纤维增强水泥基复合材料的纤维混杂效应研究

(China Metallurgical Construction Research General Institute Co. Ltd., Beijing 100088, China)【摘 要】回顾了纤维增强水泥基复合材料的物理力学性能和研究现状，探讨分析了纤维增强水泥基复合材料的基本理论，并对

HFRCC在实验研究、杂交效应定量分析和机理研究方面的不足进行了回顾和展望。希望能对相关专业人员提供参考。[Abstract]In this paper, the physical and mechanical properties and research status of fiber-reinforced cement-based composites are

reviewed, then the basic theory offiber-reinforced cement-based composites is discussed. Finally, the shortcomings ofHFRCC in experimental research, quantitative analysis of hybridization effect and mechanism are reviewed and prospected. It is desirable to be able to provide a

reference to the relevant professionals.【关键i司】纤维混凝土；纤维混杂效应；定量分析;増强机制[Keywords ] fiber reinforced concrete; fiber hybrid effect; quantitative analysis; enhancement mechanism【中图分类号】TU525【文献标志码】B【文章编号】1007-9467 (2019) 05-0013-02[DOI] 10.13616/j ,cnki.gcjsysj .2019.05.2071纤维增强水泥基复合材料概述短纤维增强水泥基复合材料是指Ultra High Toughness

想的增强效果。2纤维增强水泥基复合材料的研究现状Cementitious Composite,简称 UHTCC 或 Engineered Cementitious Composites11^承担负荷不同和所处环境不同的建

2. 1纤维增强水泥基复合材料的动态性能研究现状对于承担动态负荷的建筑结构，材料不仅要有较强的能

筑结构对建筑材料的性能要求也不同。纤维增强水泥基材料 由于其优异的性能而被广泛使用。但是，单纯某一种纤维的加

量吸收能力，还要有足够的强度，使建筑结构有较强的承载 力。纤维增强水泥基复合材料在承担负荷方面比普通混凝土

入只能增强复合材料性能的一个方面。研究证明,不同类型的

效果更好。实验证明，混杂纤维增强水泥基复合材料在动态负

纤维对水泥基复合材料有不同的增强效果。例如，钢纤维或碳 纤维能够提高水泥基复合材料的抗拉和抗压强度，而聚乙烯

荷下的动态性能比钢纤维增强水泥基复合材料和PVA纤维 增强水泥基复合材料更强。纤维或聚乙烯醇纤维在掺入后能够显著增强其韧性。为了达 到复杂结构对材料的需求，依据复合材料知识，将2种或多种 纤维混合到水泥基复合材料中，可以使性能互补,从而达到理 【作者简介】丁 -(1984-),男，江苏启东人，高级工程师，从事高性

2. 2纤维增强水泥基复合材料抗冲击特性模型研究

现状材料的抗冲击特性是结构设计和有限元分析的重要方

面。目前，纤维增强水泥基复合材料的抗冲击特性还不足。然 而,PVAFRCC材料的拉伸抗冲击特性有应变硬化的特殊属

13能材料结构工程应用技术研究。尹程建设与浚计 _Construrtion& Design ForProject性，与一般水泥混凝土的应变软化有很大的差异，因此，成为 主要研究对象叫进行数值模拟和分析时，一般选用现有的水

混杂的研究有待加强。(2)目前,对水泥基复合材料的多尺度 特性已基本达成共识，然而，混杂纤维系统是大尺度纤维的混 合，缺少微米和纳米尺度微纤维与大纤维的混合,很难适应水

泥基复合材料抗冲击特性模型,并针对纤维水泥基复合材料 的性能和特点调整有关数据。这种方法通常不能充分反映纤 维对复合材料的增强效果，也没有明确的理论参考。因此,有 必要建立考虑纤维增强效应的水泥基复合材料抗冲击特性

泥基材料的多尺度、多阶段破坏特征。(3 )HFRCC纤维混杂效 应的定量研究是零星和不系统的，必须深入进行定量分析。现

有的研究是纤维力学性能的混杂效应。对HFRCC的耐久性和 工作性等非机械性能的纤维混杂效应进行定量分析，建立数

模型。3纤维增强水泥基复合材料的纤维混杂效应

学模型，为HFRCC在实际工程中的推广应用提供理论依据和 技术支持,是未来研究的重点叫(4)混杂纤维系统混杂效应的 机理基本上是定性解释，与纤维混杂效应的定量分析没有直

的机理3. 1基本理论复合材料理论来自复合材料物理力学中的混合定律，其

接联系。因此，如何建立清晰的数学关系需要进一步研究。(5)

纤维负混杂效应的定量研究取决于混杂纤维在水泥基材料中

强度和弹性模量相当于复合材料体中各成分(基体和纤维)的

线性累积。由于纤维在水泥基材料中的实际分布是随机且不

的分散性，这也是HFRCC未来的一个重要研究方向。(6)目

连续的，使用时，通常代入纤维长度、纤维方向和纤维基体界 面决定因数％,并给出了公式的表达式6=皿〃 “必(其中，

前，对HFRCC物理力学性能计算方法的研究主要集中在强度 计算方面，但对HFRCC纤维特征值与韧性之间的定量关系研 究甚少，延性计算也未见成果。随着高韧性、高延性纤维增强

久为剪切强度；V^a,分别为纤维材料的体积分数和应力;人、 久.分别为基体材料的体积分数和应力)。由此可见，复合材料

水泥基材料的发展,HFRCC韧性和延性计算方法的研究也需 要进一步加强。的强度随着纤维含量和纤维强度的增加而线性增加。该理论

适用于强度高、弹性模量高的钢纤维等叫4结语总之，探讨分析纤维增强水泥基复合材料的力学性能,研 究现状和纤维混杂效应的机理。明确了纤维增强水泥基复合 材料混杂效应研究和应用中需要解决的问题。为纤维增强水

3. 2纤维增强水泥基复合材料纤维混杂效应的理论

解释混杂纤维增强水泥基复合材料产生积极混杂效应的主要 原因已经被科技研究人员基本认同，即当水泥基复合材料受

泥基复合材料的混杂掺量选取提供了很好的指导。di?到应力时，不同机械性能或尺寸的纤维可以在不同阶段和不

【参考文献】【1】危春阳.混杂纤维增强复合材料的混杂效应研究进展卩］.工程塑料

同结构水平发挥作用,逐步抵抗开裂,最终在增强和增韧方面 发挥重要作用。然而，混杂纤维系统对水泥基复合材料的抗裂

应用,1987(3):25-32.［2】张博明，李嘉，李煦.混杂纤维复合材料最优纤维混杂比例及其应用

作用并不。混杂纤维系统在不同尺度上的抗裂性需要进行 更深入的断裂物理力学测试和定量分析。目前,已有研究者进

研究进展［J］材料工程,2014(7): 107-112.［3 ［张君，公成旭,居贤春.高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材料特性

行了实验研究及探索，但定量分析依旧很少，需要深入研究旳,

及应用［JJ.水利学报,2011,42(12): 1451-1461.并且只是经验判断,要定量分析准确,还必须进行光纤色散研 究。目前，已经在进行单纤维(主要是钢纤维和PVA纤维)增强

【4】张君，公成旭,居贤春，等.延性纤维增强水泥基复合材料的抗弯性能

［J］工程力学,2010,27(3):112-115.［5】姜国庆，孙伟，刘小泉.生态型工程水泥基复合材料的制备与性能研

水泥基复合材料的纤维分散性研究，由于特点不同的纤维，分 散性的表征方法不同，不同纤维之间相互影响比较突出。因此, 会非常困难，这也是将来研究HFRCC的一个重要方向。究［J］西安建筑科技大学学报,200&40( 1 ):93-100.3.3研究和应用中需要解决的问题在研究和应用过程中，需要解决如下问题:(1)实验研究 大多集中在压缩、弯曲和劈裂等物理力学性能方面，关于纤维

【收稿日期】2019-02-1514