超高性能钢纤维增强混凝土腐蚀损伤的CT观察

【目的】为探究混凝土因钢纤维腐蚀引发的损伤行为,采用X射线计算机断层扫描技术对UHPSFRC试样的通电加速腐蚀过程进行无损测试。【方法】通过高分辨率的三维重建,对试样腐蚀损伤过程及分布特征进行可视化表征与定量分析。【结果】结果表明:钢纤维腐蚀造成UHPSFRC混凝土保护层发生由外到内的腐蚀损伤。随着通电时间的增加,钢纤维腐蚀速率加快,初始损伤区域的损伤程度加重。【结论】研究认为,X-CT可以作为研究钢纤维腐蚀及腐蚀诱导混凝土保护层损伤的有力工具,且具有较高的适用度与准确性。

超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究

自行研发的纤维定位装置可较为精准地控制钢纤维的空间位置,基于此,研究了钢纤维埋置深度、直径和埋置角度对超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)中钢纤维拔出行为的影响。结果表明:随着钢纤维埋置深度增加,钢纤维最大拔出力、拔出功、最大拔出应力及钢纤维强度利用率均呈不断提高的趋势,而最大平均黏结强度却呈减小的趋势;随着钢纤维直径增加,钢纤维最大拔出力、拔出功和最大平均黏结强度相应增加,而钢纤维强度利用率和最大拔出应力均减小;随着钢纤维埋置角度增大,钢纤维最大拔出力和拔出功呈先上升后下降的趋势,分别在埋置角度为45°和30°时达到最大,而埋置角度为75°时,试件破坏模式表现为钢纤维拉断失效。

纤维增强高性能混凝土常规三轴抗压破坏准则

为了研究纤维增强高性能混凝土的三轴抗压破坏准则,对3种不同钢纤维掺量的纤维增强高性能混凝土进行了4种围压下的常规三轴试验,获得了纤维增强高性能混凝土的三轴偏应力-应变曲线。结果表明,掺入钢纤维和施加围压均能对纤维增强高性能混凝土起到增强、增韧的作用,随着钢纤维掺量和围压的增加,纤维增强高性能混凝土的轴向偏应力、应变、弹性模量均增大。但是二者的作用会相互影响:围压增大,钢纤维掺量对纤维增强高性能混凝土轴向偏应力提高的幅度降低;钢纤维掺量增大时,围压对纤维增强高性能混凝土的增强作用会降低。利用Mohr-Coulomb破坏准则、William-Warnke破坏准则和Power-Law破坏准则构建了不同钢纤维掺量的高性能混凝土三轴抗压破坏模型,研究表明,基于上述3种破坏准则均能较好地模拟高性能混凝土的三轴破坏过程,通过分析模型拟合系数R^(2)发现,William-Warnke模型模拟精度最高,而Power-Law模型能够很好地模拟出钢纤维掺量对高性能混凝土的三轴抗压强度的影响。

钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究

对不同纤维体积率,以及不同掺合料下基体强度为C80的钢纤维增强高性能混凝土(SFRHPC)的力学性能进行了测试,包括立方体抗压、劈裂抗拉、棱柱体抗压、泊松比、静力弹性模量和弯曲韧性等。试验结果显示,对于弯曲韧性和劈裂抗拉强度钢纤维的作用十分明显,对于立方体和棱柱体抗压强度也有一定的增强,对于泊松比,静力弹性模量的影响则很小。

钢纤维增强超高性能混凝土抗压强度尺寸效应研究

考察了3种配合比的钢纤维增强超高性能混凝土/超高性能混凝土(UHPSFRC/UHPC)抗压强度的尺寸效应,分析了试件尺寸、试件形状、养护制度、龄期等因素对抗压强度的影响,探讨了以小尺寸试件替代标准试件测试UHPSFRC/UHPC抗压强度的可行性。研究结果表明:不同尺寸和形状试件的抗压强度存在线性相关性,且强度修正系数宜根据强度等级予以分段考虑;圆柱体试件的抗压强度普遍低于立方体试件;掺与不掺钢纤维对抗压强度尺寸效应影响较大。

超高性能钢纤维增强混凝土力学性能的实验研究

制备出钢纤维体积掺量分别为0%、1%、2%、3%的超高性能钢纤维增强混凝土(UHPSFRC),通过立方体抗压实验、小梁四点弯曲实验,研究钢纤维体积掺量对UHPSFRC抗压、抗弯曲性能的影响。实验结果表明,钢纤维对UHPSFRC有明显的增强、增韧和阻裂作用。抗压强度随着钢纤维体积含量的提高而显著提高,最高可达130MPa。抗弯曲性能在钢纤维体积含量为2%时达到最佳。

钢纤维增强超高性能混凝土研究

研究了钢纤维对超高性能混凝土工作性、劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度等性能的影响。结果表明:钢纤维长度和复掺比例对混凝土的坍落度具有一定程度的影响;两种钢纤维复掺时,对超高性能混凝土的轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度的影响规律类似,均为长纤维与短纤维1:2复掺时的增强效果最好,超短纤维和短纤维复掺次之,超短纤维与长纤维复掺时效果最差,甚至会出现负面影响。

混杂钢纤维超高性能混凝土梁裂缝分形理论研究

混凝土梁在受弯过程中表面裂缝分布及演化的宏观特征可以反映其受弯性能,本文基于不同废旧轮胎钢纤维(WTSF)取代率的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋混杂钢纤维超高性能混凝土梁受弯试验结果,利用分形理论分析试验梁表面裂缝开展情况。结果表明,BFRP筋混杂钢纤维超高性能混凝土梁表面裂缝分布具有分形特征,满足自相似性,分形维数的变化区间为[0.892,1.064]。探讨了梁表面裂缝分形维数与施加荷载值、WTSF取代率、跨中挠度和最大裂缝宽度之间的关系,并分别拟合了WTSF取代率与完全破坏状态下全梁区和纯弯段分形维数的函数关系。分形维数与施加荷载值、跨中挠度和最大裂缝宽度均呈对数函数关系,完全破坏状态下,WTSF取代率变大会增大梁表面裂缝的分形维数,但总体来说不利影响并不明显,研究结果可为超高性能混凝土的工程实际应用提供参考。

UHPC中钢纤维的增强机理:一种新的断裂相场模型

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有巨大潜力的复合材料。为了降低UHPC的成本并获得更好的性能,有必要研究钢纤维在UHPC中的增强机理,实践中也需要一个有效的数值模型来促进UHPC的应用。钢纤维从UHPC中拔出时会产生新的裂纹面,进而需要消耗更多的能量。基于此,推导了新裂纹及其裂纹表面能的公式,提出了一种考虑钢纤维与UHPC基体之间界面断裂能的断裂相场模型。利用该模型,对含钢纤维的三维UHPC试样进行了单轴拉伸数值模拟;开展对比实验验证了所提模型的正确性。结果表明,模拟结果与实验结果吻合较好。通过分析不同试样的新裂纹面与拉伸强度间的关系,发现UHPC的抗拉强度和残余强度随钢纤维体积含量的增加而增加,随钢纤维直径的增加而降低。进一步分析发现,UHPC的抗拉强度与钢纤维的侧表面积成正比。理论分析、数值模拟和实验表明,钢纤维在UHPC中的增强机理为:钢纤维的加入使UHPC基体与钢纤维在断裂过程中产生了一些新的裂纹,这些新裂纹消耗了更多的能量。本文研究工作可为UHPC的性能设计和开发有效的UHPC数值模型提供理论依据。

超高性能纤维增强混凝土单轴本构关系和钢纤维增强作用对其影响

超高性能纤维增强混凝土的单轴本构关系是认识其材料特性和非线性结构设计的基础。本文从本构方程函数模型建立的角度梳理了现有超高性能纤维增强混凝土单轴本构关系的相关研究;发现本构关系经验模型适用于结构设计计算,其中轴拉和轴压本构方程式均宜采用有理分式;本构关系简化模型适用于简化受力分析和数值模拟,其中轴拉宜采用三折线模型,轴压宜采用双折线模型;本构关系损伤模型适用于材料特性研究,其损伤演化函数较多采用Weibull分布。此外,还发现现有各种研究所得的本构方程中均不包含纤维相关参数,不能充分体现钢纤维的重要影响。因此,针对3种长径比、6种体积率的超高性能纤维增强混凝土进行轴拉和轴压试验,分析纤维对本构关系的影响。结果表明:超高性能纤维增强混凝土的轴拉和轴压本构关系经验模型均采用有理分式更适合,结合试验与收集的文献数据分析了纤维对经验模型本构方程系数的影响,提出了单轴本构关系经验模型的方程式;还探究了钢纤维参数对单轴损伤本构关系的影响,试验结果表明,钢纤维增强因子与损伤模型的控制系数间存在较强相关性,以试验数据为基础,数值分析得到钢纤维参数与本构方程控制系数间的关系式,进而提出包含钢纤维参数的轴拉和轴压损伤本构方程;并收集文献数据进行验证和修正,结果表明本文提出的本构方程与试验结果更吻合。

不同形状钢纤维对UHPC受拉性能影响的试验研究

钢纤维对UHPC基体的增强增韧作用,受到其材料、形状、尺寸和掺量等因素的影响.本文采用优化设计后的狗骨试件尺寸,以目前应用最多的圆直钢纤维和弓形钢纤维为对象,对UHPC材料进行单轴拉伸试验研究,并与抗折、劈裂强度试验结果进行对比分析;分析在钢纤维体积掺量为2%的情况下,单掺不同形状圆直钢纤维和弓形钢纤维对UHPC基本材料性能的影响,并分析纤维增强系数和长径比之间的关系.掺有钢纤维的试验组,随纤维长径比的增大,应力-应变曲线中的弹性段峰值点增大,硬化段增长,软化段变得平缓,曲线所包围面积也增大.掺弓形钢纤维试验组曲线下降段呈现锯齿形.掺量相同时,圆直长纤维对轴拉强度、极限应变、弹性模量的提高效果明显,短纤维对初裂强度的提高效果明显.弓形钢纤维增强的UHPC,随纤维长径比的增大,其轴拉强度、极限应变、弹性模量和断裂能增强,其初裂强度递减.纤维增强系数和其形状、长径比有关.

纤维类型及用量对UHPFRC力学和抗渗性能影响

超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)凭借其出色的力学性能及耐久性能,已被应用到建筑行业的各个领域,特别是高层建筑、大跨度的桥梁、海底隧道等。然而,目前关于纤维类型、用量对UHPFRC抗渗性能的影响机理还未得到足够的关注,缺乏统一的认识。为此,开展了不同纤维类型(玄武岩纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维)及其用量(0,0.5%,1.0%,2.0%)对UHPFRC力学性能(单轴抗压强度、弹性模量)和抗渗性能(渗透率)影响的研究。研究结果表明:①添加不同类型纤维的UHPFRC力学性能和抗渗性能有较大的差异,其中添加金属纤维的UHPFRC的力学参数明显高于添加玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的UHPFRC,而添加聚乙烯醇纤维的UHPFRC渗透率明显高于添加金属纤维和玄武岩纤维的UHPFRC。②在当前用量范围内,UHPFRC的力学性能随钢纤维含量的增加而逐渐增大,但随玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维含量的增加而逐渐减小。③随着聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维含量的增加,UHPFRC的渗透率逐渐增大,但随着钢纤维含量的增加,UHPFRC的渗透率逐渐减小。

高性能钢纤维增强混凝土的抗侵彻行为及数值模拟(英文)

采用大掺量超细工业废渣取代水泥,并掺加了天然河砂以及高弹、高强的玄武岩石子,制备了不同强度等级的高性能钢纤维增强混凝土材料。采用φ25mm弹道炮开展了初速度为500～850m/s的正侵彻实验,获得了弹丸着靶速度、最大侵彻深度、弹坑直径以及靶体破坏形态等实验参数,采用经典公式对侵彻深度进行了分析,同时采用非线性有限元方法对侵彻全过程进行了数值模拟。结果表明:侵彻深度随着材料强度等级的提高略有降低,粗集料的掺加有利于提高靶体的抗侵彻能力,随着纤维掺量的降低以及侵彻速度的提高,材料破坏程度明显加剧,数值模拟结果同试验结果吻合较好,侵彻深度的模拟结果与试验值的误差均在5%以内。

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土(Steel fiber reinforced ultrahigh performance concrete,SF/UHPC)圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明:三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。

新拌超高性能纤维增强混凝土流动性能对其抗压强度的影响

钢纤维掺入能提高超高性能纤维增强混凝土(Ultra-high performance fiber reinforced concrete,UHPFRC)的抗压强度,但削弱新拌浆体的流动性能,降低了对抗压强度的增强效果,且影响UHPFRC的工作性能。为研究这种不利影响,以钢纤维体积分数和长径比为变量,进行了A、B两组试验。A组固定水胶比为0.18,不控制流动性能,主要研究钢纤维对流动性能和抗压强度的影响。试验结果表明,新拌UHPFRC流动性能随钢纤维的体积分数、长径比增加而下降;当钢纤维体积率超过一定值(2.00vol%)时,流动性能明显下降,抗压强度增强效果也相应下降。通过X-ray CT扫描发现钢纤维掺入减弱浆体的自密实能力,导致硬化后的基体内部孔隙尺寸增大和孔隙率增加,进而削弱抗压强度。综合考虑钢纤维掺入对抗压强度的正、负效应,提出了抗压强度的半经验预测公式。B组改变水胶比,控制扩展度为240 mm,对比A组研究流动性能控制后,钢纤维体积分数和长径比对抗压强度的影响规律。结果表明,钢纤维体积分数较大时,增大水胶比,保持一定流动性能,能有效提高纤维的增强效果;钢纤维体积分数较小时,在满足流动性能要求的前提下,减小水胶比,可以进一步提高抗压强度。在UHPFRC配合比设计时,应考虑钢纤维对流动性能的不利影响,以提高纤维的增强效应并保证其良好的工作性能。

混凝土及其增强材料的应用与发展

从工程应用的角度对混凝土(高性能混凝土、活性微粉混凝土、低强混凝土、轻质混凝土、钢纤维混凝土、自密实混凝土、智能混凝土等)以及混凝土增强材料(非金属配筋、新型预应力钢筋等)近年的应用与发展进行了简要的阐述。

BFRP管约束超高性能混凝土受压应力-应变关系试验研究

为研究玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)管约束超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)受压应力-应变关系,对12根约束UHPC试件和4根无约束UHPC试件进行了单轴受压试验,分析了BFRP管约束UHPC的破坏形态和应力-应变全曲线特征,以及BFRP管壁厚度、钢纤维掺量对应力-应变全曲线的影响规律。结果表明:随着管壁厚度的增加,UHPC的极限强度和极限应变均有所增大,且呈现出线性增长趋势;掺入钢纤维可以提高无约束UHPC试件的极限强度和极限应变,但在BFRP管约束作用下钢纤维的增强作用会有所减弱。建立的BFRP管约束UHPC极限状态模型和应力-应变全曲线方程可为BFRP管约束UHPC的工程设计及应用提供参考。

高性能混凝土叠合试件的弯拉性能试验研究

为掌握微细钢纤维增强高性能混凝土（SFRHPC）对既有混凝土修复加固的效果及性能变化规律,设计制备了2组基准试件和4组不同微细钢纤维增强高性能混凝土与既有基底混凝土叠合试件,分析比较SFRHPC强度等级、钢纤维掺量以及基底混凝土强度等因素对叠合试件的破坏模式、变形协同性、承载力等的影响及其机理。结果表明：相比于基准试件,叠合试件的延性得到大幅度改善,承载力明显提高;同时,叠合试件中SFRHPC与基底混凝土变形协同,加载过程中界面黏结良好。叠合试件的极限弯曲强度与SFRHPC的强度等级及钢纤维掺量密切相关,随着微细钢纤维高性能混凝土强度等级和钢纤维掺量的增加,叠合试件的极限弯曲强度随之提高。

超高性能混凝土的裂后承载性能

德国研究联合会(DFG)的重点研究计划SPP1182"超高强混凝土的可持续结构"中,对各种超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)复合物的工作性以及抗拉、抗压性能进行了研究。试验研究结果表明,钢纤维的种类、外形比(长度与直径之比)与掺量对UHPFRC达到最大荷载后的承载能力与裂后性能有影响,作者根据UHPFRC的受压变形与裂后抗拉强度间的相关性,提出用计算法来表征此种混凝土的单轴应力-压缩变形曲线。

FRHPC在冻融与腐蚀共同作用下的强度变化

目的研究纤维增强高性能混凝土(FRHPC)在恶劣环境下的强度规律,解决FRHPC承受冻融破坏和化学腐蚀问题.方法测定了高性能混凝土(HPC)、钢纤维增强高性能混凝土(SFRHPC)和高强高模聚乙烯纤维增强高性能混凝土(PFRHPC)在冻融与卤水化学腐蚀共同作用下的强度变化.结果结果表明:HPC在青海和新疆盐湖卤水腐蚀条件下的冻融后强度很高,在内蒙古和西藏盐湖卤水腐蚀下则略低.SFRHPC明显改善了HPC在内蒙古和西藏盐湖卤水腐蚀条件下的抗冻性,PFRHPC在新疆盐湖卤水腐蚀条件下的抗冻性明显优于SFRHPC.延长混凝土的养护龄期,能够明显提高HPC和SFRHPC在盐湖卤水腐蚀条件下的冻融抗折强度.此外,随着在盐湖卤水腐蚀条件下冻融循环次数的增加,HPC和SFRHPC的强度基本上是降低的,而PFRHPC的强度则表现出一定程度的增长.结论综合分析指出,FRHPC适合于同时承受冻融破坏和化学腐蚀的严酷环境.