1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 混掺精细钢纤维 纤维水泥基复合材料单轴拉伸试验及本构关系刘雁宁，李辉，李海旺（武汉大学土木建筑工程学院，武汉 ；山西职业技术学院艺术设计系，太原 ；太原理工大学土木建筑工程学院，太原 ）摘要：为了研究精细钢纤维与聚乙烯醇（，）纤维掺量对纤维水泥基复合材料抗拉力学性能的影响，进行了组 个精细钢纤维 纤维混杂水泥基材料试件的单轴抗拉试验，测得其应力应变曲线及相关抗拉力学性能指标。试验和分析结果表明，含 精细钢纤维试件的初裂强度为 ，峰值强度为 ，分别略低于最大值 与 ，但峰值应变为最大值 ，材料韧性优于其他试件。过多的精细钢纤维不利于纤维发挥其增韧作用。基于
2、试验数据建立了适用于混掺精细钢纤维 纤维水泥基材料的单轴拉伸应力应变本构模型，模型拟合结果与试验曲线吻合良好。关键词：精细钢纤维；纤维；水泥基材料；单轴拉伸；本构模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，；.，；.，）：（），：；收稿日期：基金项目：山西省重点研发计划项目（）第一作者：刘雁宁（），女，副教授，主要研究方向为高性能混凝土结构，混凝土是目前用量最大和应用最为广泛的建筑材料，但其存在抗拉强度低、易开裂的缺点。提高混凝土抗裂力学性能的常用方法是在混凝土中掺入各类纤维。近几十年来，纤维水泥基材料的相关试验和理论一直是土木工程领域的研究热点，尤其是本
3、构模型的研究。材料本构模型的确定有利于提高结构设计的可靠性和准确度。目前，经典的纤维水泥基材料本构模型研究思想在于将理论分析与试验相结合，利用理论分析建立本构模型的基本形式，再利用试验得到的应力应变数据标定模型参数，从而模拟不同类型混凝土材料的应变软化行为。在此方面，国内外学者取得了许多研究成果。过镇海等采用单调、循环荷载，从试验出发模拟并得到了混凝土服役期间的应力应变全过程曲线。钟光淳等进行了混凝土单轴抗拉、抗压试验，得到了材料相应的应力应变曲线和相关力学性能指标，进而提出了纤维混凝土材料的单轴抗拉和抗压本构模型。毕继红等建立了钢纤维混凝土有限元模型，通过与试验数据进行对比，确定了考虑混凝土
4、与钢纤维粘结作用的本构模型。然而，目前大多数纤维本构模型主要适用于普通钢纤维与 纤维混杂的水泥基材料，关于具有更加优越阻裂性能的精细钢纤维与 纤维混杂水泥基材料本构模型的研究较少。本文采用精细钢纤维与 纤维混杂增强增韧技术，制备出具有第期刘雁宁，等：混掺精细钢纤维 纤维水泥基复合材料单轴拉伸试验及本构关系高抗拉强度和优良抗变形性能的混杂纤维水泥基材料，通过单轴拉伸试验 分析精细钢纤维掺量对混掺精细钢纤维 纤维试件应力应变曲线及抗拉力学特性的影响，根据试验结果提出适用于该材料的单轴拉伸本构模型，以期为现行纤维混凝土相关规范及该类混掺钢纤维混凝土工程设计提供试验依据和数据参考。试验材料与方法 基体
5、材料试验采用的材料主要有华新堡垒 普通硅酸盐水泥，级粉煤灰（目）、石英砂（目，质量分数为 ）等矿物材料，以及聚羧酸盐类高效减水剂。按照水泥:粉煤灰:石英砂:水:减水剂:的质量比例混合制备试件。纤维材料试验选取国产端勾型精细钢纤维 和 纤维作为纤维增强材料，种纤维的基本物理参数见表，试件配合比见表。表精细钢纤维与 纤维的基本物理参数 纤维长度直径抗拉弹性模量 抗拉强度 密度（）精细钢纤维 纤维 表混掺精细钢纤维 纤维水泥基体哑铃状试件配合比 试件分组水泥 粉煤灰 石英砂 水 减水剂 纤维体积分数钢纤维体积分数 注：和分别表示精细钢纤维和 纤维，数字为纤维掺量，如 表示 纤维和 精细钢纤维混掺。试
6、件制作已有研究表明，制备混掺纤维试件时，纤维体积掺量总和不宜超过，否则易造成纤维分散困难，出现结团现象 。因此，本次试验采用 的 纤维与不同体积掺量的精细钢纤维进行混掺。具体试验过程如下：首先采用行星式水泥砂浆搅拌机将水泥、粉煤灰、石英砂干拌 ，然后加入水和高效减水剂的混合物搅拌 ，再均匀加入 纤维并搅拌 ，之后加入精细钢纤维再搅拌 ，直至均匀，最后浇筑成型。参照 高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法（），每组配合比下的新拌材料成型个试件，试件平面尺寸如图所示，厚度为。自然养护，拆模后水养至，取出试件晾干，测试材料的拉伸性能。图试件尺寸 单轴拉伸试验为了测试材料的拉伸性能，本文采用 电
7、子万能试验机进行加载，采用位移控制的加载方式，加载速率为 。试验加载装置如图所示。试件的测试标距为，通过力传感器和位移计记录加载过程中拉伸荷载与试件变形之间的关系，试件破坏形态如图所示。图单轴拉伸试验装置 图试件破坏形态 中 国 科 技 论 文第 卷结果与讨论 精细钢纤维掺量对应力应变曲线的影响各组混掺精细钢纤维 纤维试件单轴拉伸应力应变曲线如图所示。可知，试件应力应变曲线整体呈单峰值状，大致可以分为个阶段：）加载初期，荷载与挠度同时增大，曲线斜率基本保持不变；）在荷载达到试件初裂强度后，荷载与挠度仍保持上升趋势，但曲线斜率逐渐减小；）荷载达到峰值后，出现下降趋势，但挠度仍继续增大直至破坏。图
8、试件单轴拉伸应力应变曲线 在第一阶段，各组试件曲线斜率基本相同，精细钢纤维掺量变化对应力应变曲线影响较小。精细钢纤维掺量对曲线第二阶段特征影响较大，其中精细钢纤 维 体 积 掺 量 分 别 为 和 的 试 件 、的应力应变曲线第二阶段特征最为明显，而 精 细 钢 纤 维 体 积 掺 量 分 别 为 和 的试件 、的第二阶段特征最不明显。各曲线第三阶段特征均较为明显，各曲线斜率相差不大。但第三阶段曲线长度受到精细钢纤维掺量的影响，随着精细钢纤维掺量的变化，呈现先上升后下降的趋势。其中试件 第三阶段持续时间最长，试件 次之，持续时间最短的是试件 和 。精细钢纤维掺量对受拉特性的影响各组混掺精细钢纤
9、维 纤维试件的拉伸性能见表。可知：随着精细钢纤维掺量的变化，试件初裂强度先减小后增大。其中，精细钢纤维体积掺量为 的 试 件 的 初 裂 强 度 最 小，为 ，对应的初裂应变为 ；含 精细钢纤维的试件 的初裂强度最大，对应的初裂应变为 ；两者初裂应变相差不大，均小于含 精细钢纤维的 试 件 （初裂 应变 为 ）。类似于初裂强度，混掺精细钢纤维 纤维试件的峰值强度与精细钢纤维掺量的关系也呈现出先下降后上升的趋势。试件 的峰值强度最大，为 ，相应的峰值应变为 ；试件 的峰值强度最小，对应的峰值应变为 ，是所有混掺试件的最大值；两者峰值强度相差较小，但峰值应变差距明显。这说明，在相同荷载作用下，试件
10、 抵抗变形的能力较弱，在短时间内迅速达到峰值强度，而试件 则可以允许试件出现较大变形后达到其峰值强度，试件韧性较好。分析出现这一现象的原因可能是纤维掺量过大，导致基体内部纤维分布不均匀或者出现成团现象，影响了精细钢纤维的增韧效果。表试件拉伸性能 试件分组初裂应力（）初裂应变（）峰值应力（）峰值应变（）本构关系的建立 等 在建立本构模型时，考虑了曲线多缝发展的波动过程及近似线性上升趋势，忽略了应变软化段。本构模型曲线如图所示，前段本构方程为，；（），。（）式中：为材料弹性阶段的弹性模量；、分别为材料的初裂应力、初裂应变；、分别为材料的峰值应力、峰值应变。图 单轴受拉本构模型 等 在进行工程水泥基
11、复合（，）材料数值模拟分析时，在 本构方程 的基础上考虑了应变软化段，其应力应变曲线模型如图所示，峰值点（，）到极限拉应变点（，）之间的应变软化段本构方程为 ，。（）本文在式（）和式（）的基础上，引入精细钢纤第期刘雁宁，等：混掺精细钢纤维 纤维水泥基复合材料单轴拉伸试验及本构关系图考虑软化段的应力应变曲线模型 维阻裂修正系数（），对本文材料的本构模型参数进行修正。参数的意义在于反映混掺精细钢纤维所产生的阻裂效应。当时，表示精细钢纤维掺量对材料线弹性阶段力学性能的影响不明显；当时，表示精细钢纤维掺量对材料塑性产生正效应，此时式（）中的分母部分 或 被放大，塑性段延长；当时，表示精细钢纤维掺量对材
12、料塑性产生负效应，此时式（）中的分母部分 或 被缩小，塑性段缩短。，；（）（），；（），。（）式（）中的参数取值及各段拟合曲线误差见表，本构模型预测结果如图所示。由图可知，分段模型与实测曲线基本吻合，拟合曲线合理反映了试验应力应变曲线的发展趋势。在弹性段修正系数（）为，表明其本构模型与实测值非常接近；随着应变的增加，材料进入应变硬化初始段，应力出现波动，此时精细钢纤维开始发挥阻裂效应，在实际工程应用中可以通过调整其掺量实现对塑性区域应变范围的控制。需要指出的是，试件 应变软化段修正参数突变至，这可能是由于试验在软化段提前结束造成的误差。表本构模型修正参数及拟合误差 试件分组弹性段应变硬化段应变
13、软化段修正参数（）平均误差（）修正参数（）平均误差（）修正参数（）平均误差（）图本构模型预测结果 中 国 科 技 论 文第 卷结论）混掺精细钢纤维 纤维试件应力应变曲线变化趋势大致包含个阶段。精细钢纤维掺量对曲线第一阶段影响较小，主要影响曲线第二、三阶段长度和变化趋势。）随着精细钢纤维掺量的增大，试件初裂强度、峰值强度呈先减小后增大的趋势。在所有试件中，精细钢纤维体积掺量为 的试件的初裂强度最大，为 ，峰值强度也最大，为 。但相比于强度的变化，纤维掺量对试件峰值应变的影响更为显著。含 精细钢纤维的试件 的初裂强度为 、峰值强度为 ，均略小于试件 ，但其峰值应变为 ，远大于试件 的峰值应变（）。
14、）基于试验应力应变数据，在已有本构模型的基础上，引入精细钢纤维阻裂修正系数，提出了适用于混掺精细钢纤维 纤维水泥基材料的单轴拉伸本构模型，模型拟合结果与试验数据吻合良好。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：）参考文献（），：，：，：苟鸿翔，朱洪波，周海云，等定向分布钢纤维对超高性能混凝土的增强作用硅 酸 盐 学 报，（）：，（）：（）梅国栋钢聚丙烯混杂纤维混凝土单轴受拉应力应变关系研究武汉：武汉大学，：，：（），（）：，（）：过镇海，张秀琴砼受拉应力变形全曲线的试验研究建筑结构学报，（）：，（）：（）钟光淳，周颖，肖意钢聚乙烯醇混杂纤维混凝土单轴受力应力应变曲线研究工程力学，（）：，（）：（）毕继红，霍琳颖，赵云，等钢纤维混凝土的本构模型及力学性能分析湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，（），（）：（）中国工程建设标准化协会混凝土结构委员会钢 纤 维混凝土试验方法：北京：中国计划出版社，：，（），：黄广华 纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能影响的试验研究北京：北京交通大学，：，：（）王振波，张君，王庆混杂纤维增强延性水泥基复合材料力学性能与裂宽控制建筑材料学报，（）：，（）：，（）全国水泥制品标准化技术委员会高延性纤维 增 强 水泥基复合材料力学性能试验方法：出版地不详：出版者不详，：，（），（）：，（）：