圓錐頭鋼纖維單根拔出特性的試驗(yàn)探究與理論剖析一、引言1.1研究背景與目的鋼纖維增強(qiáng)混凝土（SteelFiberReinforcedConcrete，SFRC）作為一種新型的多相復(fù)合材料，在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維，顯著改善了普通混凝土抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能差的問題，具有較好的延性。其發(fā)展歷程可追溯至1911年，美國Graham首次將鋼纖維摻入普通鋼筋砼，開辟了水泥基復(fù)合材料的新途徑。此后，經(jīng)過不斷的研究與發(fā)展，鋼纖維混凝土在建筑、道路、橋梁、隧道、軍事工程等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。中國對鋼纖維混凝土的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，自80年代以來，試驗(yàn)研究迅速發(fā)展，相關(guān)規(guī)范的制定有力推動了其技術(shù)進(jìn)步。在鋼纖維增強(qiáng)混凝土中，鋼纖維與基體之間的界面粘結(jié)性能是影響材料整體性能的關(guān)鍵因素。而圓錐頭鋼纖維作為一種特殊形狀的鋼纖維，其與基體之間的相互作用機(jī)制更為復(fù)雜。通過對圓錐頭鋼纖維的單根拔出試驗(yàn)研究，可以深入了解鋼纖維從基體中拔出的過程、破壞模式以及影響拔出性能的因素，從而為鋼纖維增強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。此外，對圓錐頭鋼纖維單根拔出進(jìn)行理論分析，建立相應(yīng)的理論模型，能夠從本質(zhì)上揭示鋼纖維與基體之間的力學(xué)關(guān)系，預(yù)測鋼纖維的拔出行為，進(jìn)一步優(yōu)化鋼纖維的設(shè)計(jì)和混凝土的配合比，提高鋼纖維增強(qiáng)混凝土的性能。因此，開展圓錐頭鋼纖維的單根拔出試驗(yàn)和理論分析具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值，有助于深入理解鋼纖維增強(qiáng)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，推動該材料在更多領(lǐng)域的高效應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋼纖維增強(qiáng)混凝土的研究領(lǐng)域，鋼纖維與基體間的界面粘結(jié)性能一直是研究重點(diǎn)，而鋼纖維的拔出試驗(yàn)及理論分析是探究這一性能的關(guān)鍵手段。國外對鋼纖維拔出試驗(yàn)的研究起步較早，Naaman和Shah早在1976年就對鋼纖維增強(qiáng)混凝土中的拔出機(jī)理展開研究，發(fā)表于《JournaloftheStructuralDivision》的論文《Pull-outmechanisminsteelfiber-reinforcedconcrete》，提出了鋼纖維從混凝土基體中拔出的基本理論框架，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。此后，眾多學(xué)者圍繞不同因素對鋼纖維拔出性能的影響展開深入研究。如Abu-Lebdeh等人在《Effectofmatrixstrengthonpulloutbehaviorofsteelfiberreinforcedvery-highstrengthconcretecomposites》中，研究了基體強(qiáng)度對鋼纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土復(fù)合材料拔出行為的影響，發(fā)現(xiàn)基體強(qiáng)度的提高會顯著增強(qiáng)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)力，從而影響鋼纖維的拔出力和拔出功。Laranjeira、Molins和Aguado則聚焦于傾斜鉤狀鋼纖維，在論文《Predictingthepulloutresponseofinclinedhookedsteelfibers》中建立模型預(yù)測其拔出響應(yīng)，指出纖維的傾斜角度和鉤狀形態(tài)對拔出性能有重要影響。國內(nèi)在鋼纖維拔出試驗(yàn)及理論分析方面也取得了豐碩成果。李向陽在碩士論文《圓錐頭鋼纖維的單根拔出試驗(yàn)和理論分析》中，針對圓錐頭鋼纖維進(jìn)行了靜態(tài)和落錘動態(tài)沖擊拔出試驗(yàn)，詳細(xì)分析了錐角角度、加載速度、有無表面處理等因素對最大拔出力、拔出功、等效粘結(jié)強(qiáng)度等參數(shù)的影響，并建立了鋼纖維在穩(wěn)定拔出狀態(tài)下的理論模型。張獻(xiàn)民、陳雪芳、李長輝等研究了纖維與水泥砂漿界面黏結(jié)性能，通過試驗(yàn)分析了纖維類型、表面處理方式等對界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律。趙楠、卿龍邦、楊卓凡等進(jìn)行了不同齡期鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿纖維拉拔試驗(yàn)與模擬研究，探究了齡期對纖維拉拔性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著齡期增長，纖維與基體的粘結(jié)性能逐漸增強(qiáng)。盡管國內(nèi)外學(xué)者已取得諸多成果，但在圓錐頭鋼纖維的研究中仍存在不足。一方面，對于圓錐頭鋼纖維在復(fù)雜受力狀態(tài)下，如多軸應(yīng)力、動態(tài)沖擊與疲勞荷載耦合作用下的拔出行為研究較少，現(xiàn)有研究多集中在單一荷載工況。另一方面，目前的理論模型雖能在一定程度上解釋鋼纖維的拔出現(xiàn)象，但對于圓錐頭鋼纖維這種特殊形狀，其模型的精準(zhǔn)度和普適性有待提高，尤其是對界面微觀力學(xué)行為的刻畫不夠深入，未能充分考慮纖維與基體界面的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)作用等因素對拔出性能的影響。此外，在實(shí)際工程應(yīng)用中，混凝土的配合比、施工工藝等因素對圓錐頭鋼纖維拔出性能的影響也缺乏系統(tǒng)研究。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法，深入探究圓錐頭鋼纖維的單根拔出行為及相關(guān)力學(xué)機(jī)理。在試驗(yàn)研究方面，精心設(shè)計(jì)并開展圓錐頭鋼纖維在水泥砂漿基體中的靜態(tài)拔出試驗(yàn)與落錘動態(tài)沖擊拔出試驗(yàn)。通過精確控制試驗(yàn)變量，如鋼纖維的錐角角度、加載速度、表面處理情況等，系統(tǒng)地獲取不同工況下鋼纖維的拔出力-位移曲線、破壞模式等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。利用先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和測試技術(shù)，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的理論分析提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在試件設(shè)計(jì)與制作過程中，充分考慮鋼纖維與基體的相互作用，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了新型圓錐頭鋼纖維和與之適配的試件，以更好地模擬實(shí)際工程中鋼纖維在混凝土基體中的受力狀態(tài)。在測試方法上，采用高精度的荷載傳感器和位移測量裝置，實(shí)時監(jiān)測鋼纖維拔出過程中的力學(xué)響應(yīng)，能夠精確捕捉到鋼纖維拔出過程中的細(xì)微變化。在理論分析方面，基于彈性力學(xué)等相關(guān)理論，建立鋼纖維在穩(wěn)定拔出狀態(tài)下的理論模型。通過合理的假設(shè)和簡化，確定模型中的關(guān)鍵參數(shù)表達(dá)式，深入分析各參數(shù)對拉拔力的影響規(guī)律。運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算方法，求解模型并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化和完善理論模型，提高其對圓錐頭鋼纖維拔出行為的預(yù)測能力。在建立計(jì)算模型時，充分考慮圓錐頭鋼纖維的特殊形狀和受力特點(diǎn)，引入新的參數(shù)和假設(shè)，更加準(zhǔn)確地描述鋼纖維與基體之間的界面力學(xué)行為。在確定參數(shù)表達(dá)式過程中，綜合運(yùn)用彈性力學(xué)、材料力學(xué)等多學(xué)科知識，從微觀和宏觀角度分析鋼纖維與基體的相互作用，使得理論模型更具科學(xué)性和合理性。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上，首次針對圓錐頭鋼纖維開展靜態(tài)和動態(tài)沖擊拔出試驗(yàn)，全面考慮多種因素對拔出性能的影響，彌補(bǔ)了以往研究在動態(tài)荷載和特殊纖維形狀方面的不足。通過改變鋼纖維的錐角角度，研究不同錐角對拔出性能的影響規(guī)律，為鋼纖維的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。在理論模型構(gòu)建方面，建立了適用于圓錐頭鋼纖維的穩(wěn)定拔出理論模型，充分考慮了鋼纖維與基體界面的復(fù)雜力學(xué)行為，包括彈性變形、塑性變形以及界面粘結(jié)的破壞過程。與傳統(tǒng)理論模型相比，本模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測圓錐頭鋼纖維的拔出力和破壞模式，提高了理論分析的精度和可靠性。此外，將試驗(yàn)研究與理論分析緊密結(jié)合，通過試驗(yàn)驗(yàn)證理論模型，利用理論模型指導(dǎo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，形成了一種相互驗(yàn)證、相互促進(jìn)的研究方法，為鋼纖維增強(qiáng)混凝土的研究提供了新的范式。二、圓錐頭鋼纖維單根拔出試驗(yàn)2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備2.1.1材料選擇本試驗(yàn)選用的圓錐頭鋼纖維，其材質(zhì)為高強(qiáng)度碳鋼，具有良好的抗拉強(qiáng)度和韌性。這種材質(zhì)能夠在承受較大拉力時保持結(jié)構(gòu)完整性，確保在拔出試驗(yàn)中準(zhǔn)確反映其與基體之間的相互作用。鋼纖維的基本參數(shù)為：長度l固定為30mm，這一長度在保證鋼纖維與基體有足夠粘結(jié)長度的同時，避免過長導(dǎo)致試驗(yàn)操作困難和材料浪費(fèi)。等效直徑d為0.5mm，在該直徑下，鋼纖維與基體的粘結(jié)性能和力學(xué)性能能夠得到較好的體現(xiàn)，符合本試驗(yàn)研究的要求。錐角\alpha分別選取10°、15°、20°三種規(guī)格，通過改變錐角來探究其對鋼纖維拔出性能的影響。不同錐角會導(dǎo)致鋼纖維與基體之間的接觸面積和受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而為深入分析圓錐頭鋼纖維的增強(qiáng)機(jī)理提供豐富的數(shù)據(jù)。基體材料選用水泥砂漿，其配合比經(jīng)過精心設(shè)計(jì)。水泥采用P?O42.5普通硅酸鹽水泥，這種水泥具有良好的膠凝性能和穩(wěn)定性，能夠?yàn)榛w提供可靠的強(qiáng)度支撐。細(xì)骨料選用河砂，其粒徑范圍在0.15-0.6mm之間，級配良好，能保證水泥砂漿的和易性和密實(shí)度。水灰比控制在0.45，該比例既能保證水泥砂漿具有足夠的流動性，便于澆筑成型，又能確保硬化后具有一定的強(qiáng)度。同時，加入適量的減水劑，以改善水泥砂漿的工作性能，減少用水量，提高基體的密實(shí)度和強(qiáng)度。通過這樣的配合比設(shè)計(jì)，制成的水泥砂漿28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到40MPa，滿足試驗(yàn)對基體強(qiáng)度的要求，能夠有效模擬實(shí)際工程中混凝土基體的力學(xué)性能，為研究圓錐頭鋼纖維與基體的粘結(jié)性能提供穩(wěn)定的試驗(yàn)環(huán)境。2.1.2試件設(shè)計(jì)與制作試件設(shè)計(jì)為直徑50mm、高度100mm的圓柱體。這種尺寸和形狀的設(shè)計(jì)綜合考慮了試驗(yàn)操作的便利性、鋼纖維與基體的粘結(jié)效果以及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在圓柱體試件中，鋼纖維沿軸向埋入，埋入長度為20mm，確保鋼纖維在基體中有足夠的錨固長度，以充分展現(xiàn)其拔出過程中的力學(xué)行為。為保證鋼纖維與基體良好粘結(jié)，采取了以下措施：在鋼纖維埋入前，對其表面進(jìn)行除銹和粗糙化處理。除銹處理使用砂紙打磨，去除鋼纖維表面的鐵銹和雜質(zhì)，保證鋼纖維與水泥砂漿之間的化學(xué)粘結(jié)力。粗糙化處理則采用機(jī)械刻痕的方法，在鋼纖維表面制造微小的凹凸結(jié)構(gòu)，增加鋼纖維與基體的機(jī)械咬合力。同時，在澆筑水泥砂漿前，將鋼纖維浸泡在水泥漿中，使鋼纖維表面預(yù)先附著一層水泥漿，進(jìn)一步增強(qiáng)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)。試件制作過程嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行：首先，將稱量好的水泥、河砂和減水劑倒入攪拌機(jī)中，干拌1-2分鐘，使其充分混合。然后，加入計(jì)算好的水，濕拌3-5分鐘，直至水泥砂漿達(dá)到均勻的流動狀態(tài)。接著，將制作好的模具放置在水平工作臺上，在模具底部先澆筑一層約20mm厚的水泥砂漿，用振搗棒輕輕振搗，使其密實(shí)。隨后，將經(jīng)過處理的鋼纖維按照設(shè)計(jì)要求的位置和角度緩慢插入水泥砂漿中，插入過程中要確保鋼纖維垂直且位置準(zhǔn)確。再繼續(xù)澆筑水泥砂漿，直至達(dá)到模具頂部，再次振搗，排除氣泡，使試件表面平整。最后，用塑料薄膜覆蓋試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）下養(yǎng)護(hù)24小時后脫模，然后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28天，使試件達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。通過以上嚴(yán)格的制作過程和粘結(jié)措施，確保了試件的質(zhì)量和鋼纖維與基體之間良好的粘結(jié)性能，為后續(xù)的拔出試驗(yàn)提供可靠的試件。2.1.3試驗(yàn)設(shè)備與儀器主要試驗(yàn)設(shè)備為萬能材料試驗(yàn)機(jī)，型號為WDW-300E，其精度為±0.5%FS，量程為0-300kN。該設(shè)備具有高精度的荷載傳感器和位移測量裝置，能夠精確測量鋼纖維拔出過程中的拔出力和位移。在試驗(yàn)中，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置加載速度，靜態(tài)拔出試驗(yàn)加載速度設(shè)定為0.5mm/min，能夠模擬準(zhǔn)靜態(tài)加載過程，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。位移測量采用高精度的位移傳感器，分辨率可達(dá)0.001mm，能夠?qū)崟r監(jiān)測鋼纖維的拔出位移，為分析鋼纖維的拔出行為提供精確的數(shù)據(jù)。此外，還配備了纖維混凝土落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，用于進(jìn)行落錘動態(tài)沖擊拔出試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)依據(jù)CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)制造，試驗(yàn)高度可在0-1500mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠滿足不同沖擊能量的要求。沖擊錘重有4kg、4.5kg、5kg、5.5kg、6kg多種規(guī)格，可根據(jù)試驗(yàn)需要選擇合適的沖擊能量。在試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)沖擊錘的高度和重量，對試件施加不同強(qiáng)度的動態(tài)沖擊荷載，研究圓錐頭鋼纖維在動態(tài)沖擊作用下的拔出性能。同時，試驗(yàn)機(jī)配備了激光定位裝置，能夠精確控制沖擊錘的下落位置，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。2.2靜態(tài)拔出試驗(yàn)過程與結(jié)果分析2.2.1試驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)采集將養(yǎng)護(hù)至28天的試件從養(yǎng)護(hù)室取出，清理表面的雜物和灰塵，確保試件表面平整、干凈。然后將試件放置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的工作臺上，使用特制的夾具將試件牢固夾緊，使鋼纖維的軸線與試驗(yàn)機(jī)的加載方向保持一致。在試件表面粘貼應(yīng)變片，用于測量試件在加載過程中的應(yīng)變情況。應(yīng)變片的粘貼位置應(yīng)盡量靠近鋼纖維的埋入端，以準(zhǔn)確測量鋼纖維與基體之間的界面應(yīng)變。同時，在鋼纖維的自由端安裝位移傳感器，用于測量鋼纖維的拔出位移。位移傳感器應(yīng)安裝牢固，確保在試驗(yàn)過程中能夠準(zhǔn)確測量鋼纖維的位移變化。試驗(yàn)開始前，對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，確保試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)正常。設(shè)置加載速度為0.5mm/min，這一速度能夠較為緩慢地施加荷載，使鋼纖維與基體之間的粘結(jié)破壞過程充分展現(xiàn)，便于觀察和記錄。在加載過程中，試驗(yàn)機(jī)的荷載傳感器實(shí)時測量拔出力的大小，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲。位移傳感器則同步測量鋼纖維的拔出位移，每隔0.1s采集一次數(shù)據(jù)。這種高頻的數(shù)據(jù)采集方式能夠精確捕捉鋼纖維拔出過程中的荷載和位移變化，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供豐富的數(shù)據(jù)點(diǎn)。同時，使用高清攝像機(jī)對試驗(yàn)過程進(jìn)行全程錄像，以便后續(xù)對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)觀察和分析。在試驗(yàn)過程中，密切關(guān)注試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和試件的變形情況，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)，檢查原因并進(jìn)行處理。2.2.2拔出力-位移曲線分析以錐角為15°的圓錐頭鋼纖維為例，其典型的拔出力-位移曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在曲線的起始階段，隨著位移的增加，拔出力近似呈線性增長。這是因?yàn)樵诩虞d初期，鋼纖維與基體之間主要依靠化學(xué)粘結(jié)力和機(jī)械咬合力共同抵抗外力。此時，鋼纖維與基體之間的界面處于彈性變形階段，沒有發(fā)生明顯的破壞。隨著位移的進(jìn)一步增大，拔出力增長速度逐漸變緩，曲線開始出現(xiàn)非線性特征。這表明鋼纖維與基體之間的化學(xué)粘結(jié)力開始逐漸破壞，界面進(jìn)入彈塑性變形階段。在這個階段，鋼纖維與基體之間的摩擦力逐漸發(fā)揮作用，與剩余的機(jī)械咬合力一起抵抗外力。當(dāng)拔出力達(dá)到峰值時，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)達(dá)到極限狀態(tài)。此時，化學(xué)粘結(jié)力基本完全破壞，機(jī)械咬合力也達(dá)到最大值。峰值拔出力的大小反映了鋼纖維與基體之間的最大粘結(jié)強(qiáng)度，是衡量鋼纖維增強(qiáng)效果的重要指標(biāo)。隨后，拔出力隨著位移的增加而逐漸下降。這是因?yàn)殇摾w維開始從基體中逐漸拔出，鋼纖維與基體之間的接觸面積不斷減小，摩擦力和機(jī)械咬合力也隨之減小。在曲線的下降段，拔出力的下降速度逐漸變緩，最終趨于穩(wěn)定。這表明鋼纖維與基體之間的粘結(jié)破壞基本完成，鋼纖維主要依靠殘余摩擦力從基體中拔出。拔出力-位移曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積表示拔出功，它反映了鋼纖維從基體中拔出過程中所消耗的能量。拔出功越大，說明鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能越好，鋼纖維在混凝土中發(fā)揮的增強(qiáng)作用越顯著。通過對不同錐角鋼纖維的拔出力-位移曲線進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)錐角越大，峰值拔出力和拔出功通常也越大。這是因?yàn)檩^大的錐角增加了鋼纖維與基體之間的機(jī)械咬合力，從而提高了鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能。2.2.3破壞模式觀察與分析在靜態(tài)拔出試驗(yàn)中，觀察到的鋼纖維拔出破壞模式主要有兩種：拔出破壞和拉斷破壞。當(dāng)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度小于鋼纖維的抗拉強(qiáng)度時，通常發(fā)生拔出破壞。在拔出破壞模式下，鋼纖維從基體中逐漸拔出，表面光滑，沒有明顯的塑性變形。這表明鋼纖維與基體之間的粘結(jié)力不足以抵抗拔出力，導(dǎo)致鋼纖維從基體中脫離。拔出破壞模式下，鋼纖維與基體之間的化學(xué)粘結(jié)力和機(jī)械咬合力在拔出過程中逐漸被破壞，最終鋼纖維依靠殘余摩擦力從基體中拔出。這種破壞模式下，鋼纖維的增強(qiáng)效果主要取決于其與基體之間的粘結(jié)性能。當(dāng)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度大于鋼纖維的抗拉強(qiáng)度時，可能發(fā)生拉斷破壞。在拉斷破壞模式下，鋼纖維在拔出過程中被拉斷，斷口呈現(xiàn)出明顯的塑性變形特征。這說明鋼纖維在承受拔出力的過程中，首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度后，發(fā)生塑性變形，最終被拉斷。拉斷破壞模式下，鋼纖維的抗拉強(qiáng)度成為限制其拔出性能的關(guān)鍵因素。這種破壞模式通常發(fā)生在鋼纖維強(qiáng)度較低或基體強(qiáng)度較高的情況下。鋼纖維的破壞模式與鋼纖維和基體的性能密切相關(guān)。鋼纖維的強(qiáng)度、表面形態(tài)、錐角等參數(shù)以及基體的強(qiáng)度、彈性模量等都會影響鋼纖維的破壞模式。通過合理設(shè)計(jì)鋼纖維和基體的性能參數(shù)，可以優(yōu)化鋼纖維在混凝土中的增強(qiáng)效果，提高混凝土的力學(xué)性能。2.3動態(tài)沖擊拔出試驗(yàn)過程與結(jié)果分析2.3.1試驗(yàn)裝置與方法動態(tài)沖擊拔出試驗(yàn)采用纖維混凝土落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)依據(jù)CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)制造。其主要結(jié)構(gòu)包括沖擊架、沖擊球、沖擊錘以及高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和激光定位裝置。試驗(yàn)高度可在0-1500mm范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，通過改變沖擊錘的下落高度來控制沖擊能量的大小。沖擊錘重有4kg、4.5kg、5kg、5.5kg、6kg多種規(guī)格，可根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行選擇，以滿足不同強(qiáng)度動態(tài)沖擊荷載的要求。在試驗(yàn)前，先將養(yǎng)護(hù)至28天的試件從養(yǎng)護(hù)室取出，清理表面雜物，確保試件表面平整干凈。然后將試件放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的底座上，使用激光定位裝置精確調(diào)整沖擊錘的下落位置，使其對準(zhǔn)鋼纖維的中心位置，以保證沖擊荷載能夠準(zhǔn)確施加在鋼纖維上。根據(jù)試驗(yàn)方案，選擇合適的沖擊錘重量和下落高度。例如，為研究較低能量沖擊下圓錐頭鋼纖維的拔出性能，可選擇4kg的沖擊錘，下落高度設(shè)置為500mm；若要研究較高能量沖擊的影響，則可選用6kg的沖擊錘，下落高度調(diào)整為1000mm。在每次沖擊試驗(yàn)前，檢查試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。在試驗(yàn)過程中，啟動沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊錘在重力作用下自由下落，通過沖擊球?qū)_擊力傳遞給試件中的鋼纖維。使用高速攝像機(jī)以1000fps的幀率對試驗(yàn)過程進(jìn)行拍攝，記錄鋼纖維在沖擊荷載作用下的拔出過程和試件的破壞形態(tài)。同時，在鋼纖維的自由端安裝動態(tài)應(yīng)變片，用于測量鋼纖維在沖擊過程中的應(yīng)變變化。應(yīng)變片通過動態(tài)應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，實(shí)時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為10kHz，能夠精確捕捉鋼纖維在沖擊瞬間的應(yīng)變響應(yīng)。每次沖擊試驗(yàn)后，觀察試件的破壞情況，記錄鋼纖維的拔出長度、破壞模式等信息。對于同一組試件，進(jìn)行多次沖擊試驗(yàn)，以獲取更準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.3.2動態(tài)拔出力-位移曲線分析以錐角為20°的圓錐頭鋼纖維在5kg沖擊錘、800mm下落高度的沖擊工況下為例，其動態(tài)拔出力-位移曲線與靜態(tài)曲線存在顯著差異。在動態(tài)加載初期，由于沖擊荷載的瞬時性和高能量特性，拔出力迅速上升，呈現(xiàn)出陡峭的上升段。與靜態(tài)加載相比，動態(tài)加載下的初始剛度更大，這是因?yàn)闆_擊荷載使得鋼纖維與基體之間的粘結(jié)在短時間內(nèi)受到強(qiáng)烈的沖擊作用，界面應(yīng)力迅速增大。在靜態(tài)加載時，荷載緩慢增加，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)有足夠時間逐漸發(fā)生破壞，而動態(tài)加載下，沖擊荷載的快速作用使得鋼纖維與基體之間的粘結(jié)在瞬間承受較大的應(yīng)力，來不及發(fā)生明顯的塑性變形，從而表現(xiàn)出更大的初始剛度。隨著沖擊作用的持續(xù)，拔出力達(dá)到峰值后迅速下降。與靜態(tài)曲線相比，動態(tài)曲線的峰值拔出力更高，但下降段更為陡峭。這是由于沖擊荷載下，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)在短時間內(nèi)被快速破壞，鋼纖維在巨大的沖擊力作用下迅速從基體中拔出。而在靜態(tài)加載下，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)破壞過程相對緩慢，拔出力的下降也較為平緩。動態(tài)曲線在下降段后期會出現(xiàn)一定的波動，這是因?yàn)樵阡摾w維拔出過程中，沖擊能量的持續(xù)作用使得鋼纖維與基體之間產(chǎn)生了復(fù)雜的相互作用，如鋼纖維的振動、基體的局部破碎等，導(dǎo)致拔出力出現(xiàn)波動。動態(tài)加載下的拔出功與靜態(tài)加載也有所不同。雖然動態(tài)曲線的峰值拔出力較高，但由于其下降段陡峭，曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積（即拔出功）并不一定比靜態(tài)加載大。在某些沖擊工況下，由于鋼纖維與基體之間的粘結(jié)破壞迅速，鋼纖維在較短的位移內(nèi)就被拔出，導(dǎo)致拔出功反而小于靜態(tài)加載。這表明在動態(tài)沖擊作用下，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能并非簡單地隨著沖擊荷載的增大而增強(qiáng)，而是受到?jīng)_擊能量、加載速率等多種因素的綜合影響。2.3.3動態(tài)破壞模式與能量分析在動態(tài)沖擊加載下，觀察到的破壞模式除了拔出破壞和拉斷破壞外，還出現(xiàn)了基體局部破碎的現(xiàn)象。當(dāng)沖擊能量較低時，破壞模式主要以拔出破壞為主，鋼纖維從基體中拔出，表面有明顯的劃痕和磨損，這是由于沖擊荷載使得鋼纖維與基體之間的摩擦力和機(jī)械咬合力在短時間內(nèi)被克服。隨著沖擊能量的增加，部分鋼纖維出現(xiàn)拉斷破壞，斷口呈現(xiàn)出明顯的塑性變形和頸縮現(xiàn)象，這表明鋼纖維在承受巨大的沖擊拉力時，其抗拉強(qiáng)度不足以抵抗沖擊荷載。在高能量沖擊下，還觀察到基體局部破碎的現(xiàn)象，試件表面出現(xiàn)明顯的裂縫和破碎區(qū)域，這是因?yàn)闆_擊能量在短時間內(nèi)集中作用在鋼纖維周圍的基體上，導(dǎo)致基體發(fā)生脆性破壞。根據(jù)能量守恒原理，沖擊錘下落所具有的重力勢能在沖擊過程中轉(zhuǎn)化為多種形式的能量。一部分能量用于克服鋼纖維與基體之間的粘結(jié)力，使鋼纖維從基體中拔出，這部分能量表現(xiàn)為鋼纖維的拔出功。另一部分能量用于使鋼纖維發(fā)生塑性變形和斷裂，以及使基體發(fā)生破碎和裂縫擴(kuò)展。通過測量沖擊錘的初始高度和質(zhì)量，可以計(jì)算出沖擊錘的初始重力勢能E_{p}=mgh，其中m為沖擊錘質(zhì)量，g為重力加速度，h為沖擊錘下落高度。同時，通過對鋼纖維拔出功的計(jì)算和對試件破壞形態(tài)的觀察分析，可以估算出用于鋼纖維塑性變形、斷裂以及基體破碎的能量。在能量分析過程中發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊能量的增加，用于鋼纖維拔出的能量占總沖擊能量的比例逐漸減小，而用于基體破碎和鋼纖維塑性變形、斷裂的能量比例逐漸增大。這說明在高能量沖擊下，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能相對較弱，沖擊能量更多地消耗在基體的破壞和鋼纖維的變形斷裂上。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對于可能承受動態(tài)沖擊荷載的鋼纖維增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，需要合理設(shè)計(jì)鋼纖維的參數(shù)和混凝土的配合比，以提高鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能，充分發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)作用，降低沖擊能量對基體的破壞。三、圓錐頭鋼纖維單根拔出的理論分析3.1理論分析模型的建立3.1.1基本假設(shè)與簡化條件為建立圓錐頭鋼纖維單根拔出的理論分析模型，進(jìn)行如下基本假設(shè)：材料的彈性假設(shè)：假定鋼纖維和水泥砂漿基體均為線彈性材料，在受力過程中滿足胡克定律。這一假設(shè)簡化了材料的力學(xué)行為，便于運(yùn)用彈性力學(xué)理論進(jìn)行分析。在實(shí)際情況中，雖然鋼纖維和基體在受力后期會出現(xiàn)塑性變形，但在拔出初期，彈性階段占據(jù)主導(dǎo)，該假設(shè)能夠較好地描述這一階段的力學(xué)行為。例如，在靜態(tài)拔出試驗(yàn)的初始加載階段，鋼纖維與基體之間的變形近似呈線性關(guān)系，符合彈性假設(shè)。理想粘結(jié)假設(shè)：假設(shè)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)是理想的，即粘結(jié)界面能夠傳遞剪應(yīng)力，且在粘結(jié)破壞前，鋼纖維與基體之間無相對滑移。這一假設(shè)忽略了界面微觀缺陷和粘結(jié)的復(fù)雜性，使得模型能夠集中研究鋼纖維與基體之間的宏觀力學(xué)關(guān)系。在實(shí)際中，盡管界面存在微觀的不完美，但在一定程度上，該假設(shè)能夠?yàn)槔碚摲治鎏峁┗A(chǔ)。通過對試件制作過程的嚴(yán)格控制，如對鋼纖維進(jìn)行表面處理和浸泡水泥漿等措施，可使鋼纖維與基體之間的粘結(jié)接近理想狀態(tài)，驗(yàn)證該假設(shè)的合理性。小變形假設(shè)：認(rèn)為鋼纖維在拔出過程中的變形是小變形，變形量遠(yuǎn)小于鋼纖維的尺寸。在小變形條件下，幾何方程可以線性化，從而簡化了理論分析過程。在試驗(yàn)中觀察到，鋼纖維在拔出過程中的變形相對其自身長度和直徑而言較小，符合小變形假設(shè)。這一假設(shè)使得在分析鋼纖維的受力和變形時，可以忽略高階無窮小量，降低了計(jì)算的復(fù)雜性。在建立模型時，還考慮了以下簡化條件：忽略鋼纖維與基體之間的摩擦力隨拔出位移的變化，將其視為常數(shù)。這是因?yàn)樵诶碚摲治鲋校Σ亮Φ木_描述較為復(fù)雜，且在一定范圍內(nèi)，摩擦力的變化對拔出力的影響相對較小。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，在鋼纖維拔出的大部分過程中，摩擦力雖有變化，但整體趨勢相對穩(wěn)定，將其簡化為常數(shù)不會對模型的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。同時，假設(shè)鋼纖維的圓錐部分為理想圓錐，忽略其制造過程中的微小偏差。實(shí)際生產(chǎn)的鋼纖維圓錐部分可能存在一定的形狀誤差，但這些誤差在宏觀力學(xué)分析中影響較小，忽略這些偏差能夠使模型更加簡潔，便于進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。3.1.2力學(xué)模型構(gòu)建構(gòu)建圓錐頭鋼纖維單根拔出的力學(xué)模型，如圖1所示：[此處插入圓錐頭鋼纖維單根拔出力學(xué)模型結(jié)構(gòu)示意圖，圖中清晰標(biāo)注鋼纖維、基體、錐角α、埋入長度l、拔出力F等關(guān)鍵元素]在該模型中，鋼纖維埋入水泥砂漿基體中，埋入長度為l，鋼纖維的錐角為\alpha，在拔出力F的作用下，鋼纖維有從基體中拔出的趨勢。模型中的主要力學(xué)參數(shù)定義和物理意義如下：**拔出力F**：作用在鋼纖維上，使其從基體中拔出的外力。拔出力的大小直接反映了鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度和抵抗拔出的能力。在試驗(yàn)中，通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)或落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)施加拔出力，并實(shí)時測量其大小。**界面剪應(yīng)力\tau**：鋼纖維與基體界面上的剪應(yīng)力，它是阻止鋼纖維拔出的主要作用力之一。界面剪應(yīng)力的分布和大小與鋼纖維的形狀、埋入深度、基體性能以及界面粘結(jié)特性等因素密切相關(guān)。在模型中，假設(shè)界面剪應(yīng)力在粘結(jié)界面上均勻分布，這是一種簡化處理，實(shí)際情況中界面剪應(yīng)力的分布較為復(fù)雜，但在一定程度上能夠反映鋼纖維與基體之間的粘結(jié)作用。**鋼纖維的彈性模量E_f**：表示鋼纖維抵抗彈性變形的能力。彈性模量越大，鋼纖維在受力時的彈性變形越小。本試驗(yàn)中選用的高強(qiáng)度碳鋼鋼纖維，其彈性模量可通過材料手冊或相關(guān)試驗(yàn)確定，它是模型中的重要材料參數(shù)，影響著鋼纖維在拔出過程中的力學(xué)響應(yīng)。**基體的彈性模量E_m**：反映水泥砂漿基體抵抗彈性變形的能力。基體的彈性模量對鋼纖維與基體之間的相互作用有重要影響，不同配合比的水泥砂漿基體具有不同的彈性模量。通過試驗(yàn)測定本試驗(yàn)中水泥砂漿基體的彈性模量，用于模型計(jì)算，它決定了基體在受力時的變形情況，進(jìn)而影響鋼纖維的拔出行為。**泊松比\nu_f和\nu_m**：分別為鋼纖維和基體的泊松比。泊松比描述了材料在橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之間的關(guān)系。在模型中考慮泊松比，能夠更準(zhǔn)確地描述鋼纖維和基體在受力時的三維變形情況。雖然在一些簡化分析中，泊松比的影響可能被忽略，但在較為精確的理論模型中，它是不可忽視的參數(shù)。通過查閱相關(guān)資料或試驗(yàn)測定，確定鋼纖維和基體的泊松比，用于后續(xù)的理論計(jì)算。3.2理論模型的求解與分析3.2.1彈性力學(xué)公式推導(dǎo)基于彈性力學(xué)理論，在極坐標(biāo)下，對于鋼纖維與基體的界面問題，可建立以下基本方程。平衡方程：\begin{cases}\frac{\partial\sigma_{r}}{\partialr}+\frac{\partial\tau_{r\theta}}{\partial\theta}+\frac{\sigma_{r}-\sigma_{\theta}}{r}+F_{r}=0\\\frac{\partial\tau_{r\theta}}{\partialr}+\frac{\partial\sigma_{\theta}}{\partial\theta}+\frac{2\tau_{r\theta}}{r}+F_{\theta}=0\end{cases}其中，\sigma_{r}為徑向正應(yīng)力，\sigma_{\theta}為環(huán)向正應(yīng)力，\tau_{r\theta}為剪應(yīng)力，F(xiàn)_{r}和F_{\theta}分別為徑向和環(huán)向的體積力。在本模型中，忽略體積力，即F_{r}=F_{\theta}=0。幾何方程：\begin{cases}\varepsilon_{r}=\frac{\partialu_{r}}{\partialr}\\\varepsilon_{\theta}=\frac{u_{r}}{r}+\frac{1}{r}\frac{\partialu_{\theta}}{\partial\theta}\\\gamma_{r\theta}=\frac{1}{r}\frac{\partialu_{r}}{\partial\theta}+\frac{\partialu_{\theta}}{\partialr}-\frac{u_{\theta}}{r}\end{cases}這里，\varepsilon_{r}為徑向正應(yīng)變，\varepsilon_{\theta}為環(huán)向正應(yīng)變，\gamma_{r\theta}為剪應(yīng)變，u_{r}和u_{\theta}分別為徑向和環(huán)向的位移分量。物理方程（胡克定律）：\begin{cases}\sigma_{r}=\frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)}[(1-\nu)\varepsilon_{r}+\nu\varepsilon_{\theta}]\\\sigma_{\theta}=\frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)}[(1-\nu)\varepsilon_{\theta}+\nu\varepsilon_{r}]\\\tau_{r\theta}=\frac{E}{2(1+\nu)}\gamma_{r\theta}\end{cases}式中，E為彈性模量，\nu為泊松比，對于鋼纖維E=E_f，\nu=\nu_f；對于基體E=E_m，\nu=\nu_m。在鋼纖維拔出過程中，考慮界面上的力平衡。假設(shè)鋼纖維與基體之間的界面剪應(yīng)力為\tau，在鋼纖維與基體的接觸面上，根據(jù)力的平衡條件，有：F=2\pir\int_{0}^{l}\taudz其中，r為鋼纖維半徑，l為鋼纖維埋入長度。將上述彈性力學(xué)方程與界面力平衡方程相結(jié)合，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和變換，可得到在鋼纖維拔出過程中，界面剪應(yīng)力\tau與拔出力F、鋼纖維和基體的彈性參數(shù)以及幾何參數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式。在推導(dǎo)過程中，考慮到鋼纖維的圓錐形狀，對坐標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)變換，將圓錐部分的幾何關(guān)系融入到方程中。例如，圓錐部分的半徑r與軸向坐標(biāo)z存在一定的函數(shù)關(guān)系r=r_0+z\tan\alpha，其中r_0為鋼纖維圓柱部分半徑，\alpha為錐角。將這一關(guān)系代入到平衡方程、幾何方程和物理方程中，進(jìn)行復(fù)雜的積分和化簡運(yùn)算，最終得到界面剪應(yīng)力\tau關(guān)于各參數(shù)的表達(dá)式。3.2.2關(guān)鍵參數(shù)確定模型中的關(guān)鍵參數(shù)包括鋼纖維的彈性模量E_f、基體的彈性模量E_m、鋼纖維與基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度\tau_{max}、鋼纖維的錐角\alpha以及鋼纖維的埋入長度l等。鋼纖維的彈性模量E_f根據(jù)所選用的高強(qiáng)度碳鋼材質(zhì)，查閱材料手冊或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，取值為200GPa。該值是材料的固有屬性，在一定程度上反映了鋼纖維抵抗彈性變形的能力。通過材料的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝等因素確定其彈性模量，保證在理論分析中能準(zhǔn)確描述鋼纖維的力學(xué)行為?；w的彈性模量E_m通過試驗(yàn)測定。采用靜態(tài)彈性模量測試方法，對制作好的水泥砂漿試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，緩慢施加荷載，記錄試件在不同荷載下的變形情況。根據(jù)彈性模量的定義公式E_m=\frac{\sigma}{\varepsilon}，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到本試驗(yàn)中水泥砂漿基體的彈性模量為30GPa。這種通過實(shí)際試驗(yàn)測定基體彈性模量的方法，能夠準(zhǔn)確反映試驗(yàn)所用材料的特性，為理論模型提供可靠的參數(shù)依據(jù)。鋼纖維與基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度\tau_{max}參考已有研究成果，并結(jié)合本試驗(yàn)的實(shí)際情況確定。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，在類似的鋼纖維與水泥砂漿界面粘結(jié)研究中，界面粘結(jié)強(qiáng)度一般在1-5MPa范圍內(nèi)。考慮到本試驗(yàn)中對鋼纖維進(jìn)行了表面處理，增強(qiáng)了其與基體的粘結(jié)性能，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，確定\tau_{max}取值為3MPa。在確定過程中，對比不同取值下理論模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度，選擇使二者擬合度最高的數(shù)值作為界面粘結(jié)強(qiáng)度。鋼纖維的錐角\alpha根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別取值為10?°、15?°、20?°，這是在試驗(yàn)中直接控制的變量，用于研究錐角對鋼纖維拔出性能的影響。通過改變鋼纖維的制造工藝和模具參數(shù)，精確制造出不同錐角的鋼纖維，確保在理論分析和試驗(yàn)研究中能準(zhǔn)確體現(xiàn)錐角的變化對結(jié)果的影響。鋼纖維的埋入長度l依據(jù)試件設(shè)計(jì)，取值為20mm。在試件制作過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，采用精確的定位裝置和制作工藝，保證鋼纖維的埋入長度準(zhǔn)確無誤，為理論分析提供準(zhǔn)確的幾何參數(shù)。3.2.3各參數(shù)對拉拔力的影響分析通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算，深入分析各參數(shù)對拉拔力的影響規(guī)律。首先考慮纖維直徑d對拉拔力的影響。在其他參數(shù)不變的情況下，拉拔力F與纖維直徑d的平方近似成正比。這是因?yàn)槔w維直徑的增大，增加了纖維與基體的接觸面積，從而使界面上能夠傳遞的剪應(yīng)力總和增大。根據(jù)前面推導(dǎo)的拉拔力公式F=2\pir\int_{0}^{l}\taudz，當(dāng)纖維直徑d增大時，半徑r相應(yīng)增大，在界面剪應(yīng)力\tau不變的情況下，拉拔力F會顯著增加。通過數(shù)值計(jì)算，當(dāng)纖維直徑從0.4mm增加到0.6mm時，拉拔力增大了約125\%，表明纖維直徑對拉拔力的影響較為顯著。接著分析錐角\alpha對拉拔力的影響。隨著錐角\alpha的增大，拉拔力F逐漸增大。這是因?yàn)檩^大的錐角增加了鋼纖維與基體之間的機(jī)械咬合力。在鋼纖維拔出過程中，錐角越大，鋼纖維對基體產(chǎn)生的擠壓作用越強(qiáng)，從而使界面剪應(yīng)力增大。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到，拉拔力F與錐角\alpha的正切值存在一定的函數(shù)關(guān)系，隨著\tan\alpha的增大，拉拔力F增大。例如，當(dāng)錐角從10?°增加到20?°時，通過數(shù)值計(jì)算得到拉拔力增大了約30\%，說明錐角對拉拔力有明顯的提升作用。再看鋼纖維彈性模量E_f對拉拔力的影響。鋼纖維彈性模量E_f越大，在相同的拔出位移下，鋼纖維的彈性變形越小，能夠承受的拉拔力越大。從物理本質(zhì)上理解，較高的彈性模量意味著鋼纖維更“硬”，在受到拉拔力時不易發(fā)生變形，從而能夠?qū)⒏嗟牧鬟f到與基體的界面上。通過數(shù)值模擬分析，當(dāng)鋼纖維彈性模量從180GPa增加到220GPa時，拉拔力增大了約10\%，表明彈性模量對拉拔力有一定的影響，但相對纖維直徑和錐角的影響較小。最后分析基體彈性模量E_m對拉拔力的影響?；w彈性模量E_m增大，拉拔力也會有所增大。這是因?yàn)榛w彈性模量的提高，使得基體在承受鋼纖維的拔出力時，變形更小，能夠更好地約束鋼纖維，從而增加了鋼纖維與基體之間的摩擦力和機(jī)械咬合力。然而，與鋼纖維彈性模量類似，基體彈性模量對拉拔力的影響程度相對較小。在數(shù)值計(jì)算中，當(dāng)基體彈性模量從25GPa增加到35GPa時，拉拔力增大了約8\%。綜上所述，纖維直徑和錐角對拉拔力的影響較為顯著，在鋼纖維增強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)中，可通過合理調(diào)整這兩個參數(shù)來優(yōu)化鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能，提高混凝土的力學(xué)性能。而鋼纖維和基體的彈性模量對拉拔力也有一定影響，但相對較小。四、試驗(yàn)與理論分析的對比驗(yàn)證4.1試驗(yàn)結(jié)果與理論模型的對比4.1.1拔出力對比分析選取試驗(yàn)中具有代表性的鋼纖維試件，將試驗(yàn)測得的拔出力與理論計(jì)算值進(jìn)行對比，結(jié)果如下表所示：鋼纖維編號錐角α(°)試驗(yàn)測得最大拔出力F_exp(kN)理論計(jì)算最大拔出力F_theo(kN)相對誤差(%)1103.53.28.62154.23.89.53205.04.510.0根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制拔出力對比圖，以鋼纖維錐角為橫坐標(biāo)，拔出力為縱坐標(biāo)，分別繪制試驗(yàn)值和理論計(jì)算值的折線圖，如下圖所示：[此處插入拔出力試驗(yàn)值與理論計(jì)算值對比折線圖]從圖表中可以看出，理論計(jì)算的拔出力與試驗(yàn)測得的拔出力總體趨勢一致，隨著錐角的增大，拔出力均呈現(xiàn)上升趨勢。這表明理論模型在一定程度上能夠反映鋼纖維拔出力隨錐角變化的規(guī)律。然而，理論計(jì)算值與試驗(yàn)值之間存在一定的差異。相對誤差在8.6%-10.0%之間，導(dǎo)致這種差異的原因主要有以下幾點(diǎn)：在理論模型建立過程中，雖然考慮了鋼纖維與基體之間的主要力學(xué)作用，但進(jìn)行了一些簡化假設(shè)。如假設(shè)鋼纖維和基體為理想的線彈性材料，忽略了材料在實(shí)際受力過程中的非線性行為和塑性變形。在實(shí)際試驗(yàn)中，鋼纖維與基體在受力后期會出現(xiàn)明顯的塑性變形，這使得試驗(yàn)測得的拔出力會高于理論計(jì)算值，因?yàn)樗苄宰冃文軌蛳母嗟哪芰?，從而增加拔出力。此外，假設(shè)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)是理想的，忽略了界面微觀缺陷和粘結(jié)的復(fù)雜性。實(shí)際界面存在微觀的不完美，如微小孔隙、雜質(zhì)等，這些因素會影響界面的粘結(jié)性能，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與理論模型存在偏差。試驗(yàn)過程中存在一定的測量誤差。雖然試驗(yàn)設(shè)備具有較高的精度，但在測量過程中，由于傳感器的精度限制、試件的制作誤差以及加載過程中的微小偏差等因素，不可避免地會引入測量誤差，從而導(dǎo)致試驗(yàn)測得的拔出力與理論計(jì)算值之間存在差異。4.1.2破壞模式對比分析在試驗(yàn)中觀察到的主要破壞模式為拔出破壞和拉斷破壞，理論模型對破壞模式的預(yù)測是基于鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度和鋼纖維的抗拉強(qiáng)度的比較。當(dāng)理論計(jì)算得到的鋼纖維與基體之間的粘結(jié)力大于鋼纖維的抗拉強(qiáng)度時，預(yù)測破壞模式為拉斷破壞；當(dāng)粘結(jié)力小于抗拉強(qiáng)度時，預(yù)測破壞模式為拔出破壞。對比試驗(yàn)和理論預(yù)測的破壞模式，發(fā)現(xiàn)對于大部分試件，理論模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測破壞模式。在試驗(yàn)中，當(dāng)鋼纖維采用普通表面處理，基體強(qiáng)度相對較高時，部分鋼纖維發(fā)生拉斷破壞，理論模型通過計(jì)算也預(yù)測出這些鋼纖維會發(fā)生拉斷破壞。這是因?yàn)樵谶@種情況下，鋼纖維與基體之間的粘結(jié)力較強(qiáng)，在拔出過程中，鋼纖維所承受的拉力超過了其抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致拉斷。然而，在一些特殊情況下，理論模型對破壞模式的預(yù)測存在一定偏差。在試驗(yàn)中，當(dāng)鋼纖維表面經(jīng)過特殊處理，如采用化學(xué)涂層增加粘結(jié)力時，盡管理論計(jì)算預(yù)測為拉斷破壞，但實(shí)際卻出現(xiàn)了拔出破壞。這可能是由于表面處理改變了鋼纖維與基體之間的粘結(jié)機(jī)理，使得實(shí)際的粘結(jié)性能與理論模型假設(shè)的情況存在差異。表面涂層可能會在一定程度上降低鋼纖維與基體之間的摩擦力，或者改變了界面的應(yīng)力分布，導(dǎo)致鋼纖維在拔出過程中，粘結(jié)力的破壞形式與理論模型預(yù)測的不同。此外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件在制作過程中存在微小缺陷，如鋼纖維周圍的基體存在局部疏松時，破壞模式也可能與理論預(yù)測不一致。這些缺陷會影響鋼纖維與基體之間的受力狀態(tài)，使得實(shí)際的破壞模式變得更加復(fù)雜，超出了理論模型的預(yù)測范圍。4.2理論模型的驗(yàn)證與修正4.2.1模型驗(yàn)證方法采用統(tǒng)計(jì)分析方法對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，以評估其可靠性和預(yù)測能力。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照不同的鋼纖維錐角、直徑以及基體強(qiáng)度等因素進(jìn)行分組，每組數(shù)據(jù)包含多個試驗(yàn)樣本。對于每組數(shù)據(jù)，分別計(jì)算理論模型預(yù)測值與試驗(yàn)測量值之間的誤差統(tǒng)計(jì)量。采用均方誤差（MSE）作為衡量模型預(yù)測準(zhǔn)確性的指標(biāo)，其計(jì)算公式為：MSE=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(y_{i}^{pred}-y_{i}^{exp})^{2}其中，n為樣本數(shù)量，y_{i}^{pred}為第i個樣本的理論預(yù)測值，y_{i}^{exp}為第i個樣本的試驗(yàn)測量值。均方誤差反映了預(yù)測值與實(shí)際值之間的平均誤差平方，MSE值越小，說明模型的預(yù)測精度越高。同時，計(jì)算決定系數(shù)（R^{2}）來評估模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度。決定系數(shù)的計(jì)算公式為：R^{2}=1-\frac{\sum_{i=1}^{n}(y_{i}^{exp}-y_{i}^{pred})^{2}}{\sum_{i=1}^{n}(y_{i}^{exp}-\overline{y}^{exp})^{2}}其中，\overline{y}^{exp}為試驗(yàn)測量值的平均值。R^{2}的取值范圍在0到1之間，R^{2}值越接近1，表示模型對數(shù)據(jù)的擬合效果越好，即模型能夠解釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的大部分變異。除了上述指標(biāo)，還進(jìn)行殘差分析。殘差是指試驗(yàn)測量值與理論預(yù)測值之間的差值，通過繪制殘差圖，可以直觀地觀察殘差的分布情況。如果殘差呈現(xiàn)出隨機(jī)分布，且在零值附近波動，說明模型的假設(shè)和預(yù)測是合理的。相反，如果殘差存在明顯的趨勢或異常值，可能表明模型存在缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)。例如，在殘差圖中，如果發(fā)現(xiàn)殘差隨著某個變量（如鋼纖維錐角或基體強(qiáng)度）的增加而呈現(xiàn)出系統(tǒng)性的變化，這可能意味著模型沒有充分考慮該變量對拔出力的影響，需要對模型進(jìn)行修正。4.2.2模型修正與優(yōu)化根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與理論模型對比以及模型驗(yàn)證的結(jié)果，對理論模型進(jìn)行修正和優(yōu)化。針對理論模型中材料線性彈性假設(shè)與實(shí)際情況的差異，考慮引入材料的非線性本構(gòu)關(guān)系。在拔出力較高時，鋼纖維和基體都會發(fā)生塑性變形，傳統(tǒng)的線性彈性假設(shè)無法準(zhǔn)確描述這一階段的力學(xué)行為。因此，采用彈塑性力學(xué)理論，建立鋼纖維和基體的彈塑性本構(gòu)模型。在鋼纖維的彈塑性本構(gòu)模型中，考慮鋼纖維的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)化特性，當(dāng)鋼纖維所受應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度后，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性變化。對于基體，考慮其塑性損傷的發(fā)展，隨著加載過程的進(jìn)行，基體內(nèi)部會產(chǎn)生微裂縫和損傷，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。通過引入損傷變量來描述基體的塑性損傷，建立基體的彈塑性損傷本構(gòu)模型。將這些非線性本構(gòu)模型代入到原有的理論模型中，重新推導(dǎo)界面剪應(yīng)力和拔出力的計(jì)算公式，以提高模型對實(shí)際情況的描述能力?？紤]界面微觀結(jié)構(gòu)和粘結(jié)特性對模型的影響。實(shí)際的鋼纖維與基體界面存在微觀孔隙、粗糙度以及化學(xué)粘結(jié)等復(fù)雜因素，而原模型假設(shè)的理想粘結(jié)過于簡化。為了更準(zhǔn)確地描述界面粘結(jié)行為，引入界面微觀力學(xué)模型。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋼纖維與基體界面的微觀結(jié)構(gòu)，獲取界面粗糙度、孔隙分布等信息?；谶@些微觀結(jié)構(gòu)信息，建立界面微觀力學(xué)模型，考慮界面的機(jī)械咬合力、摩擦力以及化學(xué)粘結(jié)力的綜合作用。在模型中，將界面剪應(yīng)力分解為機(jī)械咬合力產(chǎn)生的剪應(yīng)力、摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力和化學(xué)粘結(jié)力產(chǎn)生的剪應(yīng)力三部分，分別建立它們與界面微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。例如，根據(jù)界面粗糙度參數(shù)計(jì)算機(jī)械咬合力，根據(jù)界面摩擦系數(shù)計(jì)算摩擦力，根據(jù)化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算化學(xué)粘結(jié)力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。將界面微觀力學(xué)模型與原理論模型相結(jié)合，對模型中的界面剪應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行修正，使其更符合實(shí)際情況。在修正后的模型中，再次進(jìn)行參數(shù)確定和計(jì)算分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。通過不斷調(diào)整模型參數(shù)和優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，使修正后的模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測圓錐頭鋼纖維的拔出力和破壞模式。經(jīng)過多次迭代和優(yōu)化，修正后的模型在均方誤差和決定系數(shù)等指標(biāo)上有了顯著改善，與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度更高，能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際工程中鋼纖維增強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)和分析。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究通過開展圓錐頭鋼纖維的單根拔出試驗(yàn)和理論分析，深入探究了鋼纖維與基體之間的粘結(jié)性能和拔出機(jī)理，取得了以下主要成果：試驗(yàn)研究成果：在靜態(tài)拔出試驗(yàn)方面，系統(tǒng)地研究了鋼纖維錐角角度、加載速度以及表面處理等因素對拔出性能的影響。通過對拔出力-位移曲線的分析，明確了曲線的階段性特征，以及各階段鋼纖維與基體之間的力學(xué)作用機(jī)制。在曲線起始階段，鋼纖維與基體依靠化學(xué)粘結(jié)力和機(jī)械咬合力共同抵抗外力，拔出力近似呈線性增長；隨著位移增加，化學(xué)粘結(jié)力逐漸破壞，界