细聚丙烯纤维混凝土介观离散力学模型及其Ⅰ型断裂强度负效应机理

细聚丙烯(PP,直径小于100μm)纤维混凝土Ⅰ型断裂强度随纤维含量增加呈现先增后减的变化规律,其机理尚不明晰。而且由于纤维数量过多,现有数值方法无法精细刻画细纤维混凝土力学行为。对此通过考虑细PP纤维亲水性提升基体局部水灰比的强度正效应和纤维桥接力强度贡献低于砂浆的强度负效应,并引入纤维直径等效系数(rf),实现介观尺度细聚丙烯纤维混凝土(PFRC)力学行为模拟。研究表明:纤维直径等效系数(rf)建议小于10;当纤维微量添加时,细PP纤维提升基体局部水灰比,使基体强度上升,此时正效应高于负效应;随着纤维含量增加,由于纤维桥接力贡献无法补偿相应面积基体强度,负效应持续增长,PFRC宏观Ⅰ型断裂强度下降。

短切玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响

为了提高混凝土的力学性能,研究短切玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响规律。把不同体积掺量(0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%)、不同长度(6 mm、12 mm)的短切玄武岩纤维掺入以C40混凝土为主的不同基体强度等级的混凝土中,进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度试验,分析短切玄武岩纤维对混凝土力学性能产生的影响,并拟合出C40混凝土抗弯强度与短切玄武岩纤维体积掺量的数量关系。结果表明:同一掺量下,12 mm短切玄武岩纤维比6 mm短切玄武岩纤维提升混凝土力学性能效果更佳;C40混凝土在12 mm短切玄武岩纤维掺量为1%时,其立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、拉压比和抗弯强度对比未掺入玄武岩纤维的混凝土分别提高7.11%、30.00%、21.34%和24.89%,此时混凝土力学性能提升效果最佳。

玄武岩纤维棒聚合物混凝土的弯曲韧性

研究了玄武岩纤维棒(BFB)的纤维增强指数I_(R)对玄武岩纤维棒聚合物混凝土(BFB-PC)韧性指标T_((2(n-1)))(n)的影响,通过分形理论探究了T_((2(n-1)))(n)与裂缝形貌的关系,并建立了弯曲韧性计算模型.结果表明:当IR=90.0时,BFB对BFB-PC的增韧效果最优,此时BFB-PC的弯曲韧性比未掺BFB时提升了8.39倍;BFB的增韧阈值为IR=37.5和IR=90.0;当IR相同时,与未掺聚合物的混凝土相比,聚灰比为0.06的BFB-PC T_((2(n-1)))(n)更高;IR越大裂缝形貌越复杂,T(2(n-1))(n)与裂缝分形维数呈二次函数关系;本文提出的弯曲韧性计算模型准确描述了BFB对PC梁的增韧作用,其试验值与理论值的相对误差小于15.00%.

RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化计算模型研究

为了方便活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)等效矩形应力图系数与塑性损伤因子的计算与取值,对RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子的计算模型进行了理论研究。通过对现有的计算方法进行无量纲化转化,推导了决定计算模型的四个原函数条件;对一个实际的应力-应变关系进行了计算,将得到的结果进行了分析;并对受弯矩形梁非极限状态下截面内力和力矩的推定计算进行了演示。针对应力-应变关系式含有非整次有理分式的情况提出了曲线拟合方法;研究了拟合次数、拟合区间和拟合函数类型对拟合精度与稳定性的影响。比较了4种典型的RPC本构模型在同种材料下的应力-应变曲线系数与损伤因子取值模型曲线,结果显示:拟合曲线得到的取值模型与其他原始曲线得到的取值模型在曲线上具有较高的相似度,证明了曲线拟合方法的准确可靠性;最后给出了一种RPC受压应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化取值模型。

不同纤维对高强轻骨料混凝土力学性能影响及微观机理研究

为改善高强轻骨料混凝土的力学性能和弯曲韧性,研究了玄武岩纤维、细聚乙烯醇纤维、仿钢纤维、聚丙烯纤维和粗聚乙烯醇纤维的掺入对高强轻骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度的影响规律。通过4点弯曲试验获取荷载-挠度曲线,基于韧性指标对比分析了5种纤维对高强轻骨料混凝土弯曲韧性的影响。通过扫描电子显微镜观察纤维破坏前后的表面微观形貌,阐释了不同纤维的增强增韧机理。研究结果表明:掺入纤维对高强轻骨料混凝土的力学性能均有提升,主要提升高强轻骨料混凝土的抗拉性能和弯曲韧性。粗聚乙烯醇纤维提升劈裂抗拉强度和抗弯强度程度最大,分别提高了83%和220%,使高强轻骨料混凝土破坏由脆性转为高延性。纤维对高强轻骨料混凝土抗拉性能和韧性的提升与纤维表面损伤程度成正比。

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.

钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

对比研究了钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土(UHPC)工作性能及力学性能的影响,并通过SEM分析研究其演化机理。结果表明:随钢纤维掺量的增加,UHPC的工作性能变差,且端勾型钢纤维对工作性能劣化最明显。当钢纤维掺量为1.5%~2.5%时,端勾型和长直线型钢纤维UHPC的抗压、抗折及劈裂抗拉强度较高;当钢纤维掺量超过1.0%后,UHPC的拉压比会出现大幅提高,折压比相对提高不明显;当钢纤维掺量为1.5%~2.0%时,短直线型钢纤维UHPC的力学性能和工作性能最佳。SEM分析发现,钢纤维在基体中错向连续搭接分布,形成三维网状结构,能够阻止宏观裂缝的产生和微裂纹的发展,使UHPC表现出良好的力学性能。

钢纤维细石混凝土-钢组合板抗弯性能试验研究

钢纤维细石混凝土是一种具有优异力学性能和良好工作性的高性能混凝土复合材料。本试验针对正交异性钢桥面铺装层裂缝病害问题,对4组采用不同钢筋配筋率和保护层厚度的横桥向钢纤维细石混凝土-钢组合桥面板进行了抗弯破坏试验,研究了组合板的荷载-挠度关系与裂缝开展特征;用等效截面法计算了开裂应力、裂缝宽度和钢筋应力,验证了钢纤维细石混凝土-钢组合板的抗裂性能。结果表明:60 mm厚钢纤维细石混凝土铺装层在小配筋率(2.6%)和低于规范要求的保护层厚度(15 mm)条件下呈现出多缝开裂的破坏形态,具备较高的延性和开裂应力,满足规范和工程应用的要求。

玻璃纤维混凝土抗折性能及弯曲韧性试验研究

为研究玻璃纤维对混凝土的抗折性能及弯曲韧性的影响,以玻璃纤维掺量、玻璃纤维长度和混凝土基体强度等级为主要参数,对玻璃纤维混凝土小梁试件进行弯拉试验。结果表明:玻璃纤维掺入混凝土后,破坏形态得到改善,破坏后试件整体性能良好,抗折强度以及弯曲韧性均有显著提高;0.5%~1.5%时抗折强度随玻璃纤维掺量的增加而提高,1.5%~2.0%时随玻璃纤维掺量的增加而降低;抗折强度与弯曲韧性随玻璃纤维长度与基体强度的增加而增加。玻璃纤维可有效改善混凝土的抗折性能与弯曲韧性。

混杂网格增强超高性能混凝土双向板的弯曲性能

网格增强超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)具有轻质、高强、耐久性好等特性,已应用于薄壁结构和工程加固领域,但单一网格很难实现高效的增强增韧效应.为研究混杂网格增强UHPC双向板的抗弯性能,对3个钢丝网格与玻璃纤维网格混杂增强UHPC板、3个钢丝网格与玄武岩纤维网格混杂增强UHPC板、6个单一网格增强UHPC板和1个无网格UHPC对照板进行弯曲试验,研究网格种类、总层数及铺层方式对其破坏形态、承载能力和弯曲韧性的影响.结果表明:与单一钢丝网格板和单一玻璃纤维网格板相比,钢-玻璃纤维网格混杂板开裂后表现更显著的硬化现象,在连续网格与混杂短纤维协同效应下,板呈现多裂缝破坏模式,延性较理想.铺设2层网格时,钢-玻璃纤维网格混杂板的承载能力较单一钢丝网格板提升23.7%,且其在20 mm挠度处的残余承载力较单一玻璃纤维网格板提升28.2%;钢-玄武岩纤维网格混杂板峰前阶段的能量吸收值和20 mm挠度处的残余承载力均优于单一玄武岩纤维网格板.网格总层数为3层时,与单一玄武岩纤维网格板相比,2层钢丝网格与1层玄武岩纤维网格混杂增强板在峰前挠度为2 mm时的能量吸收值提高了21.6%,20 mm挠度处的残余承载力提高了42.6%.钢-玻璃纤维网格混杂板的网格强度利用率最理想,其承载能力、能量吸收值及弯曲韧性指标均高于钢-玄武岩纤维网格混杂板.最后,考虑网格强度有效利用率建立了混杂网格增强UHPC双向板抗弯承载力理论公式,适用性良好.

多尺度钢纤维混杂增强水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力

为更好地研究钢纤维混杂方式对水泥基材料的增强作用,本研究使用长度分别为6 mm(S)、13 mm(M)和35 mm(H)的三种钢纤维,进行单掺、双掺、三掺制备钢纤维增强水泥基材料,采用圆柱体试件进行落锤冲击试验,从冲击次数及耗能、破坏形态、裂缝宽度发展等方面探究混杂方式对水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力的影响。试验结果表明:钢纤维从单掺到三掺,材料抗冲击性能逐渐增强。钢纤维单掺对水泥基材料强度及抗冲击性能提升效果依次为:M>H>S;双掺组合方式从优到劣为:M+H>S+M>S+H,当1.5%(体积分数,下同)M与0.5%H混掺时材料的增强、增韧效果最佳,28 d抗折强度为22.6 MPa,较单掺M和H分别提高了3.2%和31.4%,抗压强度为154.8 MPa,较单掺M和H分别提高了40.1%和65.5%,初裂与破坏冲击耗能比单掺M和H分别提高了23.5%、425%和36.7%、300%;三掺最优掺量为0.5%S、0.5%M和1%H,初裂和破坏冲击耗能比最优双掺M1.5H0.5组分别提高了33.3%、1.9%。双参数的Weibull分布可以合理地描述钢纤维混杂增强水泥基材料的初裂冲击次数(N1)和破坏冲击次数(N2)。S抑制微裂缝的产生与扩张,M和H阻止宏观裂缝在不同受荷阶段的发展,在不同结构层次、不同受荷阶段发挥逐级阻裂作用。

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。

玻璃纤维增强聚合物管约束高强混凝土柱轴压试验研究

为研究玻璃纤维增强聚合物管约束高强混凝土柱的轴压性能,设计了6个不同长细比的试件并对其进行了轴心受压试验,分析了其破坏过程及破坏形态、承载力、位移、荷载-位移曲线、骨架曲线、荷载-应变曲线。研究表明:玻璃纤维增强聚合物管约束混凝土柱轴压承载性能优异,随着长细比的减小,试件的轴压承载力提升显著;加载后期,该组合结构的破坏模式为玻璃纤维增强聚合物管发生环向破坏,内部混凝土被压溃;玻璃纤维增强聚合物空管轴压承载力相对较低,破坏时脆性特征明显;随着长细比的减小,玻璃纤维增强聚合物管约束高强混凝土柱的承载力和刚度逐步增加,长细比对结构的承载能力影响显著。研究结果对玻璃纤维增强聚合物管约束高强混凝土柱的理论研究和工程应用具有一定的指导意义。

冻融循环作用下芳纶纤维增强混凝土力学性能研究

芳纶纤维具有纤维含量高、密度小、韧性大等特点,对提升混凝土材料的力学性能有着巨大的潜力。以芳纶纤维为原料,对冻融循环作用下不同纤维体积掺量(1%、2%、4%)及纤维长径比(200、400、600)的芳纶纤维增强混凝土(AFRC)力学性能进行试验研究,得到了AFRC的抗压强度和抗拉强度。试验结果表明,随着冻融循环次数的增加,混凝土的抗压强度和抗拉强度均有所降低。在循环60次时,AFRC抗压强度和抗拉强度均降低50%左右。AFRC抗压强度随纤维体积掺量的增加而降低,随纤维长径比的增加而增加,抗拉强度基本保持不变。此外,基于试验数据建立了芳纶纤维增强混凝土抗压强度及抗拉强度的预测与转换模型。

混杂纤维自密实混凝土弯曲韧性试验研究

为探究改性碳纳米管对混杂纤维自密实混凝土弯曲韧性的影响,通过分析不同纤维掺量下混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度试验和压弯强度试验,研究其荷载-挠度曲线,分析等效抗弯强度值和弯曲韧性比。结果表明:两种纤维分别在宏观和微观尺度上发挥着不同的阻裂效果,共同提升自密实混凝土的劈裂抗拉强度,同时也提高了混凝土的初始弯曲韧性比和初始等效抗弯强度,使混掺纤维自密实混凝土的初始弯曲韧性比增加了23.1%;在自密实混凝土试件三分点加载试验中,钢纤维掺量为1.8%,碳纳米管掺量为0.3%时,混凝土峰值荷载最高,达34840.2 N。

不同类型天然纤维对混凝土力学性能的影响研究

为了改善传统混凝土材料抗拉抗折强度低以及脆性较强的问题,以剑麻纤维、苎麻纤维、竹纤维和亚麻纤维4种不同类型的天然纤维为研究对象,考察了天然纤维掺量对混凝土力学性能的影响。试验结果表明:随着天然纤维掺量的不断增大,混凝土试件的抗压强度值逐渐降低,而劈裂抗拉强度和抗折强度值则均呈现出“先升高后降低”的趋势。在设计的混凝土配合比条件下,剑麻纤维和亚麻纤维对混凝土试件抗拉和抗折性能的改善效果明显优于竹纤维和苎麻纤维,并且其对混凝土抗压强度的影响也相对较小。当剑麻纤维的掺量为0.5%时,可使混凝土试件的劈裂抗拉强度和抗折强度分别提升20.24%和18.26%,而当亚麻纤维的掺量为2.0%时,可使混凝土试件的劈裂抗拉强度和抗折强度分别提升21.45%和28.13%。研究结果认为天然纤维的掺入能够明显提高混凝土试件的抗拉和抗折性能,但同时会降低其抗压强度。

碳纤维和EPS颗粒对RPC性能的影响

研究了不同掺量(0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、1.0%)的碳纤维(CF)全取代钢纤维(SF)对活性粉末混凝土(RPC)工作性的影响,优选出了适宜CF掺量;在此基础上,研究了EPS颗粒掺量(10%、20%、30%、40%、50%)对掺CF的RPC(CF-RPC)工作性、力学性能、干表观密度和导热系数的影响,并与同EPS颗粒掺量条件下掺SF的RPC(SF-RPC)性能进行了对比。结果表明:CF的适宜掺量为0.3%;随着EPS颗粒掺量的增加,CF-RPC试件的扩展度先增大后减小,抗压强度、抗折强度、干表观密度和导热系数均降低,韧性提升;与掺EPS的SF-RPC试件相比,掺EPS的CF-RPC试件的抗压强度较低,但韧性较好,干表观密度和导热系数均较低。

基于纤维-骨料细观分布的自密实钢纤维混凝土单调和循环压缩性能研究

自密实钢纤维混凝土(SFRSCC)压缩性能表现和内部组分含量及分散状态均具有显著关联。为探究这种关联特性,定制不同组分配比的SFRSCC拌合物来浇筑制备棱柱体试块,并分别开展单调及循环压缩实验探索其压缩性能特性研究;随后截取每组试块的数个特征截面,采用粗骨料面积占比来描述粗骨料含量,将钢纤维含量及分散情况量化为Voronoi增韧面积统计值,并结合实测数据建立压缩力学特性和内部组分含量及分布特性之间的关联。参考上述关联特性,建立SFRSCC单调和循环压缩弹塑性损伤本构性能曲线方程。研究结果表明:粗骨料含量的增长提高了基体弹性模量和峰值强度,但骨料胶结难以抑制宏观裂缝的非稳定扩展;纤维数量的增加可减小钢纤维的增韧区域面积,从而能够延缓峰后塑性变形的累积,控制宏观裂缝生成,这种增韧效应和Voronoi增韧面积呈负相关,与增韧效率系数呈正相关;在自密实工艺下,钢纤维数量增加会抑制粗骨料含量的增长,需平衡Voronoi面积和粗骨料面积占比以满足增韧与增强需求。建立的SFRSCC单调和循环压缩弹塑性损伤本构性能曲线方程可实现不同组分分布下SFRSCC结构局部压缩性能的可靠分析。

超高性能海水海砂混凝土单轴受压应力-应变关系

为研究超高性能海水海砂混凝土(Ultra-High Performance Seawater Sea-sand Concrete,UHPSSC)轴压应力-应变关系,探究钢纤维体积掺量对UHPSSC轴压力学性能和轴压应力-应变全曲线的影响,使用Instron 1346万能材料试验机测得UHPSSC应力-应变全曲线,借助Pycharm曲线拟合程序与已有混凝土应力-应变全曲线模型进行拟合与修正.结果表明:钢纤维掺量越高,轴压作用下UHPSSC的破坏程度越小,抗压强度和峰值应变也随之增加;已有模型拟合的UHPSSC应力-应变全曲线上升段与试验曲线比较相近,下降段后期差距较大;通过修正下降段形状参数,得到了更适用于描述UHPSSC应力-应变全曲线的修正模型,并验证该修正模型的适用范围.

组合梁栓钉对高性能混凝土约束收缩效应研究

为探究高性能混凝土在栓钉约束作用下的收缩特征及开裂行为,制作了钢-混凝土组合构件,通过试验研究了不同栓钉因素对高性能混凝土约束收缩应变、约束度及开裂风险的影响规律,运用正交试验方法研究了栓钉直径、间距、高度对高性能混凝土约束收缩的影响,得到了主要敏感因素。结果表明:高性能混凝土较普通混凝土的约束收缩应变发展趋势更为平滑;各栓钉因素对约束收缩的敏感性影响的主次顺序依次为直径、间距、高度;混凝土收缩在组合梁高度方向上呈现出一定的收缩梯度,混凝土约束收缩应变随高度增加而增大,但栓钉高度在30 mm处、间距在75 mm处、直径在150 mm处对高性能混凝土约束收缩几乎没有影响;栓钉对混凝土的约束作用可定义为3个阶段,即约束增强阶段、约束下降阶段和约束稳定阶段;组合梁构件最大开裂风险发生在栓钉的根部,当栓钉间距由150 mm减少到75 mm,直径由13 mm增加到22 mm时,最大开裂风险分别增加了20.03%和36.05%,栓钉高度的改变对最大开裂风险没有影响;采用高性能混凝土以及直径小、高度高的栓钉布置方式可以有效减小混凝土的收缩及开裂风险。