维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第４期（总第２２２期） 混 凝 土 原材料及辅助物料 Ｎｕｍｂｅｒ ４ ｉｎ ２００８（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２２２） Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ＭＡＴＥＲＩＡＩ ＡＮＤ ＡＤＭＩＮＩＣＬＥ 纤维混凝土增强机理的界面力学分析 刘永胜 （华东交通大学土木建筑学院，江西南昌３３００１３） 摘要： 纤维混凝土是一种利用纤维材料增强混凝土性能的复合材料。纤维对混凝土的增强效果主要起决于纤维一混凝土基体的界面粘 结性能。利用复合材料的剪滞理论对纤维混凝土的纤维一｝昆凝土基体的界面力学传递进行分析，得出了纤维承受拉应力和剪应力的表达 式，肝分析了纤维对混凝土的增强效果。 关键词：纤维混凝土；剪滞模型；界面力学；增强效果 中图分类号：ＴＵ５２８．Ｏ１ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００２—３５５０（２００８）０４—００３４—０２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ＬⅢＹｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＥａｓｔＣｈｉｎａ ＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ－Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂｙ ｉｆｂｅｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｒｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｔｒｎａｓｆｅｒ ｏｆ ｉｆｂｅｒ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｓｈｅａ￣ｌａｇ ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｗｅｒｅ ｇａｉｎｅｄ．Ａｎｄ ｉｆｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｓｈｅａ￣ｌａｇｔｈｅｏｒｙ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ０ 引言 １ 纤维混凝土的界面应力分析 混凝土是…种含有初始裂纹的复合材料。在荷载的作用下， 大量试验表明，纤维混凝土中纤维周围的水泥基体结构与 仞始微裂纹将扩展、贯通形成宏观裂缝，从而使得混凝土结构破 其自身结构是不相同的，即在钢纤维与基体之间存在着界面 坏。纤维材料的掺入可以有效地抑制微裂纹的萌发和扩展，阻止 层。纤维混凝土的性能主要取决于混凝土基体性能、纤维含量 损伤的发展和积累，从而提高混凝土的强度和韧性。关于纤维增 以及它们之间的界面特性。假定界面是一层厚度可以忽略、但 强混凝土的机理，从２０世纪６０年代以来，学术界进行了广泛的 具有一定力学性能的薄层。当荷载作用于纤维混凝土时，荷载 研究，其中最具有影响力是：基于复合材料力学的混合定律和建 一般先施加于低弹模的基体，然后通过纤维一基体的界面，把一 立在断裂力学基础上的纤维间距理论。混合定律把纤维混凝土 部分荷载传递给高弹模的纤维，使纤维和基体共同承担荷载， 简化为一种钢纤维为一相，混凝土基体为另一相的两相复合材 从而起到增强的效果。为了分析界面之间的力学传递，作如下 料，复合材料的各项性能为基体『生能和纤维性能的加权和。纤维 假定［ 】： 间距理论认为纤维混凝土的增强效果与混凝土基体中纤维的平 （１）混凝土基体与纤维都保持在弹性范围内，界面上的剪 均间距有关，并得到了混凝土裂缝尖端应力集中因子与纤维间 应力和剪应变遵守线弹性Ｈｏｏｋｅ定律，忽略界面厚度。 距的关系 。混合定律和纤维间距理论从不同的角度分别描述 （２）纤维与基体在界面上为理想粘接，不发生相对滑动。 了纤维增强复合材料的增强机理，但两者均没有从复合材料性 （３）纤维只受轴向荷载，界面只承受剪切荷载。 能的主要决定因素——界面来分析纤维增强混凝土的性能。我 界面应力分析模型如图１所示，其中单元中间是一根半径 们知道纤维增强混凝土是多种物质组成的混合物。纤维掺入混 为ｒｆ的纤维，周围是半径为Ｒ的基体。纤维受轴向力 和ｏ－ｆ＋ｄｏ－ 凝土基体后，纤维参与了混凝土结构的受力，其中纤维的受力是 作用，界面剪切力为 。 根据平衡条件有 通过混凝土基体与纤维之间的界面传递。所以纤维与混凝土基 １ＴｒｆＺｔＴｒ２￣ｒｒ（ｒ，ｄｚ＝，ｒｒｒｆＺ（ｏ－０－ｄｏ－ｆ） （１ａ） 体之间的界面是纤维增强混凝土的关键。本研究根据复合材料 即 剪滞理沦￣３－５／，从界面力学的传递方面分析了纤维增强混凝土的 １＝一兰丁ｆ （１ｂ） 机理，为纤维增强混凝土的机理提供了更加深入的认识。 收稿日期：２００７－－０７—２６ 基金项目：武器装备预研基金（５２４５３０９０２０４ＺＫ０ｌ０５） ・３４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 其中常数Ｂ、Ｄ可以利用边界条件（ ） ０得到 Ｂ＝０，Ｄ－－Ｅ￣０／ｃｏｎｈ（ｎｌ／２ｒｆ） 式中：ｌ为纤维的长度。由此得到纤维的正应力为 ｆ＝Ｅ￣ｏ［１一 ｃｏｓ ｈ（ ｒ１２；／ｒｆ）】 将式（１０）对 求导，并代人到式（１ｂ）中得 ｎ 。—（１０） …） ｓｉｎ ｈ（ｒｌｚ／ｒｆ ）—ｃｏｎｈ ｎｔ／Ｚｒ￣ Ｌ Ｊ ２纤维增强混凝土的效果讨论 【ａＪ （ｂＪ 由式（１０）、（１１）知，拉应力 和界面剪应力ｒ 分别在ｚ＝Ｏ 图１界面应力分析模型 处和ｚ＝＋＿ｌ／２处取得最大值，即 ０设ｗ（ｒ，。）为沿 方向在半径为ｒ处基体的位移，在某一个 截面处，由Ｈｏｏｋｅ定律得 Ｔ＝Ｇ （２） ｒｍ ＝ １ ［１－ｓｅｃｈ（ｒｄ／２ｒｆ）】 （１２） （１３） ｎＥｅ￣ｏｔｆｎｈ（ｎｌ／２ｒｆ） 从式（１２）、（１３）可以看出，纤维表面所承受的最大拉应力 和最大剪应力ｒ一均随着纤维弹性模量 、长度ｌ的提高 式中：Ｇ 广一基体的剪切模量。 注意到基体环的轴向平衡，有 ２１Ｔｒｒ＝２１Ｔ （３） 而增大，随着纤维直径ｒｆ的增大而减小。这表明纤维弹性模量 越高、纤维长度越大、纤维越细时，更多的荷载能够通过界面从 基体向纤维传递，从而起到更好的增强效果。不难看出，纤维长 将式（２）代人式（３）中得 ｄ ｒ 盟Ｇｍｒ一 （４）， 度的增加、纤维直径的减少，均将导致纤维与混凝土基体的界 面面积增加。因此式（１２）、（１３）满足复合材料的性能随界面性 对式（４）积分 能的提高而提高的一般规律。 』 得到 ｒ …＂ａｒ （５） ３结论 纤维混凝土是由细骨料、粗骨料、水泥、水以及乱向分布的 纤维组成的一种多相非均质复合材料。为了分析问题的方便， 我们将纤维混凝土简化为混凝土基体和纤维组成的二相复合 材料。本研究从两相复合材料的界面性能人手，分析了纤维．混 凝土基体界面上的应力传递，从而从细观界面力学的角度分析 了纤维对混凝土基体的增强机理，为纤维混凝土的增强机理复 （６ａ） （６ｂ） 参考文献： 式中： 广一Ｆ， 处的轴向位移，即纤维的轴向位移； 基体在ｒ＝Ｒ处的轴向位移。 由Ｈｏｏｋｅ定律，得 尸Ｅｒ垡 一 合材料界面力学的依据。 ０ 式中： 、 广纤维弹性模量和轴向位移； 【１】蔡四维．复合材料结构力学【Ｍ１．北京：人民交通出版社，１９８７ 【２］荆凇，杨果林 匕京：科学出版社，２００２． ｓ —－ＦＲ处的轴向应变。 根据假设２，它等于复合材料的平均轴向应变。将式（５）代 人（１ｂ）得 ＝一 【３］ＣＯＸ Ｈ Ｌ．Ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｆｂｒｏｕｓ ｍａｔｅｒｉ— ａｌｓ［Ｊ］．Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９５２，３（３）：７２—７９． ２ｒ（ｍ ＩＧｒｆｌ ） ｄｚ （７ａ） 【４］高庆，康国政．短纤维复合材料应力传递的修正剪滞理论【Ｊ】．固体力 学学报，２０００，２１（３）：１９９—２０４． 对式（７ａ）取 的微分，并注意到式（６），有 出 —１ｎ（月／ｒｆ） 【５］张滇军，徐世煨．短纤维增强混凝土应力传递剪滞理论的改进［Ｊ】．工 （７ｂ， 、… 程力学，２００５，２２（６）：１６５—１６９． 令 ，则式（７ｂ）变为 ｄ２ｏ，．一作者简介 刘永胜（１９７４一），男，博士，副教授，研究方向：纤维增强水 出 ：（８）～ 泥基复合材料。 单位地址： 江西南昌华东交通大学土木建筑学院（３３００１３） 求解式（８）得 ｆ： ０＋８ｓｉｎｈ（￣／ｒ， ）＋Ｄｃｏｓｈ（ｎ，ｚ￣ｆ） （９） 联系电话： ｌ ３７６７９７７０６８ ・３５・
