钢纤维间距对UHPC双丝拉拔性能的影响

通过双根钢纤维拉拔试验,研究超高性能混凝土(UHPC)中钢纤维间距(2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm和12 mm)对钢纤维在UHPC中拉拔性能的影响,采用0.2 mm的镀铜直圆形钢纤维,制作6组双丝试件和1组单丝试件进行拉拔试验.通过拉拔荷载-滑移曲线、平均黏结强度、钢纤维最大拉拔应力等参数,并结合扫描电子显微镜(SEM),观察了拔出后钢纤维的微观外貌、UHPC基体的隧洞微观形态和破坏部位的微观形态,全面分析了钢纤维的间距对UHPC基体-钢纤维拉拔性能的影响.试验结果表明:钢纤维拉拔结果具有一定的离散性;双丝拉拔试验的最大拉拔荷载小于相应单丝结果的两倍;钢纤维和UHPC基体隧洞有着不同程度的损伤,双丝试件中的钢纤维表面划痕和基体隧洞的孔洞破坏较单丝严重,单丝试件的隧洞内壁则相对完整.

Improving the Interfacial Mechanical Property of Fiber Reinforced Cement with Dielectric Barrier Discharge 1:The Pul - out Test

The effect of dielectric barrier discharge(DBD)on the interfacial mechanical property of polypropylene fiber reinforced cement is investigated with the aid of single fiber pull out test.The result shows that the DBD treatment improved the adhesion between the PP fiber and the surrounding cement matrix considerably without serious aging.Keywords:dielectric barrier discharge,single fiber pull-out test.

聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料单纤维拔出细观机理研究

目的 探索聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)高韧性、应变硬化宏观力学行为的细观机理,为其材料特性设计奠定理论基础。方法 基于黏聚力单元和非线性弹簧连接器,建立单PVA纤维/水泥基体的ABAQUS有限元模型,对单PVA纤维拔出水泥基体的全过程进行数值模拟分析。结果 PVA-ECC单纤维拉拔力-拉拔位移曲线可细分为线弹性阶段、连续脱黏阶段、整体滑移阶段、机械咬合硬化阶段和纤维磨损断裂阶段;纤维与水泥基体之间的传力机制包括剪滞切应力和机械咬合力;随着拉拔力的增加,机械咬合力逐渐成为主要传力机制。结论 水泥基体与纤维之间的机械咬合作用以及纤维表面的磨损是导致纤维断裂的根本原因,通过对纤维表面进行适当处理,可以降低水泥基体在机械咬合硬化阶段对纤维表面的磨损,使纤维断裂模式转变为纤维拔出模式,以更好地控制水泥基体的微裂纹失稳扩展,从而进一步提高PVA-ECC的韧性。

单根端钩型钢纤维在水泥净浆中的拉拔试验研究

常规水泥基材料脆性明显,容易开裂,而通过掺加纤维可以改善其韧性并提高其抗开裂能力。其中,纤维和水泥基基体材料的黏结性能决定了其改善效果。将不同的单根端钩型钢纤维预埋在“狗骨头”构型的水泥净浆中,通过拉拔试验获得了试样的拉力-位移曲线和破坏情况,并分析了纤维直径和龄期对破坏模式、峰值拉力、平均黏结强度和等效黏结强度的影响。结果表明:试验中水泥净浆的抗拉强度,钢纤维和水泥净浆基体之间的峰值拉力以及平均黏结强度随着龄期的延长均呈现非单调增加的趋势,并在第3天达到最大值;钢纤维和水泥净浆基体之间的平均黏结强度和等效黏结强度随着钢纤维直径的增大而减小。

基于PVA纤维-基体界面性能分析水泥基材料的弯曲性能

通过调整水胶比形成三种配比的聚乙烯醇纤维增强水泥基材料(PFRCC),应用单纤维拔出试验测定了PVA纤维-水泥基体界面参数(化学脱粘能Gd和摩擦粘结强度τ0),发现水胶比增加,界面性能参数Gd、τ0均降低;应用三点弯曲试验获得了材料的弯曲韧度和强度,基于PVA纤维-基体界面性能分析,并结合断裂面处PVA纤维宏观影像和微观的扫描电镜(SEM)影像,研究了界面性能对材料弯曲性能的影响。结果表明:低水胶比下由于裂缝处高的应力和界面处纤维与水泥基体高的化学粘结力使大量桥接裂缝的纤维瞬间断裂而失效,导致材料的弯曲韧度和从开裂到弯曲材料强度的增幅较小;中水胶比下裂缝处纤维脱粘后滑动并受摩擦粘结强度作用被严重刮削;高水胶比下裂缝处大量纤维由于界面处低的化学粘结力被拔出,而且拔出的纤维在滑动过程中由于低的摩擦粘结强度被轻微刮削,故桥接裂缝的纤维经历长的滑动,宏观上呈现出高的弯曲挠度特征,因而材料的弯曲韧度和强度的增加幅度显著提高。

基于单根纤维拉拔试验的波形纤维加筋土界面强度研究

纤维/土界面间的力学作用特性是决定纤维加筋土工程性质的关键因素。为了改善纤维/土界面作用力,开发了一种新型的波形纤维作为加筋材料,并自主设计了一套拉拔试验装置,对单根纤维加筋土开展了多组拉拔试验,定量获得了波形纤维加筋土的拉拔特性及界面剪切强度,通过与传统直线形纤维对比,分析了波形纤维/土界面的力学作用机理,并从理论上探讨了波形纤维的最大临界加筋长度。结果表明:提出的单根纤维拉拔试验方法及设计的试验装置为研究纤维/土界面力学作用提供了有效的途径,试验结果具有较好的可重复性;直线形纤维的拉拔曲线呈典型的单峰特征,拉力达到峰值后迅速减小到残余值并逐渐趋于稳定,而波形纤维的拉拔曲线呈显著的多峰特征,曲线波长与纤维的波长基本一致;通过对比,波形纤维/土界面剪切强度明显高于直线形纤维,强度值提高了178%,极大改善了纤维的加筋效果,此外,波形纤维拉拔曲线各峰值对应的界面剪切强度及残余剪切强度随拉拔位移呈指数递减趋势;利用测得的纤维/土界面剪切强度,结合纤维自身的抗拉强度和一些假设条件,能确定纤维的最大临界加筋长度,对实际工程设计有一定参考意义。

GFRP锚杆拉拔时效模型研究

近年来GFRP锚杆因耐腐蚀性好、强度重量比高等优点而逐渐应用于边坡等岩土体的支护,但其时效力学特性却对加固的岩土体造成了潜在的威胁。本文在分析GFRP锚杆拉拔机理的基础上,引入Merchant流变模型,建立了反映GFRP锚杆拉拔时效特性的黏弹性流变模型。根据推导出的控制方程,运用有限差分方法得到了锚杆轴力、剪应力和位移沿杆长的分布,及其随时间变化的规律。在该模型的基础上,对影响GFRP锚杆拉拔时效特性的主要因素进行了一系列的参数研究,并得到了一些关于GFRP锚杆加固机理的结论。

异型钢纤维拉拔界面模型

主要提出了一种新型的异型纤维拉拔界面模型,完成了整个拉拔过程中拉拔荷载与拉拔位移的对应计算。同传统的异型纤维拉拔计算模型相比,本模型不仅考虑到了拉拔过程中由于纤维的塑性变形而且考虑到了界面压力变化导致的界面摩擦变化所引起的荷载阻抗,此外,模型中还量化模拟了基体材料的剥落损伤行为及其对载荷释放的影响。最后从计算模拟结果与试验结果的对比来看,本模型具有较好的适应性。

水泥基体中仿生钢纤维的拔出试验

从仿生学的角度制备端部具有不同锥角(0°,2°,5°,7°)的异形钢纤维,根据纤维表面是否处理分为有化学黏结与无化学黏结2种,并使用MTS万能试验机测试了仿生异形钢纤维从水泥砂浆基体中以不同速率(2.5 mm/min,25 mm/min,250 mm/min)拔出的力和位移,并计算得到最大拔出力和拔出功.结果表明,当钢纤维端部锥角从0°增加到5°时,最大拔出力有明显的增加,但7°时稍有减小;对于5°及7°锥角的钢纤维,随着加载速率从2.5mm/min增大到250mm/min,钢纤维的最大拔出力分别增大20.2%和13.4%;而0°及2°锥角钢纤维在加载速率增加到250 mm/min时,最大拔出力相对于加载速率为25 mm/min时的最大拔出力分别减小25.9%和8.2%;0°,2°和5°有黏结钢纤维的最大拔出力与相同锥角无黏结钢纤维的最大拔出力相比,分别增加64.1%,22.2%和6.7%,而7°锥角有黏结钢纤维的最大拔出力比无黏结钢纤维的最大拔出力减小6.2%;3种加载速率下,2°锥角钢纤维拔出力所做的功最大,纤维表面是否处理对拔出功无明显影响;本文设计的异形钢纤维能有效增强钢纤维与水泥砂浆基体的等效黏结强度.

聚丙烯纤维与水泥砂浆粘结性能试验

提出了利用聚丙烯纤维拔出试验,分别测定水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度和水泥砂浆龄期不同的情况下纤维拔出力-拔出位移曲线,利用扫描电镜对纤维砂浆试件断面形貌进行了分析,研究了纤维与水泥砂浆的粘结性能.研究结果表明:聚丙烯纤维-水泥砂浆具有较好的粘结性,聚丙烯纤维粘结破坏形式为拔出破坏,因此聚丙烯纤维具有较好的耗能阻裂作用;水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度、水泥砂浆龄期直接影响着聚丙烯纤维-水泥砂浆的粘结强度,其中水灰质量比因素影响最大;当水灰质量比小于0.5时,聚丙烯纤维-水泥砂浆粘结强度和粘结功都随着水灰质量比的减小而增大,随着纤维埋入长度和纤维埋入角度的增大而增大.

聚丙烯纤维拔出试验声发射监测

系统地进行了室内纤维拔出试验和声发射试验,以探究聚丙烯纤维混凝土/砂浆材料的粘结破坏机理。根据聚丙烯纤维拔出试验的拔出力-拔出位移曲线,提出将聚丙烯纤维拔出破坏模型分五个阶段:完全粘结、完全粘结至部分脱粘、部分脱粘至最大脱粘、最大脱粘至完全脱粘、摩擦拔出。同步进行的声发射试验表明,累计计数-时间曲线与聚丙烯纤维拔出力-拔出位移曲线有较好的相关性,同时,声发射试验结果为提出的聚丙烯纤维拔出破坏模型提供了较好的佐证。

钢-连续纤维复合筋(SFCB)与混凝土粘结性能试验研究

钢-连续纤维复合筋（Steel Fiber Composite Bar，简称SFCB）是一种以钢筋为内芯外包纵向纤维的新型增强材料，具有较高的弹性模量、稳定的二次刚度及优异的耐腐蚀性能等特点。本文基于10个标准拉拔试件对SFCB与混凝土之间的粘结性能进行了研究，结果表明：SFCB与混凝土的粘结强度约为相应带肋钢筋的94％；拉拔试件的破坏形态可分为钢筋内芯屈服后SFCB拔出、钢筋内芯屈服前SFCB拔出和SFCB拉断3种；钢筋内芯屈服后SFCB拔出试件应力峰值点对应的自由端滑移值为1．76～1．84mm。本文所用SFCB为首次工业化制备出的复合筋，其粘结性能有一定的离散性，可以通过表面喷砂、表面缠肋以及变化肋的缠绕方向、间距和深度及制作工艺的进一步改善、成熟和稳定等方法来改善SFCB与混凝土的粘结性能。

异形钢纤维与混凝土粘结性能试验研究

自行设计了异形钢纤维与混凝土粘结强度试验方法.以混凝土基体强度、钢纤维形状和钢纤维埋角为参数,制作了24组试件,进行了钢纤维与混凝土基体的粘结试验.试验结果表明:混凝土基体强度、钢纤维形状以及钢纤维埋角是影响钢纤维与混凝土界面粘结强度以及异形钢纤维在拔出过程中所耗能量的主要因素;界面粘结强度随混凝土基体强度的提高而增大;B型(书钉型)钢纤维的粘结性能和拔出时所耗能量均优于J型(剪切平直型)钢纤维;界面粘结强度以及钢纤维拔出时的总耗能随钢纤维埋角的增大而降低.

弓形钢纤维增强水泥基材料断裂能模型

根据弓形钢纤维弯钩端变形情况对单根纤维拔出能量进行推导;应用概率统计方法综合评估了断裂面上各纤维的能量贡献,建立了相应的断裂能模型.试验验证表明,模型预测精度良好,且该断裂能模型与各细观参数,如纤维长度、弯钩端几何形状参数和水泥基体强度等密切相关,因此该模型不仅能用于预测弓形钢纤维增强水泥基材料的断裂能,还能用于该类材料的优化设计研究.

水泥基体中弓形钢纤维拔出耗能模型

鉴于弓形钢纤维几何形状的特殊性,对弓形钢纤维拔出过程中的摩擦能量和弯钩端塑性变形能量分别进行了理论推导;并采用能量叠加法完成了水泥基体中弓形钢纤维拔出能耗理论计算.模型预测结果与试验结果的验证表明,不论是对部分拔出还是全部拔出的弓形钢纤维拔出能量预测均与试验结果较为吻合,模型具有较好的准确性,这将有利于今后弓形钢纤维增强水泥基材料宏观断裂能理论预测研究工作的开展.

砂浆粘结GFRP土钉抗拔承载力室内试验研究

为探索GFRP筋代替钢筋用作土钉抗拉材料的可行性,自制了试验模型箱,通过室内拉拔试验,探讨了拉拔过程中砂浆粘结GFRP土钉钉头位移的变化情况以及极限抗拔力随上覆压力的变化规律.试验结果表明,砂浆粘结GFRP土钉的拉拔特性类似于砂浆粘结钢筋土钉,且钉头位移和拉拔荷载之间的关系可用双曲线来描述.此外,在进行土钉抗拔承载力计算时,对密实填土宜考虑钉土界面处的剪胀效应.

GFRP土钉拉拔特性研究

由于传统土钉材料存在易腐蚀、耐久性差等缺点,近年来以GFRP为代表的新型土钉材料得到了高度重视。针对GFRP土钉受力特性,运用双曲线模型描述其在拉拔过程中剪应力–剪应变关系,采用数值方法求解拉拔控制方程,从而确定轴力、剪应力及位移沿钉长的分布。同时,通过室内GFRP模型土钉的拉拔试验,验证了该模型预测结果的准确性。在此基础上,对土钉直径、土–钉界面抗剪强度、土–钉模量比等参数进行了参数分析,并针对GFRP土钉容许拉拔力的确定提出了按位移控制的思路。

废弃纤维再生混凝土黏结性能试验

为了研究废弃纤维再生混凝土与钢筋的黏结性能,选取再生骨料替代率(0%,25%,50%,75%,100%)、废弃纤维体积掺量(0%,0.12%,0.24%)为试验变量,制备7组共14个试件,进行半梁式单向拔出试验。根据试验结果,分析了再生骨料替代率和废弃纤维体积掺量对混凝土极限黏结应力和极限滑移量的作用机理。结果表明:再生骨料的加入降低了混凝土的黏结性能,但并未改变混凝土与钢筋原有的破坏方式,其黏结应力随再生骨料替代率的增加而下降,滑移量随再生骨料替代率的增加先降低后升高;废弃纤维的加入优化了再生混凝土与钢筋的黏结接触界面,提升了再生混凝土与钢筋的黏结性能;体积掺量0.12%的废弃纤维对黏结性能的提升效果最为明显;建立的废弃纤维再生混凝土极限黏结应力预测公式的计算结果与试验结果拟合良好,为进一步研究废弃纤维再生混凝土与钢筋的黏结性能和黏结应力预测奠定了基础。

黄麻纤维混凝土单轴拉伸理论曲线的建立及验证

建立黄麻纤维混凝土单轴拉伸应力-位移理论曲线可为实际工程设计提供依据并减少试验工作量和成本。基于自行设计的纤维拉拔试验,通过对几组黄麻纤维轴向和斜向拉拔试验曲线的理论假设和数学简化,建立了混凝土中黄麻纤维三维随机分布的细观拉拔模型。结果表明,通过该模型预测的黄麻纤维混凝土单轴拉伸应力-位移理论曲线与试验曲线基本相符,说明该模型是可行的。对其它相似类型的纤维可以采用同样方法从理论上预测该纤维混凝土的单拉曲线。

提高硼纤维/环氧复合材料界面抗剪强度的方法

采用单根硼纤维拔出模型分析了硼纤维拔出过程界面剪切应力的分布;同时设计了一种单纤维拔出试样制备方法,并测试了不同硼纤维/环氧复合材料界面抗剪强度。结果表明:界面脱粘前,在纤维包埋起始端部和包埋末端界面存在剪切应力极大值,纤维包埋中间部位剪切应力较小;采用液体丁腈橡胶改性环氧树脂的硼纤维/环氧复合材料界面抗剪强度比未改性环氧树脂的提高了135%。