【《纤维水泥基复合材料增强增韧理论综述》1900字】

纤维水泥基复合材料增强增韧理论综述对普通水泥基复合材料而言，在其发生破坏失稳前，基体内部已经形成了很多微裂缝区域，当应力达到一定程度时，微裂区忽然失稳致使基体发生破坏。如图1-1所示，掺入纤维虽然不能阻止微裂区的形成，但是可以有效的阻止或减缓微裂区的失稳。研究纤维水泥基复合材料的增强增韧机理，可以从本质上了解纤维对水泥基复合材料的增强增韧作用，从而为提升纤维水泥基复合材料的强度和韧性提供理论依据。目前，对纤维增强增韧的研究有两大主流思想理论，分别是复合材料理论和纤维间距理论。这两个理论从不同角度揭示了纤维对水泥基复合材料增强增韧的作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>代超</Author><Year>2015</Year><RecNum>58</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18,19]</style></DisplayText><record><rec-number>58</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">58</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>代超</author></authors></contributors><titles><title>钢纤维-水泥石基体界面特征及对混凝土宏观性能影响的研究</title></titles><dates><year>2015</year></dates><publisher>重庆交通大学</publisher><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>黄乐</Author><Year>2017</Year><RecNum>57</RecNum><record><rec-number>57</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">57</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>黄乐</author></authors></contributors><titles><title>钢—聚丙烯混杂纤维混凝土与变形钢筋粘结—滑移本构关系研究</title></titles><dates><year>2017</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18,19]。图1-1纤维阻裂模型ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张悦</Author><Year>2019</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">1</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张悦</author></authors></contributors><titles><title>聚丙烯纤维混凝土力学性能及损伤破坏形态研究</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>西安理工大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]Fig.1-1TheModelofFiberPreventingCrackingADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张悦</Author><Year>2019</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">1</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张悦</author></authors></contributors><titles><title>聚丙烯纤维混凝土力学性能及损伤破坏形态研究</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>西安理工大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]复合材料理论复合材料理论是由Swamy等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Swamy</Author><Year>1974</Year><RecNum>64</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[20]</style></DisplayText><record><rec-number>64</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">64</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Swamy,RN</author><author>Mangat,PS</author><author>Rao,CVSKameswara</author></authors></contributors><titles><title>Themechanicsoffiberreinforcementofcementmatrices</title><secondary-title>SpecialPublication</secondary-title></titles><periodical><full-title>SpecialPublication</full-title></periodical><pages>1-28</pages><volume>44</volume><dates><year>1974</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]于1970年提出。复合材料理论认为：纤维与水泥基体均呈弹性变形；纤维呈均匀分布，且纤维的受力方向与取向一致；纤维与基体粘结良好，无相对滑移，受力时同时产生应变。该理论将纤维水泥基复合材料视为两相材料复合而成，其中纤维为一项，水泥基体为一项。并认为水泥基复合材料的综合性能为各项性能的加权和，体现了纤维的性能对复合材料性能的影响。由此，纤维水泥基复合材料的弹性模量Efrc可由式1-1来计算： （1-1）式中：Ef、Ec、Efrc——纤维、基体和纤维水泥基复合材料的弹性模量（MPa）；Vf——纤维的体积分数。同理，纤维水泥基复合材料的抗拉强度ffrc-t可以由式1-2来计算； （1-2）式中：ff、fc、ffr——纤维、基体和纤维水泥基复合材料的抗拉强度（MPa）；Vf——纤维的体积分数。然而，复合材料理论也存在一定缺陷。因为纤维在水泥基复合材料中呈乱向分布，该理论与实际考虑的影响因素不足，从而导致复合材料理论计算出的结果与实验结果差异较大。张悦等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张悦</Author><Year>2019</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">1</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张悦</author></authors></contributors><titles><title>聚丙烯纤维混凝土力学性能及损伤破坏形态研究</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>西安理工大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]认为使用该理论计算时还需要考虑纤维长度、方向以及纤维与基体间的界面粘结性能的影响。并假定：用长度有效系数ηl表示纤维长度的影响；用方向有效系数ηθ表示纤维方向的影响；用界面粘结有效系数ηb来表示纤维与基体间界面粘结性能的影响。（1）纤维长度有效系数ηl纤维长度有效系数可由纤维水泥基复合材料中纤维的使用长度Lf与该纤维的临界长度Lfc来表示，如表1-1。表1-1FRCC中纤维的长度有效系数ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>徐志钧</Author><Year>2003</Year><RecNum>210</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[21]</style></DisplayText><record><rec-number>210</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z9sva2zws9ew0te9x5t59tsc9tsvpsvaa2t5">210</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">徐志钧</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">纤维混凝土技术及应用</style></title></titles><dates><year>2003</year></dates><pub-location><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">北京：中国建筑工业出版社</style></pub-location><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]Tab.1-1FiberOrientationCoefficientsinFRCCADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>徐志钧</Author><Year>2003</Year><RecNum>210</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[21]</style></DisplayText><record><rec-number>210</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z9sva2zws9ew0te9x5t59tsc9tsvpsvaa2t5">210</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">徐志钧</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">纤维混凝土技术及应用</style></title></titles><dates><year>2003</year></dates><pub-location><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">北京：中国建筑工业出版社</style></pub-location><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]纤维长度有效系数Lf≤LfcLf>Lfc（2）纤维方向有效系数ηθ因为纤维在水泥基复合材料中呈乱向分布，当裂缝扩展时，乱向分布的纤维会受到不同方向的力，所以考虑纤维方向的有效系数具有重要意义。纤维方向有效系数按维数的不同，可分为三种，如表1-2。表1-2FRCC中的纤维方向有效系数ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>徐志钧</Author><Year>2003</Year><RecNum>210</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[21]</style></DisplayText><record><rec-number>210</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z9sva2zws9ew0te9x5t59tsc9tsvpsvaa2t5">210</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">徐志钧</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">纤维混凝土技术及应用</style></title></titles><dates><year>2003</year></dates><pub-location><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">北京：中国建筑工业出版社</style></pub-location><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]Tab.1-2FiberLengthEffectiveCoefficientinFRCCADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>徐志钧</Author><Year>2003</Year><RecNum>210</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[21]</style></DisplayText><record><rec-number>210</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z9sva2zws9ew0te9x5t59tsc9tsvpsvaa2t5">210</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">徐志钧</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">纤维混凝土技术及应用</style></title></titles><dates><year>2003</year></dates><pub-location><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">北京：中国建筑工业出版社</style></pub-location><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]纤维方向有效系数一维二维三维ηθ10.6370.405（3）界面粘结系数ηb目前，已有很多种类的纤维应用于实际工程中，不同种类的纤维与基体间的界面粘结性能也会有所不同，所以考虑纤维的界面粘结有效系数具有重要意义。该系数可由纤维的最大应力σf与极限抗拉强度σfu之比来表示，同时可用纤维使用长度Lf与该纤维临界长度Lfc之比来表示，界面粘结系数ηb可由式1-3来计算ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张强强</Author><Year>2016</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[22]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z9sva2zws9ew0te9x5t59tsc9tsvpsvaa2t5">46</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张强强</author></authors><tertiary-authors><author>易志坚,</author><author>王家林,</author><author>赵朝华,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>柔性纤维混凝土阻裂机理及在连续刚构桥中的应用研究</title></titles><keywords><keyword>柔性纤维</keyword><keyword>阻裂机理</keyword><keyword>阻裂性能试验</keyword><keyword>连续刚构桥</keyword><keyword>有限元分析</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><publisher>重庆交通大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[22]： （1-3）考虑纤维长度、方向以及纤维与基体间的界面粘结性能后，纤维水泥基复合材料的弹性模量Efrc和抗拉强度ffrc-t可由式1-4来计算： （1-4）纤维间距理论纤维间距理论又称为纤维阻裂理论。随着断裂力学被引入水泥基复合材料的研究中，由Romualdi等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Romualdi</Author><Year>1963</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[23,24]</style></DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">59</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Romualdi,J.P.</author><author>Batson,G.B.</author></authors></contributors><titles><title>BehaviorofReinforcedConcreteBeamswithCloselySpacedReinforcement</title><secondary-title>AciStructuralJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>AciStructuralJournal</full-title></periodical><pages>775-789</pages><volume>60</volume><number>6</number><dates><year>1963</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Romualdi</Author><Year>1963</Year><RecNum>60</RecNum><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">60</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Romualdi,J.P.</author><author>Batson,G.B.</author></authors></contributors><titles><title>MechanicsofCrackArrestinConcrete</title><secondary-title>JournaloftheEngineeringMechanicsDivision</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournaloftheEngineeringMechanicsDivision</full-title></periodical><pages>147-168</pages><volume>89</volume><number>3</number><dates><year>1963</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23,24]于1963年基于线弹性断裂理论提出。纤维间距理论认为：水泥基复合材料中存在微裂缝和微孔隙等固有缺陷，在外荷载作用下，这些微裂缝和微孔隙容易产生应力集中，从而诱发裂缝的生成和扩展，最终导致基体发生破坏；纤维均匀的分布于水泥基复合材料中，裂缝的扩展方向是未知的，当且仅当裂缝的长度大于平均的纤维间距S时，此时必然会有纤维来阻止该裂缝的扩展，从而发挥纤维的作用。纤维间距理论力学模型如图1-2所示。图1-2纤维间距理论模型ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张悦</Author><Year>2019</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">1</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张悦</author></authors></contributors><titles><title>聚丙烯纤维混凝土力学性能及损伤破坏形态研究</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>西安理工大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]Fig.1-2TheoreticalModelofFiberSpacingADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张悦</Author><Year>2019</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">1</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张悦</author></authors></contributors><titles><title>聚丙烯纤维混凝土力学性能及损伤破坏形态研究</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>西安理工大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]根据这一理论，纤维水泥基复合材料的抗拉强度ffrc可以由式1-5来计算ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Romualdi</Author><Year>1963</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[23,24]</style></DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">59</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Romualdi,J.P.</author><author>Batson,G.B.</author></authors></contributors><titles><title>BehaviorofReinforcedConcreteBeamswithCloselySpacedReinforcement</title><secondary-title>AciStructuralJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>AciStructuralJournal</full-title></periodical><pages>775-789</pages><volume>60</volume><number>6</number><dates><year>1963</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Romualdi</Author><Year>1963</Year><RecNum>60</RecNum><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2xx92e2v1vt0xwe0z96pvprb9x520ed9tfes">60</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Romualdi,J.P.</author><author>Batson,G.B.</author></authors></contributors><titles><title>MechanicsofCrackArrestinConcrete</title><secondary-title>JournaloftheEngineeringMechanicsDivision</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournaloftheEngineeringMechanicsDivision</full-title></periodical><pages>147-168</pages><volume>89</volume><number>3</number><dates><year>1963</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23,24]： （1-5）式中：Kfrc——纤维水泥基复合材料的断裂韧性（MPamm0.5）；β——与裂缝形态有关的常数；S——基体内纤维的平均间距。1964年Romualdi等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Romualdi</Author><Year>1964</Year><RecNum>197</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[25]</style></DisplayText><record><rec-number>197</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z9sva2zws9ew0te9x5t59tsc9tsvpsvaa2t5">197</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Romualdi,JamesP.</author><author>Mandel,JamesA.</author></authors></contributors><titles><title>TensileStrengthofConcreteAffectedbyUniformlyDistributedandCloselySpacedShortLengthsofWireReinforcement</title><secondary-title>AciStructuralJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>AciStructuralJournal</full-title></periodical><pages>27-37</pages><volume>61</volume><number>6</number><dates><year>1964</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]对原有理论进行修正，在原有理论的基础上考虑了纤维乱向分布的现状，并假定单位面积上分布了n根纤维，则纤维水泥基复合材料中的平均纤维间距S可由式1-6来计算： （1-6） （1-7）把纤维的方向有效系数ηθ带入式1-7，可得： （1-8）即 （1-9）因此纤维平均间距S可由式1-10来计算： （1-10）分别将表1-2中的纤维方向有效系数ηθ带入公式（1-10）中可计算出纤维乱向分布时的平均间距S，结果如表1-3所示。表1-3纤维平均间距计算公式Tab.1-3ComputationalFormulaforAverageFiberSpacing一维二维三维然而，部分学者对该理论持有争议。他们认为该理论考虑的因素不足，认为纤维水泥基复合材料的强度和韧性不止受纤维的平均间距和纤维方向影响，还应受纤维的长度、基体特性以及纤维与基体间的界面粘结性能息息相关。正因如此，纤维间距理论计算出的结果与实验结果差异较大，以至于该理论应用较少ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>胡小庆</Author><Year>2011</Year><RecN