纤维对混凝土材料的增强机理
混凝土是现代最重要的结构材料。但其自重大、脆性大、抗拉强度低等一系列的弱点却限制了它的发展。长期以来,许多国内外的专家学者都致力于探索改善混凝土性能的研究,最 终将纤维定为增强混凝土性能的核心。根据国内外大量的试验研究发现,在混凝土中掺入适量的高弹性模量的纤维可明显提高基体强度,而掺入适量的低弹性模量高延性的纤维可明显提高基体的韧性。但由于混凝土自身具有多相、多组分、多尺度层次的非均质结构特性,掺入单一纤维只能从某个方面起到增强作用,难以同时改善多方面的性能;而不同性质和不同尺度 的纤维混杂,使其在混凝土中不同结构和不同性能层次上逐级强化与增韧,充分发挥各种纤 维的尺度和性能效应,在不同尺度和性能层次上进行优势互补,提高了增强效果。混杂纤维 混凝土(Hybrid Fiber Reinforced Concrete,缩写为HFRC)是一种既能发挥不同纤维的优点 ,又能体现它们协同效应的新型复合材料,可显著提高或改善原先单一纤维混凝土的若干性 能,并可降低其成本。随着材料科学与工程的发展,混凝土复合材料正朝着高性能、又经济 的方向发展,混杂纤维混凝土的研究日益为国内外学者所密切关注。
1. 纤维增强机理
对于纤维增强混凝土的机理,一般有两种理论[1]:一种是复合力学理论,另一种 是纤维间距理论。
2.复合材料力学理论
在复合力学理论中,把纤维增强复合材料视为多相体系,在弹性范围内,复合材料的强度和弹性模量性能即为复合体内各相性能的叠加。该理论论述了纤维混凝土的强度同纤维与基体的粘结力、纤维的长径比的关系,同时考虑了纤维在基体中的连续性、分散均匀性和分布方向对增强效果的影响。
3.纤维间距理论
纤维间距理论是建立在弹性断裂力学基础上,该理论认为混凝土内部本身存在尺度不同的微裂缝、空隙和缺陷,在外力作用下,由于孔、缝部位产生应力集中,使得裂纹扩大,最终导致结构破坏;而纤维的加入有效地提高了基体阻止裂缝发生和扩展的能力,达到纤维对混凝土的增强目的。即假定混凝土基体内部存在有发生微裂缝的倾向,当任何一条微裂缝发生、 并且可能向任意方向发展时,在纤维平均间距的范围内,接近裂缝的纤维由于与基体的粘结力的作用,对裂缝尖端产生一个反向的应力场,降低裂缝尖端的应力集中,对裂缝的发展起到约束作用。
4. 混杂纤维增强理论
混杂复合材料是由两种或两种以上材料构成,属于复合材料的一种特殊类型,通常是用两种纤维来增强同一种基体。混杂纤维的增强机理同样可以用上述两种理论来解释,并且要进一步考虑多种不同性质的纤维同时掺入混凝土中,会产生混杂效应、协同效应和超叠加效应。
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