论文总字数：33450字

摘 要

将钢纤维掺入混凝土是改良混凝土性能的有效途径，其在混凝土本身长处之上，加强了其抗裂、抗拉、抗弯等性能，改变了其原本脆性易裂状态，提高了其在各种复杂外界条件下的使用寿命。钢纤维混凝土微观力学性能的重点是界面的粘结性能，通过纤维的拉拔试验可以测出界面的粘结性能，但是只通过试验测定存在一定程度上的不足。本文用实验研究结果和理论分析相结合的方法，分析了纤维拉拔过程中最大拉拔力。主要研究内容如下：

整理分析了单纤维拉拔过程中的力学模型，给出了各个力学性能的表达式。

基于搜集的试验数据对三种单纤维拉拔模型进行了验证，研究了各个模型拟合的程度及影响因素。

通过数值分析结果，比较试验参数，提出修正系数，对其中一种纤维拉拔模型得出的理论结果进行了修正。

关键词：钢纤维混凝土；单纤维拉拔试验；最大拉拔力；模型修正

Abstract

Adding steel fiber into concrete is an effective way to improve the performance of concrete. On the basis of concrete's own advantages, steel fiber enhances its crack resistance, tensile resistance and bending resistance, changes its original brittle state and improves its service life under various complex external conditions. The bonding property of the interface is the core of the micromechanical properties of steel fiber concrete. In this paper, the maximum drawing force in the process of fiber drawing is analyzed by combining the experimental results with theoretical analysis. The main research contents are as follows:

1. The mechanical model in the drawing process of single fiber was analyzed, and the expressions of mechanical properties were given.

2. Based on the collected experimental data, three single fiber drawing models were verified, and the fitting degree and influencing factors of each model were studied

3. Through the numerical analysis results, the experimental parameters were compared, and the correction coefficient was proposed. The theoretical results of one of the fiber drawing models were modified.

Key words:Steel fiber concrete;Single fiber drawing test;Maximum drawing force;Model updating

目录

中文摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 4

1.1 水泥基材料综述 4

1.2 纤维增强水泥基材料研究现状及存在的问题 6

1.3 钢纤维混凝土的应用 7

1.4 本论文的研究工作 8

第2章 钢纤维与混凝土的介绍 9

2.1 钢纤维的分类与性能 9

2.2 钢纤维的特性参数 10

2.3 钢纤维混凝土的粘结性能 11

2.4 钢纤维混凝土的破坏机理 11

第3章 纤维拉拔模型及理论分析 13

3.1 钢纤维与混凝土间的轴向粘结拔出模型 13

3.2 纤维轴向拉拔模型验证 18

3.2.1 Yun Lee纤维拉拔模型验证 18

3.2.2 李凡凡纤维拉拔模型验证 21

3.2.3 王红霞纤维拉拔理论模型验证 23

3.3 纤维拉拔模型的改进 26

第4章 结论与展望 32

4.1 结论 32

4.2 展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1849年钢筋混凝土材料的问世揭开了人类建筑历史暂新的序幕，随后出现的预应力混凝土的各种力学性能均明显优于钢筋混凝土，于是出现了许多混凝土应用的新领域。如今，伴随着建筑技术的快速发展，混凝土材料的性能逐渐无法满足人们生产活动的需要，后来经验表明，混凝土的性能能通过在其掺入纤维来改善。以混凝土科学、混凝土细观力学、混凝土断裂力学为代表的学科在水泥基复合材料发展过程中逐渐形成了，这些使人们能更好的去探究水泥基材料组成结构与其性能的关系。

钢纤维混凝土SFRC(Steel Fiber Reinforced Concrete)是在混凝土中掺入一定量钢纤维从而提高其性能的水泥基复合材料。其在混凝土性能基础之上，增强了其抗裂、抗拉、抗弯等性能，改变了其原本脆性易裂状态，提高了其在各种复杂外界条件下的使用寿命。

1.1水泥基材料综述

水泥基材料由于其使用的抗拉强度、抗弯强度低，抗裂性能不理想，其耐久性一直存在着严重的问题，这些因素通常会导致不可控制的建筑物破坏，形成不可挽回的经济损失。所以，其在我们生产使用范围里应用受限。而通过在纤维中掺入混凝土，得到的复合材料具有杰出的抗拉，抗裂性能，是增强混凝土性能的有用方法。

从普通性到高性能，再朝超高性能不断向前发展是水泥基复合材料的发展历史。同样，人们对混凝土的传统观念也逐渐产生了变化，水泥基复合材料是混凝土通过复合技术，在其原有抗压强度高的优点上，加强其抗拉、抗裂、抗弯性能的高强度材料。水泥基复合材料的出现也带来了两个新的问题和研究方向，一个是需要建筑结构的计算和结构理论要与之相适应。另一个是水泥基复合材料新的应用领域，其材料的超强性能甚至能与某些高分子材料媲美，因而进入了高新技术领域^[1]。

从混凝土强度的发展历史来看，以前，混凝土的抗压强度仅仅只有25MPa，而现在日常使用的混凝土抗压强度在25~50MPa,一些重要特殊建筑也有采用更高强度的混凝土材料。现在也有许多国家如美国，日本等研制出强度在200~600的超强混凝土。日本通过在水泥基中加入高效减水剂和硅灰成功配制出抗压强度高达250MPa的高强混凝土，其中的关键在于高效减水剂的质量。

显然发展高强度混凝土单单提高其抗压强度是完全不够的，更加重要的是改变其脆性特征，只提高其抗压强度，如果不采取相应的措施，其脆性特征会更加明显，导致混凝土发挥不了原本的高强性能。因此，我们需要采用复合技术提高水泥基材料的拉压比，提高其韧性，使混凝土在其破坏过程中吸收更多的能量。

目前常见的水泥基复合材料有：（1）钢筋混凝土（2）纤维混凝土（3）纤维混凝土（4）自应力混凝土。在提高材料韧性上，纤维性复合材料的增韧效果远比粒子型复合材料突出，所以目前纤维增强复合材料日常应用的更多。

下面介绍几种经典纤维增强混凝土^[2]：

钢纤维增强水泥基材料

常见的钢纤维增强混凝土有：普通钢纤维混凝土、灌浆纤维增强混凝土。两者区别在于纤维含量的不同，普通钢纤维混凝土一般为2%以下，而灌浆的纤维增强混凝土为4%到20%之间。在施工工艺上，普通振动是普通钢纤维增强混凝土成型方法，而灌浆纤维增强混凝土采取的是压力灌浆法。与普通混凝土材料相比，钢纤维混凝土性能提升最大的是抗拉韧性与极限延伸率。

上世纪60年代美国首先开始研究并应用钢纤维增强混凝土。纤维混凝土具有优秀的抗弯抗裂性能，因此，其迅速发展成广泛应用的材料。一般来讲，钢纤维的长径比为25到100之间，体积率在0.25%到0.75%之间，钢纤维一般为乱向散布在混凝土中。

不同钢纤维的含量下，纤维混凝土的性能也不同。试验表明，1%含量的钢纤维能使混凝土抗拉强度增强19%到79%;2%含量的钢纤维能使混凝土抗拉强度增强32%到92%。

（2）合成有机纤维增强水泥基复合材料

合成有机纤维的抗拉强度高，耐腐蚀性能好，其能大幅度提高混凝土的使用寿命，所以近年以来发展十分迅速。由于其弹性模量偏低，现在研究主要围绕提高其弹性模量，达到增韧效果。从目前发展来看，有许多发达国家已经成功用树脂胶结高强度纤维代替混凝土中的钢筋，使新的水泥基复合材料有良好的强度性能以及韧性。

（3）碳纤维增强水泥基材复合材料

目前一大研究方向是高弹性模量、耐腐蚀、高强度的碳纤维增强水泥基复合材料。碳纤维有聚丙烯晴、沥青两种。聚丙烯晴系列可分为高强、高弹、中强三种，沥青系列包括通用型、高性能型两种。碳纤维能起到良好的阻裂增韧效果，是制得高性能水泥基复合材料的途径之一。碳纤维不像钢纤维那样容易锈蚀，也不会像玻璃纤维在高碱度强度下受损，是十分理想的纤维材料。试验表明，钢纤维掺量在2%~3%时，混凝土韧性可以提高20倍^[3]。

日常应用中，碳纤维混凝土可以应用在地面、屋顶防水层，还可以做成电磁屏蔽砌块。在预应力桥梁方面，用碳纤维代替钢丝索可以使施加预应力为0.65倍的强度极限应力，而应力幅可以提高至用钢丝索的三倍。例如日本已经成功应用碳纤维材料制成3座预应力桥梁。

1.2纤维增强水泥基材料研究现状及存在的问题

早在20世纪初，有苏联专家将钢纤维掺入混凝土中增强其性能，这是钢纤维混凝土发展历史的起点。此后40年代，美国，英国，法国等先后发表了钢纤维制造工艺以及一系列钢纤制造的专利，50年代苏联学家提出联系变形理论，其认为纤维与混凝土的共同变形能起到均匀分布变形的作用，变形产生的裂缝的宽度不会影响混凝土的抗腐蚀性能。我国也有学者研究发现纤维的长径比、两者界面的粘结力、纤维数量、两者本身的性能强度这4个因素是保证纤维与基体协调和充分发挥材料性能的关键。

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