掺轻质砂超高性能混凝土的轴拉力学性能

为研究轻质砂对不同试件尺寸下超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)拉伸应变强化性能的影响,采用轻质砂对原黄砂进行等体积替代,完成9组不同轻质砂体积率(0~35%)和不同试件厚度(30~100 mm)的单轴拉伸试验,并同步进行声发射实时探伤测试。结果表明:轻质砂体积率对UHPC弹性极限点对应应力和对应应变的影响较小,但轻质砂体积率由0增加到35%时,UHPC的极限抗拉强度和极限拉应变分别由10.6 MPa和2.35×10^(-3)提高到了19.4 MPa和4.3×10^(-3);轻质砂体积率大于15%时,UHPC的应变强化程度得到显著提升,试件内部产生的损伤点数更多且分布更均匀,展现出良好的裂缝控制能力;在相同轻质砂体积率下,UHPC的应变强化程度随试件厚度的增加而降低,且试件内部的损伤点趋于集中,表现出明显的尺寸效应。

新型可拆卸式钢-UHPC组合板的抗弯性能

为探究钢-薄层超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)轻型组合桥面体系在局部轮载下的抗弯性能,设计并开展了4块基于高强螺栓连接的可拆卸式钢-UHPC组合板的四点弯曲试验,研究了钢板类型、抗剪连接件间距对可拆卸式钢-UHPC组合板的破坏模式、荷载-挠度曲线、界面相对滑移、裂缝宽度、截面应变分布等影响规律,研究结果表明:在正弯矩荷载作用下,采用Q355钢板的组合板的破坏模式为高强螺栓被剪断,而采用负泊松比(negative Poisson’s ratio,NPR)钢板的组合板的破坏模式为部分高强螺栓被剪断、部分预埋带垫加长螺母被拔出、UHPC板由于失稳大面积压溃等;在相同的高强螺栓间距下,采用NPR钢板的组合板的板端相对滑移较小,说明NPR钢板有效延缓并限制了钢板与UHPC板的相对滑移,从而提升两者的协同变形能力,继而提高组合板的抗弯刚度及承载力等;由截面应变分析可知,由于NPR钢板的负泊松比效应、高刚度、高屈服强度,整个加载过程NPR钢板与底部UHPC层的拉应变保持着应变协调性,随着荷载的增大截面塑性中和轴的上移幅度可忽略不计。因此,在采用NPR钢板提升钢-UHPC组合板抗弯性能的前提下,应使UHPC厚度与NPR钢板的性能进行匹配,充分发挥两者的材料性能,避免失稳破坏先于UHPC材料强度破坏。

采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的抗弯性能

为提高钢-UHPC组合结构的延性,本文提出一种采用装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板。设计并完成了不同抗剪连接程度的组合板的抗弯性能试验,分析了组合板试件破坏形态、极限承载力、刚度、裂缝发展规律和板端滑移,并与采用焊接栓钉的钢-UHPC组合板进行了对比分析,讨论了组合板试件的可拆卸性,最后对其极限抗弯承载力和抗弯刚度进行了理论分析并推导了计算公式。结果表明:装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板破坏模式为纵向水平剪切黏结破坏;降低栓钉间距能提高组合板的协同变形能力,从而提高组合板结构的极限承载力、弹塑性阶段的刚度和裂缝控制能力;与采用焊接栓钉连接的钢-UHPC组合板对比,其在发生较大变形的情况下钢板和UHPC板仍然可较容易地拆卸分离;推导了装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板的极限承载力计算方法和抗弯刚度计算公式,提出了抗弯刚度计算时应对UHPC板高度进行折减,折减系数(βU)在正常使用阶段建议为0.85,理论计算结果与试验结果吻合良好。本文研究成果可为采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的设计和应用提供理论依据。

基于切口梁弯曲响应的UHPC受拉性能反演分析

为了更加快速、准确地获取超高性能混凝土(UHPC)材料的拉伸性能,该文基于切口梁四点弯曲试验获得的荷载-切口张开位移(CMOD)响应,提出了一种UHPC拉伸性能简化反演分析方法。该方法采用了考虑裂纹局部化的非线性铰模型和可描述拉伸应变硬化或应变软化特征的多折线UHPC受拉应力-应变关系。通过5种钢纤维掺量的UHPC切口梁弯曲试验和轴拉试验的验证以及模型参数分析表明:在切口梁弯曲响应的离散性较低时,提出的计算模型能够准确地预测应变硬化和应变软化UHPC的受拉初裂强度和极限强度;随弯曲响应的离散性增大,轴拉应力的预测值与实测值的偏差越大;特征长度及特征点数量对应变软化UHPC受拉应力-缝宽曲线预测结果的影响较小,但对于应变硬化UHPC,特征长度的增大和特征点的减少都会导致其极限强度预测值偏高。通过应用表明:采用基于荷载-CMOD响应的非线性铰模型预测UHPC的受拉性能具有较好的可行性。

UHPC的轴拉性能与裂缝宽度控制能力研究

为研究3种类型超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,简称UHPC)的轴拉应力-应变曲线及其裂缝宽度控制能力,包括高应变强化UHPC、低应变强化UHPC和应变软化UHPC.采用轴拉试验方法测试狗骨头形试件,得到UHPC的轴拉应力-应变曲线和缝宽-应变曲线.试验结果表明:高应变强化UHPC和低应变强化UHPC的轴拉应力-应变曲线均包括弹性段、应变强化段和应变软化段,应变软化UHPC只有弹性段和应变软化段;UHPC应变强化段和应变软化段的转折点是裂缝缓慢扩展和迅速扩展的临界点;提高UHPC的极限拉伸应变,即延长其应变强化段,有助于提高其裂缝宽度控制能力;高应变强化UHPC拉伸应变在0.42%之前,其裂缝宽度均小于0.05 mm.对比C50混凝土(极限应变、极限强度分别为0.012%、2.3 MPa),高应变强化UHPC优异的裂缝宽度控制能力避免了结构设计中受正常使用状态裂缝宽度验算限制的影响,同时可在钢筋屈服前与其全程协同工作,这使得钢筋增强高应变强化UHPC在某些需要对裂缝宽度进行严格控制的结构类型中具有很高的应用价值.

高应变强化超高性能混凝土的裂缝控制机理和研究

利用声发射无损探伤技术实时监测三种类型超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,简称UHPC)轴拉试验过程中内部损伤点的形成和演化过程,同时通过裂缝观测仪量测UHPC拉应变到达2000με时的缝宽。与低应变强化UHPC和应变软化UHPC相比,高应变强化UHPC具有高抗拉强度和"类金属"拉伸应变强化性能,在强化段区间内通过多点微裂纹均布开展的形式来平衡等量变形,表现出优异的裂缝宽度控制能力。气体渗透测试证明高应变强化UHPC抗气渗性能优异,且拉应变达到2000με后即刻卸载状态下的抗气渗性能仍要优于未受荷C50混凝土。基于高应变强化UHPC这些特性,将其应用于桥梁结构的高应力区或其他需要高抗裂性能的部位将是预应力混凝土之外的新方案,例如钢-UHPC轻型组合结构、斜拉桥的桥塔锚固区。

常温养护型超高性能混凝土的弯曲性能表征方法

采用4点弯曲试验方法对常温养护超高性能混凝土的弯曲性能进行了试验研究,并在试验结果的基础上讨论了适于超高性能混凝土UHPC弯曲性能的评价方法.试验结果表明,UHPC没有明显的初裂点,但有明显的"挠度硬化"行为.结合不同钢纤维掺量下UHPC荷载-挠度关系曲线,分析总结了三种国外常用的弯曲性能评价方法(ASTM C1018法、JSCE SF4法和ASTM C1609法)的优点和不足.通过比较分析,ASTM C1609规定的不同挠度及其对应的弯曲强度给予了UHPC结构设计更为准确的指标,能满足UHPC结构设计的多种需求.

聚氯乙烯塑管混凝土力学性能的试验研究

对PVC（聚氯乙烯）管混凝土组合材料的力学性能（包括强度、应力—应变曲线、应变能）进行了研究,并考虑了塑管厚度和核心混凝土强度等因素的影响.试验结果表明：PVC管混凝土极大改善了素混凝土的脆性问题,应变能的提高幅度在9.3-25.0倍之间.塑管混凝土的强度随核心混凝土强度以及塑管厚度的增大而提高,但增强系数随着核心混凝土强度的增大而降低.应力—应变曲线下降段的斜率大小由PVC管厚度决定,核心混凝土强度仅仅影响了PVC管混凝土的极限强度.

常温养护型超高性能混凝土的圆环约束收缩性能

研究了HCSA膨胀剂3种掺量(0%、3%、6%)下常温养护型超高性能混凝土(Ultra high performance concrete,UHPC)的圆环约束收缩性能,包括:(1)UHPC轴拉应力应变曲线测试;(2)根据GB/T50082的UHPC自由收缩实验;(3)根据ASTM C1581的UHPC圆环约束实验。结果表明,3种UHPC的极限拉伸应变均高于3 000με,28d总收缩值分别为1 005.6με、600.0με、462.2με,并且在圆环约束作用下转化为残余应变、弹性拉应变和塑性拉应变,其中塑性拉应变分别为700.4με、437.9με、389.9με。3种UHPC在拉伸应变达到1 000με时及圆环约束实验中均未发现0.01mm以上的可检测裂缝。基于拉伸实验和声发射损伤分析方法对UHPC进行应变分析,可知具有应变强化段的3种UHPC在圆环约束实验中的塑性变形以小于0.01mm的多点分布微裂纹形式存在。通过添加HCSA膨胀剂对常温养护型UHPC进行收缩补偿,可有效地降低UHPC自身的拉应力以及对原有结构的影响。

HDPE管混凝土延性和韧性的试验研究

通过对素混凝土和高密度聚乙烯(HDPE)管混凝土的轴压应力应变曲线的计算,得到了延性和韧性的表征参数——延性系数和应变能;研究了管壁厚度、核心混凝土强度对HDPE管混凝土延性和韧性的影响.结果表明,HDPE管混凝土的延性和韧性均远大于素混凝土,并随管壁厚度的增加显著提高;核心混凝土强度的增大只能有限提高HDPE管混凝土的韧性,并且会大大降低HDPE管混凝土的延性.

塑管混凝土力学性能的研究

为了提高桥梁柱状混凝土桥墩的耐久性,提出了塑管混凝土(plastic tube filledwith concret,简称PTFC)的新概念,并选择HDPE管作为约束混凝土的材料.研究了PTFC的力学性能包括增强系数和应力-应变曲线,考虑了塑管壁厚以及核心混凝土强度等级等因素的影响.结果表明,塑管混凝土具有良好的延性和抗压强度.该结论为塑管混凝土的设计及应用提供了一定的基础理论依据.

超高性能轻质混凝土的力学性能及微观结构

超高性能轻质混凝土(ultra-high performance lightweight concrete,UHPLC)是一种由高强水泥浆体、漂珠和纤维组成的密度低于1 950 kg/m^3的新型水泥基结构材料。本文研究了不同养护制度及养护龄期对UHPLC抗压强度、轴拉力学性能和弯曲性能的影响,最后利用扫描电镜观察了UHPLC中漂珠的微观形貌。结果表明:随着龄期增长,UHPLC的抗压强度、轴拉性能和弯曲性能均提高,并出现明显的应变强化现象,说明养护龄期对UHPLC基体强度和纤维-UHPLC基体的界面黏结强度均有显著提高作用;高温蒸汽养护3 d可促进UHPLC基体早期强度发展,使UHPLC的抗压强度和弯曲性能迅速达到标准养护28 d时的水平,显著缩短养护龄期,但对纤维-基体界面黏结强度的贡献不大,黏结强度仍主要受龄期影响;UHPLC实测密度为1 815.2 kg/m^3,100 mm立方体抗压强度达103.1 MPa,极限抗拉强度达7.60 MPa,极限拉应变达0.431%,出现明显的应变强化现象,弯曲峰值强度达22.43 MPa,满足了RPC160的抗折强度要求,实现了水泥基结构材料轻质高强的目标。

减缩剂和PVA纤维对超轻水泥复合材料收缩开裂行为的影响

研究了减缩剂和聚乙烯醇(PVA)纤维对超轻水泥复合材料(ULCC)收缩开裂行为的影响,测试了ULCC的基本力学性能、四点弯曲性能、自由收缩以及圆环约束条件下的开裂行为.结果表明:减缩剂可以明显降低ULCC的自由收缩,纤维对ULCC的自由收缩基本没有影响;由于纤维对裂纹的抑制作用,掺入PVA纤维可以比减缩剂更有效地控制ULCC的裂缝宽度,推迟首次开裂时间,其中以掺入6%减缩剂和长度12 mm细PVA纤维的效果最佳;弯曲试验中小挠度下的残余弯曲强度与纤维增强ULCC的早期最大裂缝宽度之间存在相关性.

超高性能轻质混凝土的循环拉伸力学性能

超高性能轻质混凝土(ultra-high performance lightweight concrete,UHPLC)是一种具有高拉压比和拉伸应变强化特性的轻质水泥基材料。为了阐述UHPLC与钢筋在钢筋屈服点之前的协同受拉机制,针对一种密度为1789 kg/m 3、抗压强度为63.1 MPa、极限拉伸应变约为2.4×10^(-3)~2.8×10^(-3)、极限抗拉强度约为6.9~7.8 MPa的UHPLC,采用自主研发的拉伸测试装置,研究其循环拉伸力学性能,分别考虑了4种加载条件(循环应变分别是2.0×10^(-4)、5.0×10^(-4)、1.0×10^(-3)、1.5×10^(-3))。试验结果表明:不同加载条件的UHPLC的循环拉伸应力-应变曲线的包络线与单调拉伸应力-应变全曲线具有较高的重合度;循环加载曲线的残余应变、加载刚度、卸载刚度均反映了桥接微裂纹的纤维脱黏状态,残余应变越大,说明纤维的脱黏长度越长,将导致UHPLC的加载、卸载刚度降低;UHPLC在循环加载作用下的累积应变小于其极限拉伸应变时,多次循环加载主要是对已脱黏部分纤维的循环拉伸作用;UHPLC的循环加载刚度退化率与累积残余应变的关系符合幂函数关系,拟合度为0.99。UHPLC的循环拉伸加载刚度本质上由纤维参与受拉的有效长度(脱黏部分)决定,可用累积残余应变来表征。

负泊松比钢筋与UHPC的黏结性能

为探究负泊松比钢筋(negative Poisson's patio rebar,NPR钢筋)与超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)的黏结性能,通过对27个拉拔试件进行中心拉拔试验,研究了UHPC种类、钢筋种类和外形、锚固长度以及保护层厚度等参数对NPR钢筋与UHPC间黏结性能的影响规律,并使用声发射技术对NPR钢筋与高应变强化型UHPC间的黏结滑移破坏损伤行为及破坏模式进行分析。试验结果表明:高应变强化型UHPC与NPR钢筋的黏结性能优于低应变强化型及应变软化型UHPC;随着锚固长度的增加,拉拔试验的极限荷载逐渐增加,荷载-滑移曲线趋势并未发生明显改变;保护层厚度较小时,会导致试件破坏呈现一定的脆性。NPR钢筋与高应变强化型UHPC间的黏结滑移破坏可分为初始、破坏和残余三个阶段,声发射试验可以较好地表征拉拔试验过程中基体损伤的演化进程。

超高性能轻质混凝土的弯曲性能研究

本文主要以漂珠作为轻集料,制备出密度在1700-1950kg/m^3的超高性能轻质混凝土(Ultra High Performance Light-weight Concrete,简称UHPLC),对其进行四点弯曲试验,并根据ASTM C1609标准研究其弯曲性能。研究表明:密度范围在1700~1950kg/m^3的UHPLC,其抗压强度在78.8~114.2MPa;2%体积率钢纤维掺量的UHPLC在开裂后有明显的挠度硬化行为,表现出优异的抗弯性能;根据ASTM C1609测试指标,随着密度的增加,UHPLC的初裂强度、0.5mm挠度下的残余强度、2mm挠度下的残余强度、峰值强度、弯曲韧性均增加;U1900抗压强度、抗弯强度比抗弯强度分别为114.2MPa、22.4MPa、11.7k Pa/kg·m-3,其抗弯性能可达国家标准《活性粉末混凝土》RPC160水平,比抗弯强度超过RPC最高等级RPC180。

塑管−混凝土界面密闭性能改善措施

为改善塑管混凝土结构的界面密闭性能,研究了在塑管−混凝土界面粘贴一种双面压敏胶带——Preprufe胶带的作用.通过界面黏结强度、界面渗水高度和界面透气性实验,测得塑管混凝土结构的界面黏结强度、界面渗水高度、气体压力−时间衰减曲线,推导出界面渗透指数.试验结果表明,界面黏结强度与粘贴胶带的宽度的关系可初步认为符合幂函数分布,压敏性粘合剂胶层与液态混凝土在硬化过程中形成的黏结强度远大于普通黏性层与塑管间的黏结强度.粘贴Preprufe胶带可显著提高塑管−混凝土界面抗渗能力.界面渗透指数随粘贴胶带的宽度增大呈明显的递减趋势,粘贴220 mm宽胶带的塑管混凝土试件界面渗透指数仅为基准塑管混凝土试件的2.86%.Preprufe双面压敏胶带在改善塑管−混凝土界面密闭性能上有良好的表现.在工程应用中可综合考虑所需效果和价格成本来选取粘贴胶带的宽度.

塑管混凝土界面透气性研究

提出了一种基于压力时间衰减法测定塑管混凝土界面透气性的方法,并研究不同界面改善措施对塑管混凝土界面透气性的影响.研究结果表明:透气性试验具有较高的重复性和稳定性;塑管混凝土界面的透气性随HEA膨胀剂掺量的提高而降低;Preprufe胶带能明显改善塑管-混凝土界面的粘结性能,使压力衰减时间或抗渗性能提高了一个数量级.最后,拟合压力-时间衰减曲线,并提出了经验函数式.

超高性能混凝土薄层加固法在槽形梁桥中的应用

预应力混凝土槽形梁桥的主梁连接板在运营过程中易产生开裂病害,为修复桥面板的裂缝,改善桥梁受力,提出超高性能混凝土(UHPC)薄层加固法(在桥面板底部浇筑1层UHPC,与原结构整体受力),以沪嘉高速公路蕰藻浜大桥加固项目为背景,论述该方法在该桥加固中的应用。为检验加固效果,采用ANSYS建立甲式桥面板(槽形主梁连接板)的局部有限元模型进行应力分析,并通过荷载试验分析甲式桥面板加固前、后的受力及变形。通过理论和试验分析可知:加固后,在车辆荷载作用下,甲式桥面板的横向应力降至0.5 MPa以下,UHPC层拉应力为2.5MPa;甲式桥面板的横向应变降低了约65%,竖向挠度降低了约60%;UHPC层的应力实测值与有限元理论值基本一致。说明UHPC薄层加固法可有效改善桥面板受力,提高桥面板的刚度,减小桥面板的挠度。

高应变强化超高性能混凝土T形梁抗弯承载力

为探究配筋高应变强化T形超高性能混凝土(UHPC)梁的抗弯承载力计算方法,对5根梁试件进行了三分点加荷纯弯试验,试件变化参数为配筋率和配筋强度.绘制了钢筋与高应变强化UHPC的荷载-挠度曲线,将T形梁破坏过程分成3个阶段:弹性阶段、裂缝发展阶段、持荷至破坏阶段.与普通混凝土梁不同的是,在高应变强化UHPC梁体达到极限承载力时,受拉区UHPC对抗弯承载力有贡献作用;同时,受压区UHPC应力-应变依然为线性关系.在考虑受拉区UHPC开裂后抗拉强度的基础上,提出了受拉区UHPC等效矩形应力系数,在平截面假定基础上推导出了配筋高应变强化T形UHPC梁抗弯承载力计算公式,并与国外提出的计算方法进行对比,分析各计算方法的准确性.结果表明,所提出方法的计算值与试验值有较高的吻合度,可为配筋高应变强化T形UHPC梁理论分析和设计提供参考.