内容发布更新时间 : 2024/5/6 19:31:16星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

1.复合材料理论

复合材料理论将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料整体看成一个多相系统，其性能乃是各个相的性能的叠加值。混凝土从本质上说就是一种复合材料，看成是由基相与分散相以及结合面组成的三相复合材料,其力学性能受基相和分散相以及结合面的力学性能的制约和影响。

从复合材料观点来看,一般可将混凝土材料的组织结构分为三级,即：硬化水泥浆、砂浆和混凝土。第一级混凝土可看作砂浆为基相,粗骨料为分散相,粗骨料与砂浆的结合面为薄弱面,该处产生结合缝,混凝土的破坏则首先从这些结合缝开始。第二级砂浆可看作水泥浆为基相,砂为分散相,砂与水泥浆的结合缝是薄弱面,常产生结合缝,其尺寸比砂浆与粗骨料的结合缝至少小一个数量级。第三级硬化水泥浆可看作硬化水泥浆体为基相,一些缺陷如未水化的水泥颗粒和孔隙可看作分散相。研究表明,这些缺陷的尺寸又比砂和水泥浆的结合缝至少小几个数量级。显然,各种不同尺度的纤维可阻止各级裂缝的发展,从而实现各种纤维的最佳效能。

以复合材料理论考虑，纤维在其中若不能均匀分散，则形成非均匀的复合体。所谓非均匀的复合体，事实上就意味着复合体内部不同位置的物理或者化学状态存在差异，形成不均衡的多相系统。这样的复合体所表现的外部特性必然也是不一致的。纤维不能均匀散布，会导致在混凝土基体内没有纤维或者纤维较少的区域形成新的薄弱地带。这是因为由于纤维的介入将会导致混凝土块体内应力的重新分布和传递。如果这种应力的分布配置不能达到真正的均衡状态，则可能形成新的应力集中，导致混凝土在相对缺少纤维的地带开裂。

该理论将纤维混凝土视为纤维强化体系(即将纤维作为增强材料)，应用复合材料混合定律推论纤维混凝土的应力，并结合纤维混凝土复合材料的特殊性，将复合材料沿外荷方向有效纤维体积率的比例、非连续性纤维长度和取向修正以及混凝土的非均质特性等一起加以考虑，即将纤维混凝土的力学性能与纤维的掺入量、纤维取向、长径比及纤维与基体粘结力之间的关系结合起来加以考虑。

2.纤维间距理论

纤维间距理论又称“纤维阻裂理论”，早期由Romualdi、Batson与Mandel提出。这种理论根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。纤维间距理论认为，在混凝土内部存在固有缺陷，如欲提高强度，必须尽可能减小缺陷程度，提高材料的韧性，即抗变形能力，降低混凝土体内裂缝端部的应力集中系数。纤维阻裂理论首先假设纤维块体中

有许多细钢丝沿着拉应力作用方向按棋盘状均匀分布。细钢丝的平均中心间距为某一定值S。由于拉应力作用，水泥基体中凸透镜形状的裂缝端部产生应力集中系数K0，当裂缝扩展到基体界面时，在界面上会产生对裂缝起约束作用的剪应力并使裂缝趋于闭合。此时在裂缝顶端会产生与K0相反的另一应力集中系数－KF，于是总的应力集中系数就下降为K0－KF。

关于纤维间距理论或纤维阻裂理论的通俗解释是：当纤维均匀分布在混凝土基体之中时，可以起到阻止基体内微裂缝发展的作用。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，在最远不超过纤维在混凝土基体内纤维平均中心距S的路程之内，该裂缝将遇到横亘在它前方的一根纤维。由于这根纤维的存在，使裂缝发展受阻，只能在混凝土基体内形成类似于无害孔洞的封闭空腔或者内径非常细小的孔洞。正是在这个层面上，纤维间距理论与复合材料理论实现了沟通。

传统看法认为混凝土中的所有孔隙都是有害的，而真正有害的只是那些孔径很大、并且互相贯通的孔洞和裂隙。当孔径小到一定程度(或者更严格地说应该是混凝土块体当中的微小气泡)，即孔径或气泡直径小于50nm都属于少害或无害的孔。如果孔径小于20nm，那么这些孔对于提高混凝土的内在质量就只有正向的作用，对于减轻混凝土的自重是有好处的。按照纤维间距理论的解释，当直径相同、长度相同、但相对密度不同的合成纤维在水泥基体中的掺重(以每1m3水泥基体所掺入的纤维重量kg计)相同时，纤维对水泥基体的阻裂效果主要取决于两个因素：（1)纤维的平均间距S，要求S>0;（2)每1m3水泥基体中纤维的根数n。在纤维充分均匀分散的前提下，纤维的平均间距s值与阻裂效果成反比，S值愈小，效果愈好;纤维根数n值则与纤维材料的相对密度成反比，与阻裂效果成正比。n值愈大，阻裂效果愈好。但是，若纤维不能均匀分散，例如存在并丝现象，即两根纤维平行粘连，其间距S为0，则纤维根数为n-1。显而易见，纤维在混凝土中的分散性是保证纤维混凝土抗裂效果的关键。如果纤维在混凝土块体内部不能均匀分散，则可能影响纤维混凝土的抗裂效果。在计算纤维阻裂效果的公式中，还应该包括表征纤维在混凝土块体内分散效率的参数d。并将d定义为：

d=n/m=m(1-P)/m

其中m是单位重量下根据理论计算得到的纤维的总根数；p是纤维掺入混凝土基体内部时发生并丝粘连的概率，n=m(1-P)是混凝土体内有效的纤维总根数。