纤维混凝土增强机理研究进展

纤维混凝土增强机理研究进展

刘雨

（四川大学，四川成都610200）

摘要：介绍了纤维混凝土增强机理的几种理论，结合各个理论的优缺点，推荐使用J积分理论解释纤维混凝土的增强机理。

关键词：纤维混凝土；增强机理

引言

随着我国经济的高速发展以及对基础建设和现代化建设的大力投入，中国已经成为了世界上混凝土用量最大的国家。相应的，人们对混凝土的性能要求也越来越高，越来越多的高性能纤维增强混凝土在实际工程中被投入使用。纤维增强混凝土简称为纤维混凝土，它是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体,以连续或非连续的金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维作为增强材料组成的水泥基复合材料[1]。纤维的加入能有效减少混凝土的收缩和裂缝，增加混凝土的韧性，提高混凝土的抗拉强度，改善混凝土的抗渗性、抗冻性以及塑性收缩性能，特别对混凝土的抗冲击和疲劳等动载性能的改善作用明显。然而纤维如何增强混凝土的理论研究还不完善，本文重点介绍了复合材料理论、纤维间距理论、多裂缝开裂理论以及J积分法。

1复合材料模型理论

复合材料力学理论又叫混合率法则[2]，其理论基础是将纤维混凝土简化成以混凝土为一相，以纤维为一相的两相复合材料。其性能为两相单独性能的叠加值。其基本假定是：纤维连续均匀排列，其方向与受力方向一致；纤维与基体粘结完好，两者产生相同的应变，无相对滑动；纤维与基体均为弹性变形，且横向变形相等。当基体开裂后，纤维混凝土不再具有弹性材料的性质，因此该理论只适用于未开裂的纤维混凝土结构。

2纤维间距理论

1963年J.P.Roumuadi和B.Batsn提出纤维间距理论[3]，也叫纤维阻裂理论，该理论建立在线弹性断裂力学的基础上。混凝土内部存在不同尺度的微裂缝、空隙和缺陷，在承受外力荷载时，裂缝尖端应力集中，引起裂缝的扩展。加入纤维后，纤维与基体的粘结力对裂缝尖端产生一个反向的应力场，从而降低裂缝尖端的应力集中程度，从而阻止了裂纹的产生和扩展。此时，裂缝尖端产生一个与基体裂缝尖端相反的应力强度因子，总应力强度因子降低。

但是纤维间距理论在学术上有较大的争议[4]，因为该理论存在一下一些问题：该理论只适用于长纤维（L>3mm）；忽略了纤维与基体的粘结强度和纤维长度的影响；不能解释纤维间距大于25.4mm的情况；纤维在混凝土中不可能均匀分布。

虽然纤维间距理论存在这些缺陷，但是该理论可以较为合理的解释纤维的存在可以阻止裂纹在基体中的扩散，从而改变基体“一断即裂”的损伤历程。

3ACK模型理论

纤维增强水泥基复合材料的多缝开裂模型，简称为ACK模型，由英国学者Aveston、Cooper和Kelly[5]最先提出，该模型假设：纤维具有高模量、高延性、高体积率，并且一维均匀的分布在基体中，在拉应力的作用下多裂缝开展，且开口为稳态裂缝，纤维混凝土破坏时，纤维被拔出。

但是实际工程中，纤维是乱向随机分布的，且纤维混凝土破坏时可能是纤维扒断破坏或拔出破坏。虽然ACK模型存在这些缺陷，但是其促进了多缝开裂模型的发展及完善，推动高性能纤维增强水泥基复合材料在工程应用中的发展。

Li[6]等人结合断裂力学和多缝开裂理论，提出了J积分法。当纤维与基体之间的界面粘结很强时，纤维除了拔出破坏之外，很大一部分是发生拉断破坏，而且短纤维在在混凝土基体中是乱向随机分布。由于纤维的取向不同，其在受拉过程中对裂缝的阻抗作用也不同。并且，纤维在受拉过程中由于切割的作用，其表面摩擦阻力会逐渐减小，所以还应考虑摩擦力的衰变。结合应力-应变曲线，运用J积分理论可以对比研究普通混凝土和纤维混凝土的初裂强度。

3结论

纤维增强混凝土性能机理的研究对推动高性能纤维混凝发展起着至关重要的作用。通过文中的对比，在今后的实践应用中，本文推荐使用基于断裂力学和多缝开裂理论的J积分理论来解释其增强机理。

参考文献

[1]黄承逵.纤维混凝土结构究[M].北京：机械工业出版社，2002

[2]赵国藩.钢纤维混凝土结构[M].1999.

[3]汉南特编.纤维水泥与纤维混凝土[M].中国建筑工业出版社,1986.

[4]李秋义,李家和,杨向宁.SFRC纤维间距理论存在的问题[J].混凝土,2003(2):14-16.

[5]AvestonJ,KellyA.Theoryofmultiplefractureoffibrouscomposites[J].JournalofMaterialsScience,1973,8(3):352-362.

[6]LiVC,LeungCKY.Steady-stateandMultipleCrackingofShortRandomFiberComposites[J].JournalofEngineeringMechanics,1992,118(11):2246-2264.

作者简介：刘雨（1992.07—），女，四川省眉山市人，成都市双流区四川大学建筑与土木工程专业研究生。