混杂纤维水泥基材料(HFRCC)是在同一基体中同时掺入两种或多种纤 维，以克服单一纤维的不足而赋予水泥基材料优异的特性。自从二十世纪70 年代HFRCC问世以来就成为人们竞相研究的热点。当前对混杂纤维的研究大 多采用不同品种纤维组合以利用各种纤维对水泥基材料的贡献，不同几何尺寸 混杂纤维水泥基材料(GHFRCC)的力学行为及混杂效应机理尚缺乏系统地研究。 本文提出几何混杂纤维的概念并作为研究的切入点，首先系统地研究了掺 单一几何尺寸纤维水泥基材料的力学行为。发现纤维的尺度与所增强基体的结 构层次具有匹配性，而且单一几何尺寸纤维水泥基材料的抗拉(弯)强度和延性存 在竞争效应，即单掺某一几何尺寸纤维仅可有效改善某一方面的性能，另一方 面性能的改善并不明显；进而提出几何混杂纤维是优化水泥基材料力学行为的 有效方法；通过对比分析单一纤维与混杂纤维水泥基材料力学行为的差异，探 讨了几何混杂纤维混杂效应的作用机制；给出通过改变基体材料参数进一步优 化GHFRCC力学行为的技术途径；最后还研究了不同品种纤维几何混杂(碳-钢 纤维混杂、PP-钢纤维混杂)水泥基材料的力学行为，证实也同样存在混杂效应。 本文的研究工作得出了如下主要结论： 1.不同几何尺寸的钢纤维均可改善水泥基材料的力学行为，但其改善的程度 与纤维的直径及水泥基材料的结构层次有关。 2.纤维的几何尺寸与所增强的基体的结构层次具有特定的匹配性。在lf/df相 近的条件下，不同直径钢纤维水泥净浆的抗弯性能存在较大差异，随着钢纤维 直径的增加水泥净浆的弯曲强度逐渐降低；在砂浆层次，微细钢纤维(df=0.05mm) 的增强作用明显不如水泥净浆；中等钢纤维(df=0.2mm)对水泥净浆和砂浆初裂强 度的增强作用效果较为接近，其对砂浆极限强度的改善作用甚至超过微细钢纤 维；较大钢纤维对水泥净浆和砂浆的增强作用均比较差。 3.对某一结构层次的基体，单一几何尺寸钢纤维对水泥基材料的增强和增韧 作用存在竞争效应，即不同几何尺寸钢纤维对水泥基材料表现出相反的增强与 增韧效果。与df纤维增强作用的趋势相反，无论对水泥净浆、砂浆和混凝土， 纤维的增韧作用均随df增大而提高。其中微细钢纤维、中等钢纤维和较大钢纤 维(df=0.5mm)混凝土的断裂能比基准混凝土可分别提高1.7倍、8.5倍和9.4倍。 单掺某一几何尺寸的钢纤维难以实现增强和增韧的双重目的。 4.不同几何尺寸纤维对基体裂缝扩展的阻止作用并非孤立的，一种几何 尺度纤维提高基体的某一项性能，同时这种性能的提高又改变了另一几何尺 寸纤维的作用，从而GHFRCC的力学行为存在明显的混杂效应。在本文的试 验条件下，当微细钢纤维和中等直径钢纤维的混杂比在0.75∶0.75与0.5∶1.0 之间取值时，几何混杂纤维砂浆同时存在增强和增韧的混杂效应。在Vf一定 的情况下，纤维三元混杂混凝土的效果优于纤维二元混杂，也即纤维的尺度 与基体层次匹配越好，纤维的混杂效应发挥得越好。 5.基体强度对几何混杂纤维的混杂效应有重要影响。随着基体强度的提高， 混杂纤维增强作用的混杂效应减弱，而增韧作用的混杂效应受基体强度的影响 较小；几何混杂纤维的增强作用受集料掺量和粒径大小的影响，随着集胶比 (S/B)的增大，中等直径钢纤维对砂浆抗折强度的改善作用逐渐提高，当S/B较 大时宜相应提高中等钢纤维的混杂比。当集胶比大于某一值(在本文的试验条件 下为2.58)，几何混杂纤维(微细钢纤维+中等直径钢纤维)增强作用的混杂效应可 能消失。 6.不同品种(弹性模量)纤维混杂组合也是几何混杂纤维的一种方式。微细 碳纤维可有效提高初裂阶段的弯曲强度和断裂韧性，普通直径钢纤维主要改 善基体初裂后的性能；碳-钢纤维混杂水泥基材料在初裂阶段以及峰值荷载后 其强度和韧性均可提高。对于PP-钢纤维混杂水泥基材料，在变形较小的阶段， 尺度越小的钢纤维与PP纤维的混杂效应越明显。除了几何混杂纤维对水泥基 材料力学行为的混杂效应，考虑到原材料和施工成本以及后期维护费用， GHFRCC的技术经济价值相当可观。 关键词：水泥基材料；结构层次；几何混杂纤维；优化；初裂强度；断裂能； 竞争效应；混杂效应；