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纤维对混凝土增强理论 　　摘要：纤维混凝土是一种性能优良且应用广泛的新型复合材料。在混凝土中掺加纤维,既保留了新拌混凝土优异的工作性能，又能增加其抗拉强度、弯曲韧性等力学性能，符合新型建筑材料的要求。本文论述了纤维对增强混凝土结构性能的一些基本理论。 　　关键词：混凝土；纤维；增强理论 　　中图分类号： Q539 文献标识码： A 文章编号： 　　1纤维对混凝土的作用 　　1.1阻裂作用 　　纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展，这种阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段，也存在于混凝土的硬化阶段。水泥基体在浇注后的24 小时内抗拉强度低，若处于约束状态，当其所含水分急剧蒸发时，极易生成大量裂缝，此时，均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力，从而阻止或减少裂缝的生成。混凝土硬化后，若仍处于约束状态，因周围环境温度与湿度的变化，而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。 　　1.2 增强作用 　　混凝土不仅抗拉强度低，而且因存在内部缺陷而往往难于保证。当混凝土中加入适当的纤维后，可使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度及疲劳强度等有一定的提高。 　　1.3 增韧作用 　　纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可横跨裂缝承受拉应力，并可使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标，一般用混凝土的荷载——挠度曲线或拉应力——应变曲线下的面积来表示。另外，还可提高和改善混凝土的抗冻性、抗渗性以及耐久性等性能。应该强调的是纤维混凝土中纤维的作用。并非所有纤维都能同时起到以上三方面的作用，有时只起到其中两方面或单一方面的作用，这与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的黏结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素密切相关。 　　2纤维增强混凝土的基本理论 　　2.1 纤维间距理论 　　纤维间距理论是1963年由美国J.P.Romualdi, J.B.Batson和J.A.Mandel等[1-3]人提出来的一种阐述纤维增强混凝土的理论。该理论是在线弹性断裂力学基础上，假定混凝土的破坏是因???其内部的微裂纹、微孔洞等初始缺陷，在外力作用下产生的应力集中造成的。钢纤维混凝土的增强效果与纤维间距有关，采用如图2.1所示的模型来说明混凝土中掺入纤维后强度提高的原因。 　　 　　 　　图2.1 纤维间距理论模型 　　 　　假定单向连续纤维增强混凝土的纤维在拉应力方向呈棋盘状分布。设纤维平均间距为s，半径为a的裂纹发生在四根纤维所围成的区域中心。由于拉应力的作用，在临近裂缝的纤维周围将产生如图2.1所示的粘结力分布，起着约束裂纹开展的作用。 　　根据Griffith理论，由于存在粘结应力，裂缝尖端的总应力强度因子为 　　 　　 　　式中： 　　——外力作用下无钢纤维时的应力强度因子； 　　——钢纤维掺入后粘结应力产应力强度因子； 　　——沿纤维方向施加的均匀拉应力； 　　——纤维阻裂产生的反向应力。 　　若为临界应力强度因子，当时，材料发生断裂破坏。Romualdi根据试验得到钢纤维混凝土的抗拉强度计算公式为 　　 　　式中： 　　为钢纤维混凝土的抗拉强度； 　　为与裂纹形状有关的常数； 　　纤维间距理论是一种经验型的钢纤维混凝土增强理论。虽然它是一种大家非常熟悉钢纤维混凝土增强理论，但其本身也存在一些明显的缺陷。首先，它忽略了纤维自身的复合增强效应，其次纤维间距理论忽略纤维长度对增强效果的影响。因此只能定性地对纤维增强原理作一物理上的阐述。 　　2.2界面应力传递的剪滞理论 　　一般当纤维长径比减小时，纤维与周围基体的应力、应变场因纤维的不连续发生了改变，纤维对基体的增强效果下降，短纤维端部应力和分布对短纤维复合材料性能的作用逐渐显得重要。1952年，H.L.Cox为求解复合材料的界面应力，提出了所谓的剪滞理论，其基本原理是纤维受到的轴向应力由其界面上的剪应力来平衡[4-5]。基本假定如下： 　　(1)基体与纤维都保持在弹性范围内； 　　(2)界面厚度无限小； 　　(3)纤维与基体的界面为理想粘结，即界面上应变连续； 　　(4)纤维周围材料的性能不受界面的影响； 　　(5)纤维呈有规则排列。 　　通过假定，可求出在基体上作用有平行于纤维方向的应力作用下，纤维长度方向z处（如图2.2所示），纤维的拉应力和界面剪应力： 　　 　　 　　式中： 　　 　　——纤维半径； 　　——基体应变； 　　——纤维的弹性模量； 　　Gm——基体的弹性剪切模量； 　　、——纤维的拉应力和界面剪应力。 　　 　　 　　 　　图2.2z位置处纤维拉应力和界面剪应力图