鋼纖維聚合物混凝土的界面應力傳遞與增強機理研究

張偉

南京工程學院建筑工程學院,江蘇南京211167

鋼纖維聚合物混凝土的界面應力傳遞與增強機理研究

張偉

南京工程學院建筑工程學院,江蘇南京211167

本文從理論和試驗兩個角度分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應力傳遞與增強機理。研究結果表明：直線形和彎鉤形鋼纖維聚合物混凝土的界面應力最大值出現在埋入端位置，并沿著鋼纖維的埋入方向降低，在截面中部位置趨于零；當鋼纖維的長徑比為定值時，隨著鋼纖維含量的增加，聚合物混凝土的力學性能均較大增強；在相同的鋼纖維的摻量時，聚合物混凝土的力學強度與長徑比成正比；纖維長度和直徑對界面應力影響較小，但會改變鋼纖維應力的位置，本文的結果能為鋼纖維聚合物混凝土的配合比設計及應用提供參考。

鋼纖維;混凝土;界面應力;增強機理

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

研究發現，基于鋼纖維聚合物混凝土的界面應力的研究大部分只是分析應力，無法精確的分析實際的符合材料，本文在前人的研究基礎上采用數字圖像相關方法，結合單纖維拉拔試驗方法，分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應力傳遞原理，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作用。

1 界面應力傳遞機理

采用數字光彈性實驗分析鋼纖維界面的殘余應力，總結鋼纖維在混凝土中的應力傳遞機理，為研究增強機理提供參考。

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明顯的條紋，離著原理鋼纖維的距離的增加條紋的數量逐漸表少，表明應力逐漸表小，數字光彈法計得到的應力等色線級數3D分布可以看出遠離鋼纖維區域的級數逐漸表小并趨向于零，鋼纖維端的條紋級數最高，表現為紅色。

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明顯的條紋，離著原理鋼纖維的距離的增加條紋的數量逐漸表少，反應鋼纖維附近的應力較為集中，數字光彈法計得到的應力等色線級數3D分布可以看出鋼纖維端的條紋級數最高，表現為紅色，鋼纖維附近的應力變化較為突出，說明該位置的應力傳遞較快，傳遞的范圍較小。鉤形纖維在拔出時候消耗能量較大，纖維的抗拔能力較強，鋼纖維在形狀改變的位置較容易出現應力集中，讓該位置的混凝土出現脫粘、開裂，鋼纖維彎折形狀和角度的不同，應力集中程度也會發生變化。

2 鋼纖維混凝土的增強機理

為研究鋼纖維混凝土的增強機理，本文從理論角度分析聚合物混凝土的力學模型，通過設計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作用

根據上述分析可知，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行力學分析。

圖3 實驗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效果Table 1 Reinforcing effect of different content of steel fiber

當鋼纖維的長徑比為定值時，采用抗拔實驗得到的聚合物混凝土的力學性能如表1，隨著鋼纖維含量的增加，聚合物混凝土的力學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，載荷分布更加均勻，減小了薄弱的截面上裂紋的出現，三維亂向分布的鋼纖維本身增強了混凝土的斷裂應變。在進行加載荷前期，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力繼續傳遞應力，使應力達到重新分布，混凝土能夠繼續承受荷載，載荷增加到破壞荷載的時候，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。

本實驗還對鋼纖維的含量一定時，研究不同長徑比的鋼纖維配制聚合物混凝土的力學性能。

表2 不同長徑比鋼纖維煩人增強效果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，聚合物混凝土的力學強度與長徑比成正比。鋼纖維長徑比相差不大，混凝土的力學強度較為接近，長徑比增加到88時，力學強度增加較為顯著，當增加在100時，鋼纖維對混凝土的的增強效果下降，造成這種現象的原因是纖維的長度過長，施工中較為困難，達不到的理想的效果，在實際工程中，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力有限元分析

在實驗的基礎上，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力分布情況，在進行有限元建模時候，假定鋼纖維與混凝土的粘結完好，荷載作用在鋼纖維上，方向與鋼纖維軸向重合。基體彈性模量為1 GPa，泊松比為0.4，鋼纖維的彈性模量210 GPa，泊松比0.3。模擬實驗過程，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 有限元計算模型網格劃分Fig.4 Grid division finite element calculation model

3.1 直線形鋼纖維界面應力分析

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力具有相似的分布規律，界面應力極值在鋼纖維埋入端和埋入末端，界面應力最大值沒有隨著鋼纖維埋入長度的增加而發生很大的變化，但最大值的位置向鋼纖維中部移動。這表明鋼纖維在保持直徑不變的時候，纖維長度的改變對界面應力的影響不大。

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，界面應力有限元數值模擬結果表明，鋼纖維直徑的增加，界面應力極值在鋼纖維埋入端，界面應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力具有相似的分布規律，應力極值出現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力影響不大。

4 結論

本文較為深入的從理論和試驗兩個角度分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應力傳遞與增強機理，結合單纖維拉拔試驗方法，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作用。根據得到的試驗現象和數據，并結合相應的理論研究成果，得出了以下主要的結論。

（1）在直線形鋼纖維聚合物混凝土，界面應力的最大值出現在埋入端位置，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應力集中，端鉤形鋼纖維混凝土截面應力在距離埋入端約1～2倍纖維直徑的位置達到極值，在中間位置接近零。

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

（3）采用有限元計算程序，研究纖維長度和直徑對界面應力的影響，結果表明，纖維長度和直徑對界面應力影響較小，但會改變鋼纖維應力其中的位置，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實意義，本文的結果能為鋼纖維聚合物混凝土的配合比設計及應用提供參考。

[1]王恒武.玻璃纖維/聚合物基復合材料界面粘結強度的實驗與理論研究[D].武漢:武漢理工大學,2003

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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

南京工程學院校級科研基金項目: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,實驗師.主要研究方向為混凝土結構耐久性.E-mail:zhangweijt2000@163.com