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【摘 要】本文主要分析了纤维与混凝土基体粘结破坏的过程，并针对粘结模型的计算方法做以分析，希望对相关工作者更好的了解材料的性能有所帮助。
【关键词】粘结机理；纤维；混凝土
0.引言
在纤维增强复合材料中纤维与基体是通过两种材料的界面相互作用的。纤维与混凝土基体的粘结力直接影响纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂效果。纤维从本质上改变了混凝土的变形性能。详细的分析两者的受力性能来更好的了解观察材料性能。
1.粘结机理分析
短纤维加入到基体材料中与基体共同受力﹑变形。其共同作用的机理是，当载荷作用于复合材料时，载荷首先作用于基体上，由于基体和纤维在界面上存在应变差，从而产生界面剪应力。纤维对混凝土的微妙作用是相当复杂的，其情况之多变正如杂乱无章的麻绳。因为纤维与混凝土之间的粘结作用机理和钢筋和混凝土的粘结作用极其相似，所用可以选用一样的分析方法来进行研究。
纤维脱粘后并未达到极限载荷，此后纤维的拔出载荷可进一步增大位移显著增大。采用钢丝作为纤维来研究的，图（a） 中因为在纤维与混凝土存在着比较强的咬合作用力，有着脱粘后基体承载力可持续增大的现象，这种作用在经过处理的压痕纤维的表面表现得更为明显。
因此两种纤维的拔出载荷于位移关系曲线的结果均合理，分别对应于不同纤维表面形状的情况。
（a）脱粘载荷位移小于极限载荷位移 （b）脱粘载荷位移接近极限载荷位移
2.简化局部粘结-滑移模型
纤维与基体的界面区性能、纤维的表面状况以及材料性能三种因素决定了纤维与混凝土的局部粘结应力。接下来分光面纤维和压痕纤维来进行研究，因为其他端部变形的纤维没有改变粘结关系，只是锚固的作用得到了改变。
2.1光面纤维的模型
拔出位移与纤维刚体位移成正比，所以可以更高的改变纤维承载力。大部分的粘结力会忽然的下降在外载荷超过纤维拔出极限承载力时，在外表上的表现就是拔出力会降低而被拔出的位移却变多。所以图2-2（a） 的四线性模型，比较准确的反映出滑移和粘结应力的关系。
尽管四线性模型很精准的把二者的关系呈现出来，但模型中参数较多，需要结合大量的数据和数值计算来确定，所以可进一步简化为三线性模型和双线性模型。
2.2压痕纤维模型
对于压痕纤维来说，主要考虑的是纤维在被拔出过程中压痕与混凝土基体的咬合而产生的剪应力被拉升的结果。这个结果可以用下边的两个模型来表示，如图2-3所示。
2.3如何确定出粘结单元的参数
因为纤维和混凝土之间会发生相对的滑移现象，必须需要联结单元的帮助。混凝土的界面性能和纤维的界面性能不仅与混凝土的材料性有关，而且受到如纤维的外形特征，纤维的取向与外力的夹角等因素的影响。弹簧具有弹性刚度，但并无实际几何尺寸。双弹簧粘结单元形式简单，而且具有不影响来把单元进行划分的优点。
研究分析纤维单元数。
纤维自身的变形能力和刚度大小成反比，如果刚度越小的话，同时，纤维内部发生的位移也会变大，因此导致纤维上的剪应力分布变化变得也比较复杂多变。如若把纤维当成刚体，剪应力就不存在变化了，一直是均匀等值分布。在纤维与基体界面上设置粘结单元时，沿纤维长度顺长方向的单元划分的数量和单元的节点决定了粘结单元的数量。粘结弹簧的刚度等效为，单位面积的纤维与基体界面发生单位滑动时所产生的剪力。当材料的性能确定后纤维沿长度方向所划分的单元数 与粘结弹簧的刚度 成反比例的关系，但单元数越多对于以后计算纤维拔出模型需要的计算时间越多。
3.粘结力的数值模拟
对于不同的本构模型需要确定的参数也不同。不同的外载荷时纤维滑移量不同因而对应的界面刚度也不同。可以取曲线发生变化处的关键點，加载初期当拔出力较小时，主要是化学胶着力起作用，纤维内端点没有滑动，此时没有刚体位移，所以纤维的拔出位移很小。
3.1双线性模型分析
弹簧k的刚度可以从拔出的纤维的平衡值得出，计算结果为：k=347N/mm。运用纤维拔出模型得出的计算结果k可以用于参数的检验和简化模型。在有限元计算中不难发现，载荷下降段的承载力偏大是合理的。由于双线模型下降段的摩擦力比实际拔出时大，导致下降段的承载力偏大。载荷的变小是由于纤维的不断拔出引起，而不是摩擦力的降低造成的。
3.2三线性模型分析
三线性模型与双线性模型相比采用了下降段，摩擦力值降低了。所以三线性模型适用于分析纤维表面光滑，纤维与混凝土之间机械咬合作用力很小的情况。双线性模型形式简单可用于脱粘前的分析和计算。
3.3分析四线性的模型
对于表面处理后的纤维或者表面不光滑的纤维，纤维与混凝土之间机械咬合作用力直接影响到纤维脱粘，纤维承载力其实是通过提高来使得出现大的拔出位移的。这个时候只有四限行的结构才能满足。而四线性模型比较复杂，参数要有很多，需要拔出极限载荷时平研究纤维和脱粘衡来确定本构模型中的参数。
3.4计算纤维脱粘
确保纤维与混凝土共同工作的关键因素是粘结过程。纤维与混凝土之间会产生脱粘和相对滑移在纤维混凝土的受力过程中。可以通过纤维拔出试验来验证脱粘的过程。该过程中界面剪应力的分布，分为完全粘结阶段和粘结滑移阶段。界面粘结强度主要取决于纤维与基体之间的摩擦力和机械咬合作用力的大小，而摩擦力、机械咬合力的大小是由纤维和基体的材料性能决定的。改善过渡区的结构可以提高纤维与基体之间的粘结强度。可以通过减小混凝土拌和过程中的用水量和增加过渡区的密实度的方法，通过以上分析和试验结果充分说明，界面过渡区是影响界面粘结性能的最主要原因。
3.5纤维性能的影响
改变纤维表面的状况增加纤维表面的粗糙程度，可以有效地增大纤维与基体之间的咬合力，同时增加纤维端部的锚固能力可更有效的提高纤维本身的承载力。平直纤维的拔出位移远低于变形纤维的极限拔出载荷及其极限载荷所对应的拔出位移值。加入成核剂混合材料到聚丙烯中，通过改变其结晶状况，使纤维表面出现部分微孔，从而使纤维与水泥基体结合得更好。纤维在滑动时会受到滑动摩擦力的作用。摩擦力的大小与界面间的压应力是成正比的，所以对基体施加侧向压力可以提高摩擦力，从而可以增大纤维的极限拔出载荷。
4.结语
双线性模型可较好的计算纤维脱粘前的受力过程。采用弹簧粘结单元并结合适当的粘结本构模型，较精确的反应纤维与基体的相互作用。三线性模型可较好的模拟纤维表面光滑的纤维与基体的粘结。对于纤维表面粗糙的纤维则应采用四线性或更复杂的粘结模型。而增加界面粘结强度的主要途径是改善纤维与基体界面的性能和增加纤维表面的粗糙度。■
【参考文献】
[1]蔡敏，蔡四维.纤维混凝土疲劳裂纹扩展分析[J].东南大学学报，1998，28（5）：108-111.
[2]蔡四维，蔡敏.混凝土的损伤与断裂[M].北京：人民交通出版社，1999：50-55.
[3]赵建生.断裂力学及断裂物理.华中科技大学出版社，2003.
【关键词】粘结机理；纤维；混凝土
0.引言
在纤维增强复合材料中纤维与基体是通过两种材料的界面相互作用的。纤维与混凝土基体的粘结力直接影响纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂效果。纤维从本质上改变了混凝土的变形性能。详细的分析两者的受力性能来更好的了解观察材料性能。
1.粘结机理分析
短纤维加入到基体材料中与基体共同受力﹑变形。其共同作用的机理是，当载荷作用于复合材料时，载荷首先作用于基体上，由于基体和纤维在界面上存在应变差，从而产生界面剪应力。纤维对混凝土的微妙作用是相当复杂的，其情况之多变正如杂乱无章的麻绳。因为纤维与混凝土之间的粘结作用机理和钢筋和混凝土的粘结作用极其相似，所用可以选用一样的分析方法来进行研究。
纤维脱粘后并未达到极限载荷，此后纤维的拔出载荷可进一步增大位移显著增大。采用钢丝作为纤维来研究的，图（a） 中因为在纤维与混凝土存在着比较强的咬合作用力，有着脱粘后基体承载力可持续增大的现象，这种作用在经过处理的压痕纤维的表面表现得更为明显。
因此两种纤维的拔出载荷于位移关系曲线的结果均合理，分别对应于不同纤维表面形状的情况。
（a）脱粘载荷位移小于极限载荷位移 （b）脱粘载荷位移接近极限载荷位移
2.简化局部粘结-滑移模型
纤维与基体的界面区性能、纤维的表面状况以及材料性能三种因素决定了纤维与混凝土的局部粘结应力。接下来分光面纤维和压痕纤维来进行研究，因为其他端部变形的纤维没有改变粘结关系，只是锚固的作用得到了改变。
2.1光面纤维的模型
拔出位移与纤维刚体位移成正比，所以可以更高的改变纤维承载力。大部分的粘结力会忽然的下降在外载荷超过纤维拔出极限承载力时，在外表上的表现就是拔出力会降低而被拔出的位移却变多。所以图2-2（a） 的四线性模型，比较准确的反映出滑移和粘结应力的关系。
尽管四线性模型很精准的把二者的关系呈现出来，但模型中参数较多，需要结合大量的数据和数值计算来确定，所以可进一步简化为三线性模型和双线性模型。
2.2压痕纤维模型
对于压痕纤维来说，主要考虑的是纤维在被拔出过程中压痕与混凝土基体的咬合而产生的剪应力被拉升的结果。这个结果可以用下边的两个模型来表示，如图2-3所示。
2.3如何确定出粘结单元的参数
因为纤维和混凝土之间会发生相对的滑移现象，必须需要联结单元的帮助。混凝土的界面性能和纤维的界面性能不仅与混凝土的材料性有关，而且受到如纤维的外形特征，纤维的取向与外力的夹角等因素的影响。弹簧具有弹性刚度，但并无实际几何尺寸。双弹簧粘结单元形式简单，而且具有不影响来把单元进行划分的优点。
研究分析纤维单元数。
纤维自身的变形能力和刚度大小成反比，如果刚度越小的话，同时，纤维内部发生的位移也会变大，因此导致纤维上的剪应力分布变化变得也比较复杂多变。如若把纤维当成刚体，剪应力就不存在变化了，一直是均匀等值分布。在纤维与基体界面上设置粘结单元时，沿纤维长度顺长方向的单元划分的数量和单元的节点决定了粘结单元的数量。粘结弹簧的刚度等效为，单位面积的纤维与基体界面发生单位滑动时所产生的剪力。当材料的性能确定后纤维沿长度方向所划分的单元数 与粘结弹簧的刚度 成反比例的关系，但单元数越多对于以后计算纤维拔出模型需要的计算时间越多。
3.粘结力的数值模拟
对于不同的本构模型需要确定的参数也不同。不同的外载荷时纤维滑移量不同因而对应的界面刚度也不同。可以取曲线发生变化处的关键點，加载初期当拔出力较小时，主要是化学胶着力起作用，纤维内端点没有滑动，此时没有刚体位移，所以纤维的拔出位移很小。
3.1双线性模型分析
弹簧k的刚度可以从拔出的纤维的平衡值得出，计算结果为：k=347N/mm。运用纤维拔出模型得出的计算结果k可以用于参数的检验和简化模型。在有限元计算中不难发现，载荷下降段的承载力偏大是合理的。由于双线模型下降段的摩擦力比实际拔出时大，导致下降段的承载力偏大。载荷的变小是由于纤维的不断拔出引起，而不是摩擦力的降低造成的。
3.2三线性模型分析
三线性模型与双线性模型相比采用了下降段，摩擦力值降低了。所以三线性模型适用于分析纤维表面光滑，纤维与混凝土之间机械咬合作用力很小的情况。双线性模型形式简单可用于脱粘前的分析和计算。
3.3分析四线性的模型
对于表面处理后的纤维或者表面不光滑的纤维，纤维与混凝土之间机械咬合作用力直接影响到纤维脱粘，纤维承载力其实是通过提高来使得出现大的拔出位移的。这个时候只有四限行的结构才能满足。而四线性模型比较复杂，参数要有很多，需要拔出极限载荷时平研究纤维和脱粘衡来确定本构模型中的参数。
3.4计算纤维脱粘
确保纤维与混凝土共同工作的关键因素是粘结过程。纤维与混凝土之间会产生脱粘和相对滑移在纤维混凝土的受力过程中。可以通过纤维拔出试验来验证脱粘的过程。该过程中界面剪应力的分布，分为完全粘结阶段和粘结滑移阶段。界面粘结强度主要取决于纤维与基体之间的摩擦力和机械咬合作用力的大小，而摩擦力、机械咬合力的大小是由纤维和基体的材料性能决定的。改善过渡区的结构可以提高纤维与基体之间的粘结强度。可以通过减小混凝土拌和过程中的用水量和增加过渡区的密实度的方法，通过以上分析和试验结果充分说明，界面过渡区是影响界面粘结性能的最主要原因。
3.5纤维性能的影响
改变纤维表面的状况增加纤维表面的粗糙程度，可以有效地增大纤维与基体之间的咬合力，同时增加纤维端部的锚固能力可更有效的提高纤维本身的承载力。平直纤维的拔出位移远低于变形纤维的极限拔出载荷及其极限载荷所对应的拔出位移值。加入成核剂混合材料到聚丙烯中，通过改变其结晶状况，使纤维表面出现部分微孔，从而使纤维与水泥基体结合得更好。纤维在滑动时会受到滑动摩擦力的作用。摩擦力的大小与界面间的压应力是成正比的，所以对基体施加侧向压力可以提高摩擦力，从而可以增大纤维的极限拔出载荷。
4.结语
双线性模型可较好的计算纤维脱粘前的受力过程。采用弹簧粘结单元并结合适当的粘结本构模型，较精确的反应纤维与基体的相互作用。三线性模型可较好的模拟纤维表面光滑的纤维与基体的粘结。对于纤维表面粗糙的纤维则应采用四线性或更复杂的粘结模型。而增加界面粘结强度的主要途径是改善纤维与基体界面的性能和增加纤维表面的粗糙度。■
【参考文献】
[1]蔡敏，蔡四维.纤维混凝土疲劳裂纹扩展分析[J].东南大学学报，1998，28（5）：108-111.
[2]蔡四维，蔡敏.混凝土的损伤与断裂[M].北京：人民交通出版社，1999：50-55.
[3]赵建生.断裂力学及断裂物理.华中科技大学出版社，2003.