复合式、层布式钢纤维高强混凝土受弯增强机理分析--中国期刊网

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复合式、层布式钢纤维高强混凝土受弯增强机理分析

发表时间：2020/10/29 来源：《基层建设》2020年第21期作者：孙健

[导读] 摘要：本文通过对复合式钢纤维高强混凝土以及层布式钢纤维高强混凝土两种钢纤维增强混凝土的抗压、劈裂、弯拉破坏特征的过程分析，探究复合式、层布式钢纤维高强混凝土受弯增强机理，了解在不同结构形式下，钢纤维在混凝土中的工作性能，对钢纤维混凝土的应用与发展具有重大的意义。

        重庆交通大学重庆 400000
        摘要：本文通过对复合式钢纤维高强混凝土以及层布式钢纤维高强混凝土两种钢纤维增强混凝土的抗压、劈裂、弯拉破坏特征的过程分析，探究复合式、层布式钢纤维高强混凝土受弯增强机理，了解在不同结构形式下，钢纤维在混凝土中的工作性能，对钢纤维混凝土的应用与发展具有重大的意义。
        关键词：钢纤维混凝土；抗弯承载力；增强增韧；钢纤维阻裂
        引言
        为了提升混凝土的综合性能，研究者在基体混凝土中掺入一种或多种纤维，得到了纤维增强混凝土。这些纤维的存在，有效缓解了混凝土材料的脆性，增强了混凝土力学性能。复合式钢纤维混凝土是由钢纤维混凝土与素混凝土分层浇筑，进而形成一种复合结构形式的钢纤维混凝土；层布式钢纤维混凝则是在距构件底部一定高度位置处集中铺撒一层钢纤维。在延续了钢纤维混凝土各类优点的同时降低了钢纤维的使用量，从而控制了纤维混凝土的整体造价成本，提升了混凝土结构中各种材料的利用率。
        1、复合式、层布式钢纤维混凝土的破坏特征
        1.1复合式钢纤维混凝土的破坏分析
        1.1.1复合式钢纤维混凝土抗压破坏特征分析
        复合式钢纤维混凝土在抗压破坏过程中，上部素混凝土裂开导致上表面扩张，下表面由于钢纤维混凝土层明显的约束作用，受压过程中仅在试块顶面有碎块掉落，形态相比破坏前变化不大，破坏后整个试块形态呈现倒置梯形，整体性良好[1-2]。
        1.1.2复合式钢纤维混凝土劈裂抗拉破坏特征分析
        素混凝土受到劈裂破坏时试块沿断口列成两块[3-4]，复合式钢纤维混凝土在受劈裂破坏时，沿底部中心劈裂点形成多条放射状非贯穿裂缝。上部混凝土裂开膨胀，而底部混凝土形态变化不大。
        1.1.3复合式钢纤维混凝土弯拉破坏特征分析
        复合式钢纤维混凝土受弯拉作用时，当荷载不断增加，基体混凝土先在试块受拉底部出现细微裂缝，直至基体混凝土应力值达到极限，构件底部的钢纤维混凝土承担大部分拉应力。当荷载达到极限，部分钢纤维开始从基体混凝土中被拔出，裂缝逐渐向上扩展，直至钢纤维混凝土层不再承担弯拉应力，试块完全破坏，破坏后的试块依然保持整体性。
        1.2层布式钢纤维混凝土的破坏分析
        1.2.1层布式钢纤维混凝土抗压破坏特征分析
        由于在距离构件底部一定高度处布置有钢纤维，试块底层的应力分布得到改变，试块在抗压破坏过程中钢纤维限制底层混凝土的扩张，因此试块保持了大致的整体性，仅在部分侧面有少量混凝土碎屑剥落。
        1.2.2层布式钢纤维混凝土劈裂抗拉破坏特征分析
        与素混凝土受到劈裂破坏时在劈裂面处形成一条较为整齐的贯穿裂缝不同，层布式钢纤维混凝土在受到劈裂破坏时沿着劈裂面形成一些非贯穿裂缝，裂缝展开幅度越靠近底部越小，且在开裂后试块还能继续承受一定的荷载，最终破坏情况取决于钢纤维层的钢纤维拔出。
        1.2.3层布式钢纤维混凝土弯拉破坏特征分析
        层布式钢纤维混凝土试块在开裂后，弯拉应力将主要由钢纤维层与基体混凝土之间的粘结力来承担。试块不会发生脆性破坏，底部裂缝随底层钢纤维的拔出逐渐开展，直至裂缝贯穿，破坏最终态试块不完全断裂。
        2、增强增韧机理分析
        在混凝土中加入钢纤维能有效改善混凝土基体的缺陷，钢纤维的存在有效地控制了裂缝的产生和进一步的扩展。不仅增强了混凝土力学性能，在改善基体脆性、增强基体的韧性、阻裂性能方面也有非常明显的效果。
        2.1钢纤维的增强机理
        钢纤维对混凝土的增强机理，是阐明钢纤维具体作用的基础，如今较为成熟的两种分析方法为纤维间距理论与复合材料力学理论。
        （1）纤维间距理论
        1963年J.P Romualdi和G.B.Batson以断裂力学为基础提出了纤维间距理论，当钢纤维存在时，其与混凝土基体的粘结力能够抑制微裂缝的开展，基体开裂程度降低与裂缝数量的减少使得整个基体的承载力得到增强。破坏过程中，裂缝引发以及裂缝延伸开展对材料本身性能的影响都进一步减轻，纤维增强增韧作用表现明显。
        （2）复合材料力学理论
        将纤维与混凝土两相看做一个纤维强化混凝土体系，以复合材料混合原理为基础来评估整个体系的应力大小与材料强度。在应用此原理时考虑到混凝土本身的非均质性以及钢纤维分布不完全均匀的实际情况，复合材料理论在进行钢纤维混凝土性能计算时将钢纤维假定为均匀沿受力方向排列，且将基体混凝土看做均质体不考虑纤维与基体的滑移。计算时整个体系的受力为各相材料的受力之和，即：
                                   （3）
        式中Ffc—整体的受力
        Ff—纤维相的受力
        Fm—基体相的受力
        由力与应力换算关系，除去相应的截面面积：
                    （4）
        从式（4）分析可知，当纤维单向均匀分布来承担应力时，纤维混凝土的应力大小为纤维掺配率与纤维承担应力的乘积与混凝土基体应力与基体截面占比的百分率乘积之和。在钢纤维混凝土中，钢纤维与基体之间的粘结力提供截面拉应力，因此可建立钢纤维粘结力与复合体拉应力的关系，如式（5）所示：

        式中 τ——两相材料的平均粘结力
        ηl ——材料间的粘结长度系数
        df ——纤维直径
        lf ——纤维长度
        正常情况下纤维粘接长度在0到0.5 lf之间，结合（5）式根据统计与数据分析方法确定平均粘接长度为 0.25 lf。取ηl表示实际粘接长度值与平均粘结长度的比，因此有

        则方向系数为：
                         （7）
        对于CSFRC而言，三维纤维分布时，纤维落在球内与x轴方向夹角随机概率是相等的，所以落在与x轴成角的位置上的概率可用球台侧面积与半球面积之比表示，即有：
                            （8）
        因此，在最终引入方向有效系数后，LSFRC复合体拉应力关系的公式可以表示为：
                        （9）
        CSFRC复合体拉应力关系的公式可以表示为：
                          （10）
        3、结论
        对层布式钢纤维混凝土及复合式钢纤维混凝土试件的立方体抗压破坏、劈拉破坏以及弯拉破坏形态进行了分析总结，无论钢纤维以层布或者复合的形式布置在混凝土试块底部，均能较好地改善混凝土材料的脆性，增强其阻裂性能。从理论上对钢纤维不同分布形式的增强增韧作用进行分析，并通过复合材料力学理论对钢纤维的阻裂效果进行了机理探究。
        参考文献：
        [1]赵军，高丹盈，朱海堂.钢纤维高强混凝土抗压性能试验研究[J].新型建筑材料，2005（1）：24-27.
        [2]赵秋山，徐慎春，刘中宪.钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟[J].复合材料学报，2018（6）：1661-1673.
        [3]曲嘉.钢纤维混凝土劈拉强度的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.
        [4]张丽娟，高丹盈，朱海堂，等.钢纤维再生混凝土劈拉强度试验研究[J].华北水利水电学院学报，2013（1）：27-31.