具两端的模板设计为双层，钢筋穿 过这两层模板中间预留的孔，就可以被准确的固定在合适的位置，可以保证在 浇筑以及振捣时钢筋不会偏离位置。在试验前安装试件时，先将试件一端外露 的钢筋放入试验机顶部的夹具内，加紧后缓缓降下试验机横梁，使试件另一端 外露的钢筋插入试验机底部的夹具。这样可以减少安装试件中产生的预加力， 确保实验精度。 首先进行普通混凝土试验。在试验中，试验机横梁以o 0 5 m m m i n 的恒定 速率向上移动，以此逐渐增大旋加的荷载，试件的变形也随之增长，当达到极 限荷载时的瞬间，出现肉眼可以观察到的裂缝，裂缝贯通试件的整个截面，试 件被拉成两半。观察到断裂面比较平整，部分粗骨料( 石子) 被拉断。破坏方 r-d旦 “东理工大学硕士学位论文第三章锕纤维混凝土与混凝土断裂性能的研究 式属于典型的脆性破坏，断裂面形状类似于铸铁被拉断时的断裂面形状。在纤 维混凝土试验过程中，试件在破坏时，也是瞬间出现裂缝贯穿全截面，但是在 基体开裂以后，裂缝处的纤维发挥桥联的作用，所以试件在此时仍然有残留的 部分承载能力，试验可以继续进行，直至所有的纤维被拔出或拉断。同样观察 试件的断裂面，发现绝大多数纤维是被拔出。也有极少数的纤维被拉断。同索 混凝土试件相比，断裂面凹凸不平，如图3 2 所示( 图中左边的试件是素混凝 土拉伸试件，右边的是纤维混凝土拉伸试件) 。根据这个现象可以推测，当施 加的荷载达到某一数值时，试件内部的某个薄弱点首先发展成微裂缝，但是基 体中的钢纤维阻挡了微裂缝的进一步扩展。随着荷载的增长，微裂缝绕过钢纤 维继续发展，最终破坏时的断裂面就凹凸不平。从试验结果看，破坏面在试件 中出现的位置具有偶然性，例如纤维混凝土试件t f r c l 和t f r c 3 以及混凝土试件 t c l 的断裂面位置在试件的中部，纤维混凝土试件t f r c 2 的断裂面出现在上端部。 试验过程