基于SHPB试验的多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态力学性能研究

选用两种聚丙烯细纤维及一种聚丙烯粗纤维,制备了9组纤维掺量比不同的混凝土试件。采用变截面大尺寸分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了冲击压缩试验,研究了在0.4 MPa冲击气压作用下,不同纤维掺量比对混凝土抗冲击性能的影响,基于引入损伤的Z-W-T本构模型对试验结果进行拟合分析。结果表明,单掺粗纤维可提高混凝土的整体性,且能显著提高混凝土破坏前的抗冲击性能,单掺细纤维主要是提高混凝土破坏后的抗冲击性能,而混掺纤维混凝土各个时期的抗冲击性能均得到提高,其中多尺寸纤维混掺的效果最好。

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m^3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。

干湿循环作用下聚丙烯纤维混凝土抗拉强度试验研究

混凝土中掺入聚丙烯纤维可有效提升其抗拉强度特性,但目前缺乏干湿循环作用下聚丙烯纤维混凝土抗拉强度及其微观机制的研究。通过考虑聚丙烯纤维掺量(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)及干湿循环次数(0~100次),对哑铃形试样开展单轴拉伸试验。分析干湿循环作用对聚丙烯纤维混凝土抗拉强度的影响,并结合干湿循环后试样质量损失率及微观孔隙结构,讨论上述影响的微观机制。结果表明,当聚丙烯纤维掺量小于0.6%时,聚丙烯纤维混凝土抗拉强度基本随聚丙烯纤维掺量的增大而增大;而当聚丙烯纤维掺量继续增加到0.8%时,抗拉强度出现下降;随着干湿循环次数的增加,抗拉强度逐渐降低;聚丙烯纤维掺量为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的试样经100次干湿循环后其抗拉强度分别下降了29.6%、22.8%、17.5%、11.7%、12.4%;干湿循环导致混凝土质量损失率上升,内部孔隙增大,进而导致抗裂强度显著降低。

振动荷载作用下聚丙烯纤维喷射混凝土孔隙结构及能量耗散试验研究

为探究振动荷载对隧道聚丙烯纤维喷射混凝土孔隙结构及力学性能影响规律,利用核磁共振检测仪(NMR)及电液伺服压力机对振动荷载作用下(0、1、5、10、15、20)喷射混凝土及聚丙烯纤维喷射混凝土孔隙结构及能量演化规律开展试验研究,分析聚丙烯纤维及振动荷载作用次数对喷射混凝土T2图谱、孔隙率、孔隙分形维数及能量耗散影响规律。结果表明:(1)混凝土试件T2图谱均呈三峰型,且主峰高度远大于次峰峰值。喷射混凝土主峰、次峰及三峰强度是聚丙烯喷纤维射混凝土的1.72倍、2.31倍、1.38倍,聚丙烯纤维的掺入使得喷射混凝土孔隙直径及孔隙数目均减小。(2)相较于振动荷载未作用试件,振动冲击荷载作用1次、5次、10次、15次、20次时喷射混凝土试件孔隙率增幅为1.62%、7.84%、19.19%、35.41%、52.70%,聚丙烯纤维喷射混凝土试件孔隙率增幅为0.93%、5.37%、19.90%、32.82%、53.82%,振动荷载作用次数的增加使得试件孔隙数目增加、直径增大,孔隙率增加。(3)振动荷载作用次数的增加使得两种混凝土试件孔隙分形维数均呈线性降低变化,试件内部孔隙形成连接贯通,孔隙结构的复杂程度降低。(4)振动荷载作用0次、1次、5次、10次、15次、20次时聚丙烯纤维喷射混凝土耗散能是喷射混凝土的4.86倍、4.82倍、5.02倍、4.97倍、4.86倍、4.73倍,聚丙烯纤维的掺入极大增强了喷射混凝土材料的耗能效果,在变形过程能能够吸收更多的外部输入能量而不发生破坏,极大增强喷射混凝土支护结构的安全稳定性。

高温后纤维素对聚丙烯纤维混凝土力学性能研究

为了研究高温后纤维素对聚丙烯纤维混凝土力学性能影响,共设计90个立方体试块和90个棱柱体试块,对其进行200~800℃的高温试验,分析其高温后试块的质量损失和力学性能。结果表明:①温度低于400℃时,混凝土质量损失较慢,高于600℃后,试件质量损失率迅速增大,掺纤维素时试件的质量损失率有所降低;②抗压强度随着温度的升高而降低,并且随着纤维掺量的增加,试件的抗压强度有所提高,常温下1%纤维掺量的纤维混凝土抗压强度较好,温度高于400℃后,掺纤维素后混凝土的抗压强度会显著降低;③抗折强度随纤维掺量的增加而增大,但纤维素的掺入会降低聚丙烯纤维混凝土高温后抗折强度。

聚丙烯纤维混凝土基本力学性能及其尺寸效应研究

为探索聚丙烯纤维混凝土强度指标间的尺寸效应,测试了不同尺寸及不同聚丙烯纤维掺量混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲抗折强度及断裂能,结果显示,随着聚丙烯纤维掺量的增加,各尺寸混凝土试件的抗拉强度、抗折强度及断裂能均显著提高,但抗压强度有所下降;分析了混凝土试件的荷载-位移曲线、试件破坏形态、拉压比及折压比,发现掺入1.5 kg/m^(3)聚丙烯纤维后,抗压强度最大应变量提高了250%,拉压比由1/11.2提高至1/7.3,说明掺入聚丙烯纤维能够改善混凝土的受力特性,使材料由脆性转变为韧性;讨论了各强度指标间的关系和尺寸效应,建立了抗压强度、抗拉强度及抗折强度间的换算关系,为聚丙烯纤维混凝土的结构设计与分析提供了理论基础。

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。

多尺度聚丙烯纤维混凝土弯曲疲劳寿命试验及数值模拟

为研究多尺度聚丙烯纤维混凝土的弯曲疲劳性能,开展基准混凝土、聚丙烯粗纤维混凝土及多尺度聚丙烯纤维混凝土的静载试验及不同应力水平(0.75、0.80、0.85)下的弯曲疲劳试验,建立弯曲疲劳寿命方程,并结合ABAQUS与FE-SAFE软件建立纤维混凝土梁的三点弯曲疲劳有限元模型。结果表明:聚丙烯纤维的掺入,尤其是多尺度聚丙烯纤维混掺显著增强了混凝土基体的抗折、抗疲劳性能。双对数lgS-lgN疲劳方程能够较好地描述多尺度聚丙烯纤维混凝土的应力水平与疲劳寿命的相关性,使用lgS-lgN疲劳方程计算得到200万次循环荷载作用下多尺度聚丙烯纤维混凝土的疲劳强度最高,为3.91 MPa。三组试件疲劳寿命的数值模型预测值均介于实测疲劳寿命的最大值与最小值之间,并接近于疲劳寿命平均值,该模型为多尺度聚丙烯纤维混凝土的疲劳寿命预测提供了理论依据。

聚丙烯纤维增强珊瑚混凝土韧性试验研究

采用聚丙烯纤维(PPF)对珊瑚混凝土进行增韧和降脆处理.结果表明:适当增加PPF的掺量或长度能在一定程度上提升珊瑚混凝土的抗弯强度与抗拉强度;当PPF长度过长或掺量过大时,PPF卷曲或聚团会引起珊瑚混凝土的局部缺陷,降低增韧效果;PPF增强珊瑚混凝土的拉伸应力-应变曲线符合三线性本构模型,极限拉应变提升了52%~333%,延性指数高达10.89;尽管PPF能显著提升珊瑚混凝土的韧性,但也可能导致其密实度和抗压强度有所降低,建议在实际应用中精确控制PPF的掺量和长度,以确保珊瑚混凝土既能获得所需的韧性,又能保持适当的密实度和抗压强度.

低温下玄武岩纤维混凝土劈拉强度尺寸效应试验

为研究极端低温作用下结构尺寸和纤维体积分数对玄武岩纤维混凝土劈拉强度的定量影响规律和作用机制,设计了4种尺寸(边长分别为70、100、150和200 mm)、4种纤维体积分数(分数范围0%~0.5%)的玄武岩纤维混凝土立方体试块在常温和低温下(温度范围20~-90℃)进行了静态劈拉破坏试验。试验结果表明:不同类型混凝土的劈拉强度均随温度降低而线性增大(最大增幅接近130%),呈现出显著的低温增强效应;玄武岩纤维的掺入能略微强化混凝土劈拉强度的低温增强效应。不同纤维体积分数玄武岩纤维混凝土的劈拉强度均呈现出一定的纤维增强效应,并且随体积分数增加而增强;极端低温作用下玄武岩纤维的主导破坏模式由拔出破坏转变为拉断破坏,导致纤维增强效应随温度下降而变强。劈拉强度的尺寸效应随温度下降而更明显,但玄武岩纤维的掺入能减弱尺寸效应(最大削弱程度达25.8%)。本文研究能为玄武岩纤维混凝土材料在极端低温环境下的大规模工程结构应用提供有效参考。

聚丙烯纤维混凝土力学性能试验

为了探究不同类型、不同掺量的聚丙烯纤维对混凝土力学性能的作用效果,在混凝土材料中加入3种不同类型的聚丙烯纤维(波浪型聚丙烯纤维、压花型聚丙烯纤维、单丝型聚丙烯纤维),并分别使用不同掺量(0、0.08%、0.11%、0.14%、0.17%、0.20%)作为水平变量,对聚丙烯纤维试块进行抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、轴心抗压强度试验.研究发现:波浪型聚丙烯纤维掺量为0.17%时,混凝土抗压强度最佳;单丝型聚丙烯纤维掺量为0.20%时,混凝土的劈裂抗拉强度最佳;单丝型聚丙烯纤维掺量为0.17%时,对于混凝土的抗折强度有较好作用效果.

圆钢管聚丙烯纤维橡胶混凝土柱抗震性能研究

对圆钢管聚丙烯纤维橡胶混凝土柱的抗震性能进行了试验研究,设计并制作了6根圆钢管混凝土柱进行低周往复荷载试验,探讨了橡胶粉掺量、长细比、轴压比和含钢率对试件破坏形态和抗震性能的影响。结果表明,圆钢管聚丙烯纤维橡胶混凝土柱在低周反复荷载试验中的破坏形态与普通钢管混凝土柱相似,先是钢管在柱根部形成鼓曲,后被拉裂。橡胶粉的掺入会降低试件的承载能力,但提高了试件的耗能能力和延性性能。较大的轴压比会使圆钢管聚丙烯纤维橡胶混凝土柱提前破坏,其中,长细比对于试件的抗震性能有较大影响。

聚丙烯纤维增强再生混凝土性能试验研究

为探究再生混凝土的力学性能和收缩性能与聚丙烯纤维用量之间党的关联性,本研究选择再生粗骨料取代率为0%、30%和50%,以及聚丙烯纤维掺量为0%和1%,分别制备再生混凝土试件,测试其力学性能和收缩性能,并进行对比分析。试验结果表明,无论是否掺加聚丙烯纤维,再生混凝土的抗折强度和抗压强度均随着再生粗骨料用量的提升而降低,而收缩率和吸收率则随之增加;同时,无论是否掺加聚丙烯纤维,随着养护龄期的延长,再生混凝土的收缩率和抗压强度均有所提升;掺入适量的聚丙烯纤维后,再生混凝土的收缩性能和力学性能得到了显著改善。

聚丙烯纤维橡胶混凝土的力学及抗冻性能研究

研究了聚丙烯纤维的体积掺量(0.45%、0.90%、1.35%、1.80%、2.25%、3.41%、4.51%)对橡胶混凝土力学及抗冻性能的影响,并建立了冻融损伤劣化模型来预测橡胶混凝土的冻融损伤劣化规律。结果表明:掺入适量聚丙烯纤维可以有效提高橡胶混凝土的力学及抗冻性能,当聚丙烯纤维掺量在1.80%~2.25%范围内时,试件的力学及抗冻性能均较好;建立的冻融损伤劣化模型的拟合系数R2均大于0.992,拟合精度较高,可为聚丙烯纤维橡胶混凝土在寒冷地区工程中的应用提供理论依据。

冲击荷载作用下改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土的动力特性

利用100 mm分离式霍普金森压杆装置对改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土进行冲击压缩试验,分析了三种不同纤维掺量的改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土试样的动态压缩强度、变形特性及吸能性能。结果表明:不同纤维掺量的改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土的动态抗压强度、破碎状态、韧性指数等均具有明显的应变率效应。随着纤维掺量的增加,改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土的破坏程度逐渐减轻,峰值应变增大,韧性指数逐渐增大,能量吸收也呈现上升趋势。改性聚丙烯纤维的掺入能够有效增强增韧并降低珊瑚混凝土的脆性破坏特征。

钢-聚丙烯腈纤维掺量对自密实混凝土流动性与力学性能的影响

为分析混杂纤维对自密实混凝土(SCC)工作性能和力学性能的影响,对不同养护龄期(7和28 d)、不同钢纤维(SF)掺量(0%、0.4%、0.8%和1.2%,体积分数)和聚丙烯腈纤维(PAN)掺量(0%、0.04%、0.08%和0.12%,体积分数)的SCC进行坍落扩展度、J环坍落扩展度、V型漏斗通过时间、立方体抗压强度试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)对SCC的微观形貌进行分析。结果表明:随着纤维掺量增加,SCC的流动性和间隙通过性降低,抗离析性提升;单掺SF对SCC 7 d抗压强度的提高作用较单掺PAN显著;复掺纤维较单掺纤维对早期SCC抗压强度的提高作用更明显,且复掺纤维还能有效提升SCC的韧性与延性。

聚丙烯纤维和硅灰对轻骨料混凝土性能的影响

研究了聚丙烯纤维(PF)掺量(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m^(3))与硅灰掺量(0、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%)对轻骨料混凝土(LAC)抗压、抗折强度和抗冻性能的影响。结果表明:同时掺入适量的PF和硅灰有效提高了LAC的抗压、抗折强度,其中,对于抗压强度,最佳PF和硅灰的掺量分别为0.8 kg/m^(3)和5%;对于抗折强度,最佳PF和硅灰的掺量分别为1.0 kg/m^(3)和5%;当PF和硅灰的掺量分别为1.0 kg/m^(3)和5%时,LAC试件的抗冻性能相对最优。

高韧性聚丙烯纤维混凝土的配合比及力学性能试验研究

为制备出高韧性和高延展性的国产PP-ECC材料,基于正交试验的原理设计了16组PP-ECC配合比。对所有配合比组进行单轴拉伸试验,根据试验得到的应力-应变曲线结果确定了一组最优配合比,并对最优配合比的PP-ECC试件开展四点弯曲试验。最后通过电子显微镜观察对比了两种不同的PP纤维原材料和4种PP纤维的不同破坏方式。结果表明,第四组PP-ECC材料在单轴拉伸荷载作用下,具有优秀的应变硬化特征和多缝稳态开裂现象,极限拉应变稳定超过2.5%,且在试件四点弯曲试验中表现出超高的韧性。相比于国产PP纤维,日产PP纤维表面进行了化合处理,使纤维的表面能和粗糙度增大,从而使纤维与水泥基体的粘结强度增加。PP-ECC材料开裂破坏主要有纤维被拉断、纤维被拔出、纤维横跨裂缝和纤维与水泥基体脱粘四种破坏形式,其中纤维被拉断为主要破坏形式。

盐-冻侵蚀环境下聚丙烯纤维混凝土的寿命预测

针对我国西北地区混凝土结构在盐-冻侵蚀下耐久性降低的问题,本研究选取不同聚丙烯纤维掺量(0、0.6、0.9、1.2、1.5 kg·m^(-3))的混凝土试件,将其分别放入清水、3%NaCl、5%Na_(2)SO_(4)溶液中进行冻融循环试验,分析试件质量损失率、动弹性模量和抗压强度的变化规律,并基于Weibull理论和灰色预测理论分别建立标准模型,对聚丙烯纤维混凝土结构的最大服役年限进行预测,同时结合SEM分析聚丙烯纤维对混凝土的作用机理。结果表明:清水冻融工况对混凝土造成的损伤要低于盐冻侵蚀,其中氯盐对混凝土的力学性能侵蚀破坏最为严重;聚丙烯纤维的渗入可以有效减缓冻融侵蚀作用下混凝土力学性能的衰减速率,削弱因外界侵蚀对抗压强度等带来的影响。当纤维掺量达到1.2 kg·m^(-3)时效果最优,灰色预测模型和Weibull两种模型的寿命预测结果大致相似,其中灰色预测模型只能根据现阶段所含有的数据进行大范围的推断,而Weibull模型预测结果较为精确。该结果可为混凝土的力学性能研究和选择较佳的模型预测混凝土服役寿命提供一定的理论指导和依据。

聚丙烯纤维增强陶粒混凝土基本力学性能试验研究

为改善陶粒混凝土的强度和脆性,本研究将聚丙烯纤维加入陶粒混凝土,共制备了180个聚丙烯纤维增强陶粒混凝土试件,并进行了立方体抗压试验、劈裂抗拉试验、轴心抗压试验和弹性模量试验。结果表明,聚丙烯纤维能有效提升陶粒混凝土的劈裂抗拉强度和拉压比,对抗压强度和弹性模量的影响相对较小。基于试验结果,本研究提出了聚丙烯纤维增强陶粒混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度、轴心抗压强度与立方体抗压强度的换算关系模型以及弹性模量的数值模型。