PVA–BF混杂纤维混凝土配置及在大体积混凝土工程中的应用

为了改善大体积混凝土水化热量高、抗裂性差等质量缺陷,提高大体积混凝土的综合应用特性,通过单因素试验的方法和工程应用研究了PVA–BF混杂纤维对混凝土流动性能、力学性能、水化热性能、抗裂性能的影响及其混凝土工程适应性。结果表明:(1)随着PVA–BF混杂纤维掺量的增加,混凝土坍落度值先增大后减小;3 d抗压强度先减小后增大;28 d抗压强度先增大后减小,掺量0.45%时达到最大值53.65 MPa。(2)掺加PVA–BF混杂纤维,混凝土1 d水化热有所降低,后期水化热在掺量0.15%时达到最低值。(3)随着PVA–BF混杂纤维掺量的增加,最大裂缝长度先减小后增大,掺量0.45%达到最低值462 mm,降低15.2%;最大裂缝宽度先减小后增大,掺量0.45%达到最低值0.16 mm,降低49.8%。由此可见,PVA–BF混杂纤维混凝土优化了大体积基础工程用混凝土综合影响,具有较高的应用价值,值得推广。

钢-玄武岩混杂纤维混凝土压力管道有限元分析

重点研究了掺入钢-玄武岩的混杂纤维混凝土对水电站压力管道外包混凝土承载特性、开裂后裂缝形态以及钢衬和钢筋应力的影响.对10组不同掺量的钢-玄武岩混杂纤维钢筋混凝土试件进行轴向拉伸试验,获得了钢-玄武岩混杂纤维混凝土的相关力学性能参数.以三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道结构为例,利用有限元软件对钢-玄武岩混杂纤维的掺入对压力管道钢材应力、管道外包混凝土裂缝扩展与裂缝宽度的影响进行分析.结合三峡水电站压力管道结构的大比尺模型试验结果,对比分析了钢衬钢筋钢-玄武岩混杂纤维混凝土压力管道与常规钢衬钢筋混凝土压力管道两种方案下的钢衬及钢筋应力.结果表明,掺入钢-玄武岩混杂纤维后压力管道结构整体受力更加均匀,且管道外包混凝土的裂缝数量和裂缝宽度也有显著的降低,同时压力管道的钢衬及钢筋应力明显降低.

高温后混杂纤维混凝土力学性能

通过高温后抗压强度和劈裂抗拉强度试验研究了温度、纤维种类、单掺玄武岩纤维掺量、混掺玄武岩纤维(BF)及纤维素纤维(CF)对混凝土力学性能的影响。结果表明:单掺BF或CF均可提升高温后混凝土的抗压及劈裂抗拉强度,相同体积掺量时单掺BF提升效果优于CF。各温度下,随着BF体积掺量的增加,抗压强度与劈裂抗拉强度增加。试验中,单掺玄武岩纤维最佳体积掺量为0.20%,混凝土抗压强度增加率为13.1%~32.6%,劈裂抗拉强度增加率为28.0%~62.4%。各温度下适量混掺BF和CF可以提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,二者具有正混杂效应,比单掺纤维增强效果好。混掺BF体积掺量为0.15%和CF体积掺量为0.10%的B2C1组试件抗压强度和劈裂抗拉强度最高,与普通混凝土相比,抗压强度增加率为14.8%~36.2%,劈裂抗拉强度增加率为31.6%~75.3%。引入协同效应系数分析了玄武岩纤维与纤维素纤维的正负混杂效应,并建立了高温后纤维混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度计算模型,可用于纤维混凝土结构设计及灾后性能评估。

钢-PVA混杂纤维高性能混凝土断裂性能与弯曲韧性试验

为了研究钢-聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)混杂纤维对高性能混凝土(high performance concrete,HPC)的增强增韧效果,以钢纤维体积分数、PVA纤维体积分数和矿粉掺量为三因素,采用正交试验,设计并制作16组试件,进行四点加载和三点加载弯曲试验,获取了荷载(P)-跨中挠度(δ)曲线和荷载(P)-裂缝张口位移(crack mouth opening displacement,CMOD)曲线,测定了28 d龄期后的弯曲韧性和断裂性能等。研究表明:混凝土中掺入钢纤维或PVA纤维,P-δ曲线和P-CMOD曲线都变得更加饱满,对其有较为明显的增强增韧效果;特别是当两种纤维和一定量的矿粉掺入混凝土中,曲线下降段趋势变得更加平缓,混掺纤维高性能混凝土试件比单掺纤维混凝土试件具有更好的变形能力,掺入1.5%的钢纤维、0.2%的PVA纤维和20%的矿粉的效果最佳,对弯曲韧性和断裂性能的提升最为显著,具有不错的正混杂效应。

钢-PVA混杂纤维高性能混凝土高温后残余力学性能试验研究

为探究3种因素钢纤维、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维和矿粉对钢-PVA混杂纤维高性能混凝土(hybrid fiber high performance concrete,HFHPC)高温后残余力学性能的影响。对钢纤维、PVA纤维和矿粉3种因素各取3个水平,采用L_(9)(3^(3))方案进行正交设计,测试HFHPC遭受高温作用后的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度,并进行极差与方差分析。结果表明:钢纤维体积分数为2.0%时可以有效提高HFHPC的各项强度。PVA纤维能够抑制混凝土爆裂,与钢纤维混杂可体现优势互补。800℃时,当钢纤维体积分数为2.0%、PVA纤维体积分数为0.3%、矿粉掺量为10%时,HFHPC的抗压强度残余率与劈拉强度残余率达到最高,分别为60.23%和74.5%。当矿粉掺量大于10%时,HFHPC抗压强度可显著提高,而劈拉强度与抗折强度略有下降。最后分别建立了HFHPC立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的预测模型。

高温后钢-PVA混杂纤维高性能混凝土与变形钢筋黏结性能试验

为研究高温后钢-聚乙烯醇(polyvinyl alcohols,PVA)混杂纤维高性能混凝土(hybrid fiber high performance concrete,HFHPC)与变形钢筋的黏结性能退化规律,以200、400、600、800℃为目标温度,选取钢纤维体积率、PVA纤维体积率、矿粉掺量为正交试验因素设计并制作25组HFHPC试件,完成了单调荷载下的中心拉拔试验。结果表明:高温后各组HFHPC试件黏结破坏形态均表现为钢筋拔出破坏;试验温度范围内,对HFHPC试件黏结强度的影响程度均为:钢纤维体积率最大、矿粉掺量次之、PVA纤维体积率最小;随着温度的升高,HFHPC试件黏结强度逐渐下降,且在相同温度条件下,HFHPC试件黏结强度和峰值滑移相比于未掺纤维的混凝土试件均有所提升,其中,200℃时HFHPC试件的黏结强度提升最为显著,分别提升了33.69%、35.76%、37.54%和46.03%;混杂纤维能显著提高高温后高性能混凝土与钢筋的峰值界面能,明显改善黏结延性和耗能能力;提出的考虑温度作用后的混杂纤维混凝土与钢筋黏结-滑移模型与试验实测结果吻合较好,可为火灾后混杂纤维高性能混凝土结构损伤评估及加固方案提供参考。

基于响应面法的混杂纤维ECC劈裂抗拉强度分析

为研究基于响应面法的钢纤维(SF)掺量、聚丙烯纤维(PP)掺量和粉煤灰(FA)掺量对混杂纤维ECC材料劈裂抗拉强度的影响,采用响应面中的Box-Behnken试验设计方法构建劈裂抗拉强度响应面模型,取得响应值的二次多项式回归方程,以聚丙烯纤维掺量(0.5%,1%,1.5%)、钢纤维掺量(0.5%,1%,1.5%)和粉煤灰掺量(40%,60%,80%)3个因素为响应因子,以劈裂抗拉强度作为响应值,通过方差分析证明模型的可靠性,并优化处理其配合比参数。

混杂纤维混凝土的力学性能及微观分析

通过L9(33)正交试验研究了玄武岩纤维(BF)、聚丙烯纤维(PPF)和粉煤灰的掺量对混凝土力学性能的影响,并进行了微观分析。结果表明:混掺适量PPF和BF,同时掺入适量粉煤灰可有效改善混杂纤维混凝土的力学性能及微观结构;综合考虑,推荐PPF、BF、粉煤灰的掺量分别为0.10%、0.10%、20%。

玻/碳混杂纤维复合材料加筋板的屈曲和后屈曲分析

对玻/碳混杂纤维复合材料加筋板进行了研究,借助有限元软件ABAQUS对加筋板的屈曲载荷和极限承载能力进行了计算,讨论了筋条截面形式、筋条数量、筋条尺寸对复合材料加筋板屈曲载荷的影响,研究了后屈曲阶段结构的载荷-位移曲线以及损伤失效模式。结果表明:工字形加筋方式优于J形和T形加筋方式。相同的加筋方式下,玻/碳夹芯混杂纤维复合材料加筋板的抗屈曲能力优于层间混杂复合材料加筋板抗屈曲能力。三种加筋方式下,结构的屈曲载荷均随着筋条数量的增加而提高,且筋条数目为3时提升效率最大;筋条高度为10 mm时对结构抗屈曲能力的提高效率最高,上缘条宽度和下缘条宽度对屈曲载荷的影响较小。此外,后屈曲失效模式主要为基体的拉伸损伤失效和纤维的压缩损伤失效,损伤的区域和趋势主要与纤维铺设角度和铺设顺序有关。

混杂纤维增强超高性能混凝土的高温性能试验研究

本文对混杂钢纤维(SF)-聚丙烯纤维(PPF)-硫酸钙晶须(CSW)增强超高性能混凝土(UHPC)进行高温试验(200~800℃),研究了混杂纤维增强UHPC高温前后的物理力学性能,并借助光学显微镜和扫描电子显微镜进行微观形貌观测,探讨了基体裂缝发展过程中多尺度纤维的作用机理。结果表明:随着温度升高,UHPC的质量损失率呈增大趋势,而超声波速则呈下降趋势,同时混杂SF-PPF-CSW对基体超声波速的降低有一定减缓作用;当温度小于400℃时,混杂SF-PPF-CSW增强UHPC的弯曲强度变化微弱(<5%),超过400℃后则迅速下降,在800℃下仅为初始强度的19.2%~24.7%;残余抗压强度随温度升高呈先上升后下降趋势,在400℃时达到峰值,较常温时提升了48.9%~62.0%;各温度下,掺加SF-PPF-CSW的UHPC物理力学性能均得到了有效提升,其中混杂1.7%(体积分数)SF、0.3%(体积分数)PPF、1.0%(体积分数)CSW对UHPC力学性能提升效果最佳。

聚丙烯-玄武岩混杂纤维混凝土力学性能试验研究

利用正交试验法定量研究玄武岩纤维长度(A)、玄武岩纤维掺量(B)、聚丙烯纤维掺量(C)对混凝土强度的影响变化趋势,并进行统计分析。研究结果表明:玄武岩纤维(BF)与聚丙烯纤维(PPF)混杂呈现出正混杂效应,BF掺量的影响表现最显著。混凝土试件抗压强度随玄武岩纤维掺量的增加而降低,聚丙烯纤维最佳掺量范围为0.1%~0.15%,最优水平组合是A_(2)B_(1)C_(2);劈拉强度和抗折强度最优水平组合是A_(2)B_(2)C_(3)。

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料永久模板叠合RC单向板短期刚度计算方法

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)具有良好的受拉韧性和耐久性能,是永久模板的理想材料。首先探究了PVA纤维掺量对HFRCC工作性能和抗折强度的影响,随着PVA纤维掺量增加,HFRCC的工作性能显著减弱,抗折强度先增大再减小,最终选用含有1.5%钢纤维和0.25%PVA纤维的HFRCC来制作永久模板。随后对六个HFRCC永久模板叠合RC单向板和一个RC单向板进行了四点受弯试验,探究了HFRCC-RC界面处理方式和配筋率对叠合板受弯性能的影响。试验结果表明:抹平、等距凹槽和钢钉拉毛三种界面处理方式对叠合板受弯性能的影响可以忽略;HFRCC模板能够有效限制裂缝发展,减小裂缝宽度和间距,叠合板的开裂弯矩相比于普通混凝土板提高了20.1%~31.7%。分别采用刚度解析法和有效惯性矩法建立了HFRCC-RC叠合板短期刚度计算方法,两种方法均有较高的计算精度且离散性较小。

PVA/钢混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)配合比优化及评价方法

将钢纤维、国产PVA纤维和日本PVA纤维按照适宜比例进行配制,不同纤维材料性能相互补充、取长补短,可以更好发挥出混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)的力学性能,有利于其成本控制,具有广泛应用前景。通过正交试验极差结果择优和信噪比S/N稳定性择优两种方法分析粉煤灰掺量、水胶比、砂胶比、钢纤维掺量、国产PVA掺量和日产PVA掺量对混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)抗拉强度和抗弯强度的影响规律,对比两种方法的结果,并建立各因素和响应量之间的回归关系,与和易性工程性能相结合,给出HFRCC的最优配合比。结果表明:信噪比S/N稳定性择优方案更加准确和全面。粉煤灰掺量、钢纤维掺量、国产PVA掺量和日产PVA掺量对HFRCC的响应量影响较大,水胶比和砂胶比影响较小;建立数学模型预测和优选配合比,HFRCC抗拉强度最大可以达到6.36 MPa,抗弯强度最大可以达到13.90 MPa,预测值和试验值之间的相对误差绝对值均接近3%,且和易性能较好。研究结果可以为混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)的制备提供依据。

玄武岩-纤维素混杂纤维混凝土抗冻性能研究

研究了玄武岩纤维(BF)、纤维素纤维(CF)、玄武岩-纤维素混杂纤维(BF-CF混杂纤维)对混凝土抗冻性能的影响,并进行了SEM分析。结果表明:单掺BF或CF均能提升混凝土的抗冻性能,其中,BF的提升效果更好;随着BF或CF掺量的增加,混凝土的抗冻性能呈先提高后降低的趋势,且均优于未掺纤维组;BF-CF混杂纤维对混凝土抗冻性能的改善效果优于单掺纤维,且当BF与CF的混掺比例为2∶1时,混凝土的抗冻性能相对最优;纤维混凝土在150次冻融循环后仍能保持较为紧密的内部结构。

钢-PVA混杂纤维水泥基力学性能与工程经济评价

为了研究出最具性价比的纤维水泥基配合比,在水泥基体中加入了钢纤维(SF)、日产聚乙烯醇纤维(PVA-R)、国产聚乙烯醇纤维(PVA-G),制备出一种新型的多元混杂纤维增强水泥基复合材料(MFECC),对该批试件进行抗压、抗拉、抗弯试验,研究了MFECC的抗压、抗拉、抗弯三种力学性能,并对压、拉、弯三种破坏形态进行描述分析。考虑了水泥基与三种纤维成本以及影响水泥基的上述三种力学性能因素,引入层次分析法以及价值工程分析方法计算性价比。试验结果表明,加入PVA-G后,MFECC的力学性能相较于仅掺PVA-R有所降低,但与传统水泥基材料相比,仍表现出较好的力学性能,在SF掺量为0.2vol%与0.4vol%时,PVA-G完全代替PVA-R,且PVA-G掺量为2.0vol%的情况下,综合性能指数分别为2.21和2.48,大于基体材料的两倍。分析结果表明,SF、PVA-R、PVA-G体积掺量分别为0.4vol%、0vol%和2.0vol%时,价值指数为0.895,最具有性价比。本研究既反映了纤维种类及掺量对水泥基材料的影响,又便于选取经济实用的MFECC,可供工程设计及工程经济综合考量应用。

混杂纤维高强轻骨料混凝土单轴受压试验研究

为了改善高强轻骨料混凝土(HSLC)的脆性破坏特征,采用钢纤维(SF)和聚丙烯纤维(PF)对HSLC进行增强,通过单轴受压试验研究两种纤维对HSLC单轴受压性能的影响。结果表明:SF和PF的体积掺量分别为2.0%和0.2%时具有最优的混杂效应,应力-应变曲线拐点处应力和收敛点处应变较单掺SF时分别提高了10.0%和56.5%,较单掺PF时分别提高了99.1%和150%;混杂纤维使HSLC的峰值应力、峰值应变和弹性模量最高分别提升了19.0%、1.20%和16.9%。最后,基于试验数据,提出了考虑两种纤维混杂效应的峰值应力、峰值应变和弹性模量的计算公式,建立了双参数混杂纤维增强HSLC的单轴受压本构模型,并且其与试验曲线吻合较好。该研究结果可为纤维增强HSLC的结构设计提供理论参考。

混杂纤维混凝土的工作性、力学性能和弯曲韧性研究

在混杂纤维(PVA、PP纤维)总掺量不变的情况下,研究了纤维混掺比例VPVA∶VPP(0∶5、1∶4、2∶3、3∶2、4∶1、5∶0)对混凝土工作性、力学性能和弯曲韧性的影响。结果表明:随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的流动度降低,抗压强度和初裂荷载变化不大,抗折强度、峰值荷载、等效弯曲强度和等效弯曲韧性显著增大。

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土冻融损伤试验研究

为研究混杂纤维对高性能混凝土抗冻性能的改善效果,对普通素混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土开展快速冻融循环试验,对冻融作用下试样的各项强度指标进行了检测,并对其质量损失率及相对动弹性模量的变化规律进行了分析。研究结果表明:掺加纤维有利于改善高性能混凝土的抗冻性能,钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗冻性能最好,经过200次冻融循环,其质量损失率,相对动弹性模量损失率和强度损失均最低;基于三次多项式建立的纤维混凝土冻融损伤模型比基于指数函数建立的纤维混凝土冻融损伤模型精确度更高,在描述纤维混凝土的冻融损伤程度上适用性较强。

GFRP筋混杂纤维混凝土隧道管片力学性能研究

为研究GFRP筋混杂纤维混凝土隧道管片的力学性能,进行了三个不同GFRP筋配筋率的钢-聚丙烯纤维混凝土管片静力受弯试验,获得了试件的破坏形态、承载力及裂缝扩展模式。考虑GFRP筋与混杂纤维混凝土的界面黏结,采用ABAQUS建立了GFRP筋混杂纤维混凝土管片的有限元模型,分析了不同混杂纤维掺量和配筋率对管片受弯承载力的影响。研究结果表明:GFRP筋混杂纤维混凝土管片的破坏主要是由跨中主裂缝贯穿和GFRP筋材断裂导致;在纤维体积掺量不变的情况下,提高纵向受拉GFRP筋的配筋率,可以有效提高管片的受弯承载力;在数值计算中,考虑GFRP筋与混杂纤维混凝土的界面黏结滑移的有限元模型能更准确地模拟试件的开裂荷载、极限荷载和弯曲刚度;在承载力不变的情况下,增加混杂纤维的体积分数能有效减少管片的配筋率,并且提高管片的抗变形能力;通过回归分析,提出了纤维掺量与配筋率关系的计算式,理论计算结果与数值结果符合较好。

混杂纤维水泥基复合材料抗拉抗折性能研究及强度预测

完善混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)的力学性能设计方法对补充现行纤维混凝土规范以及HFRCC的工程应用有着重要意义。本工作采用疏水型和亲水型的两种PVA纤维与钢纤维混合制备HFRCC。研究了三种纤维的混杂效应,提出了适用于该类型HFRCC的抗拉、抗折性能预测方法。试验结果显示:亲水型的PVA对水泥基抗拉性能和抗折性能增强效果分别是疏水型PVA的0.94倍和0.91倍,且其抗拉性能比抗折性能更容易受到过量纤维所带来的负面影响,建议将总纤维体积掺量控制在2.0%以内;进一步提出了多元纤维混杂模型,将多变量控制的混杂效应系数分解简化,推导了HFRCC抗拉强度和抗折强度计算公式,该模型性能预测误差在10%以内,可以较好地预测HFRCC的抗拉、抗折性能。