海水干湿循环作用下UHTCC动态压缩性能试验研究

为研究应变率和海水干湿循环周期对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)动态压缩性能的影响,采用直径75 mm的分离式霍普金森压杆系统对0~120 d海水干湿循环作用后的UHTCC试件开展动态压缩试验.通过改进ZWT非线性黏弹性本构模型,提出了一种考虑海水干湿循环作用的UHTCC试件的动态本构模型.结果表明,UHTCC试件的动态抗压强度增强因子随着干湿循环周期的增加逐渐减小.在同一冲击气压下,随着干湿循环周期的增加,UHTCC试件的峰值应力和耗能先增大后减小,并分别在60和90 d时达到峰值.在相同干湿循环周期下,UHTCC试件的峰值应力、动态抗压强度增强因子和耗能均随应变率的增大而增大,表现出明显的应变率效应.改进的动态本构模型能够较好地描述海水干湿循环作用下UHTCC试件的动态压缩应力-应变关系.

UHTCC对寒冷地区混凝土坝温度场的影响

为解决混凝土坝越冬期因温度梯度脆性开裂问题,文中采用超高韧性水泥基复合材料永久保温模板,使用朱伯芳混凝土温度场简化算法及ABAQUS,计算表面裸露及外设永久保温板的混凝土坝温度分布情况。研究发现坝体表面采用75 cm厚超高韧性水泥基复合材料保温板时,坝体表面温度提高6.6℃;混凝土表面最低温度从-12.4℃,上升至7.1℃,保温效果优异。并对超高韧性水泥基复合材料保温板厚度进行参数分析,研究表明随着超高韧性水泥基复合材料保温板厚度增加,混凝土表面温度降幅进一步减小,混凝土表面得到有效保温。

玻化微珠和C/F对UHTCC力学性能的影响

文中通过抗压和三点弯曲试验,研究了玻化微珠掺量和水泥/粉煤灰比值(C/F)对UHTCC抗压和抗折性能的影响。试验结果表明,较大的C/F值和较低的玻化微珠掺量能提高UHTCC的抗压强度,但对抗折强度影响较小。适度控制C/F值并增加玻化微珠用量有利于提升UHTCC的变形能力,当C/F为1:4,玻化微珠掺量为73.3g/L,弯曲峰值应力对应挠度为3.4mm,玻化微珠的引入会造成更明显的多缝开裂。

环氧乳液掺量对UHTCC修复材料不同性能的影响研究

文章采用环氧乳液对UHTCC进行改性,研究了环氧乳液类型和掺量对UHTCC工作性能、力学性能和抗渗性能的影响。结果表明:选择合适类型和掺量的环氧乳液会对UHTCC的力学性能以及耐久性能起到改善作用,且掺加环氧乳液使得UHTCC的强度仍能够满足桥梁锚固区混凝土病害修复的使用要求;与未掺加环氧乳液的基准组试样相比,Ⅰ型、Ⅱ型环氧乳液在较低掺量下可以改善UHTCC的工作性能,Ⅲ型环氧乳液在掺量较高时对UHTCC工作性能有改善;添加环氧乳液会引起UHTCC材料强度不同幅度的下降,但是会增强其弹性模量,提升其抗氯离子渗透性。

材料组分对UHTCC力学性能的影响研究

通过立方体抗压试验和薄板四点弯曲试验,研究了水胶比、粉煤灰掺量、石英砂粒径对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)力学性能的影响,并结合扫描电子显微镜(SEM)分析了UHTCC薄板试件断面的微观结构。试验结果表明,UHTCC薄板最大跨中挠度可达46.3 mm,最大极限抗弯强度可达9.6 MPa,均出现了应变硬化与多缝开裂现象。随着水胶比的增大,UHTCC抗压强度降低,四点弯曲强度降低,但水胶比过低或过高都不利于提高材料的延性。大掺量的粉煤灰会显著降低UHTCC抗压强度和四点弯曲的初裂强度,但能极大的提高材料的延性。粒径小的石英砂能改善UHTCC材料的弯曲强度和延性。SEM微观结构表明,纤维与基体之间通过桥联作用抑制微裂缝的发展,水胶比过低,断面纤维易被拉断,水胶比过高,断面纤维大量拔出,两者都不利于提高UHTCC的延性。

UHTCC三点弯曲梁裂纹扩展的数值模拟研究

为了探究超高韧性水泥基复合材料(简称UHTCC)断裂性能,选取三点弯曲梁作为研究对象,应用ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM)分析模块,模拟分析了加载条件下三点弯曲梁的裂纹扩展过程和规律,并进行了UHTCC力学参数敏感性分析。根据数值模拟结果,分析了三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载、起裂韧度、临界等效裂缝长度、失稳断裂韧度等指标。结果表明,数值模拟结果与物理试验结果总体一致,UHTCC比普通混凝土具有很好的抗开裂能力和延性;在弹性模量、抗拉强度、断裂能参数原值的基础上,分别提高30%和降低30%。分析了3个力学参数对三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载及其对应的裂缝张开位移影响程度。参数敏感性分析结果表明,弹性模量愈小,抗拉强度愈大,材料断裂失稳延性愈明显,而断裂能对断裂失稳延展性影响不明显。研究成果为UHTCC的材料设计、推广应用以及相应的结构分析等具有参考价值。

集中荷载作用下后浇UHTCC简支双向混凝土板的试验研究

在既有钢筋混凝土板的受弯面上浇筑一定厚度超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)或混凝土材料制成复合板,通过集中荷载作用下简支双向板试验,考察复合板试件的弯曲破坏形态和底面裂缝的走向特征等。试验结果表明,后浇材料有效提高整体构件的承载力和前期刚度。后浇混凝土复合板与对比混凝土板相比较,韧性改善较小,开裂时中心挠度基本没有变化;而UHTCC后浇层的加入,改善混凝土板的整体韧性,开裂时中心挠度与原构件相比最高可提高至235%。并且UHTCC层有效限制受弯底面裂缝的开裂和扩展,延迟有害裂缝的出现,加载过程中没有出现类似于后浇混凝土复合板的脆性破坏。运用非线性三维有限元软件对试验进行数值计算,通过合理的建模和定义材料属性,对试验结果进行分析预测,包括荷载-挠度曲线、受弯底面的挠度分布和应变分布等。分析结果与试验结果基本一致,表明此方法适用于文中复合板件的计算,为采用UHTCC作为保护层或加固层的复合双向板的设计、分析和优化提供分析依据。

爆炸荷载下UHTCC-FRP格栅加固RC板的数值模拟研究

为研究FRP网格-超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)加固混凝土板的抗爆性能,用显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA,建立了混凝土板、炸药、空气的有限元计算模型,对在空爆作用下未加固以及采用FRP网格-UHTCC加固下的混凝土板的跨中峰值位移以及破坏形态进行了数值模拟,并分析了考虑UHTCC厚度、UHTCC强度、网格间距等加固参数对混凝土板的损伤形态和跨中位移的影响。数值结果显示:混凝土板采用FRP网格-UHTCC加固后抗爆性能提升明显,且UHTCC厚度对混凝土板抗爆性能提升尤为显著,因此,如果想运用这种加固技术提高钢筋混凝土板的抗爆性能,应在规范的要求下,优先考虑增大UHTCC厚度。

UHTCC/RC复合梁剪切性能试验研究

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)以其多重细密稳态开裂模式在宏观上展现出拉应变硬化特征,具有优异的裂缝控制能力,可用作修补材料。采用UHTCC替代部分受拉区混凝土对有腹筋UHTCC/RC复合梁进行了剪切性能研究。试验变量为UHTCC层厚度。结果表明:不同UHTCC层厚度的UHTCC/RC复合梁,其抗剪承载力均明显高于RC对比梁;即便配置较密集的箍筋,仍然无法阻止界面剥离,但可以避免界面剥离产生的荷载抖降;UHTCC能够限制和分散上层混凝土中的裂缝。最后,给出了UHTCC/RC复合梁在实际应用中的建议。

基于拉-压杆UHTCC节点抗剪承载力分析

针对钢筋混凝土框架节点设计常用的MCFT理论和斜压杆模型存在的不足,在以往试验的基础上,利用能全面反映节点三种传力机理的拉-压杆模型方法,对UHTCC局部增强混凝土框架节点建立基于拉-压杆模型抗剪承载力计算公式。结果表明:基于拉-压杆模型的抗剪承载力计算值与试验值和现行规范计算值吻合良好。在此基础上分析了不同配箍率和试验轴压比对UHTCC局部增强混凝土框架节点抗剪承载力的影响。

养护龄期对大掺量粉煤灰UHTCC力学性能和变形能力影响试验研究

通过测定7 d、28 d、56 d和90 d四个龄期的立方体抗压性能、薄板四点弯曲性能、直接拉伸性能,对大掺量粉煤灰超高韧性纤维增强水泥基复合材料(UHTCC)的力学性能和变形能力随龄期的变化进行了实验研究。结果表明:在UHTCC基体中掺入大量粉煤灰能增加材料的变形能力,但由于火山灰效应发挥滞后,使得材料前期强度较低;随着养护龄期的增长,UHTCC的抗压强度、薄板四点弯曲强度和抗拉强度基本呈增长趋势,56 d后各强度趋于稳定;随着养护龄期的增长,纤维与基体的粘接强度增大,纤维对材料变形能力的贡献减小,UHTCC弯曲挠度和拉伸应变降低。

加载应变速率对UHTCC薄板弯曲性能影响试验研究

通过测定10^(-7)s^(-1)、10^(-6)s^(-1)、10^(-5)s^(-1)、10^(-4)s^(-1)、10^(-3)s^(-1)五个加载应变速率下薄板四点弯曲的跨中挠度、初裂强度、极限强度和韧性指数,就加载应变速率对超高韧性纤维增强水泥基复合材料(UHTCC)薄板弯曲性能的影响进行了试验研究。结果表明:UHTCC薄板在所研究的应变速率范围内均出现了挠度硬化特征,随着加载应变速率的增大,试件跨中挠度有减小的趋势;以10^(-7)s^(-1)(徐变)、10^(-6)和10^(-5)s^(-1)(准静态)应变速率加载,UHTCC薄板的弯曲初裂强度和极限强度变化不大。当考虑到冲击作用时,不论是弯曲初裂强度还是极限强度都有明显地增大;UHTCC薄板在冲击作用下能吸收较大的能量,产生一定的变形而不破坏,具有一定的弯曲韧性。

钢丝网-喷射UHTCC薄板抗弯性能试验研究

喷射超高韧性水泥基复合材料(喷射UHTCC)具有显著的应变硬化和多缝开裂特性,但其抗拉和抗弯强度不高,因此工程中常常考虑与钢丝网组合使用。本文对喷射UHTCC、钢丝网喷射UHTCC和钢丝网复合砂浆的薄板试件分别进行了四点弯曲试验。其中,选取的钢丝网复合砂浆薄板直接拉伸的失稳破坏强度与喷射UHTCC薄板接近。试验表明,钢丝网喷射UHTCC薄板的抗弯强度和极限弯曲挠度分别比喷射UHTCC薄板提高了69.8%和59.0%,也比钢丝网复合砂浆薄板提高了3.9倍和73.3%。

钢⁃混凝土组合桥面板中UHTCC湿接缝抗弯性能数值分析

为了改进正交异性钢混组合桥面板湿接缝构造,开展了对负弯矩作用下使用超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为湿接缝的桥面板抗弯性能分析。使用有限元软件Abaqus中的黏聚力模型模拟UHTCC-混凝土接缝界面粘结力学行为,对不同配筋形式、不同湿接缝宽度的组合桥面板试件模型进行了参数化分析。模拟结果表明:配筋率提升对于接缝处抗裂性的提升效果显著,接缝的配筋率应当在3.35%以上;湿接缝应当设置桥面板在有栓钉约束的区域。

基于塑性损伤模型的UHTCC构件有限元分析

为了准确模拟超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的非线性力学行为,本文基于混凝土塑性损伤本构模型,建立了UHTCC受压、受拉本构关系及损伤模型参数确定方法,采用该本构模型对UHTCC立方体试块受压、UHTCC薄板直接拉伸、UHTCC/混凝土复合梁受弯试验进行数值模拟;有限元计算得到的应力应变关系、位移荷载关系曲线和开裂形态与试验结果吻合,验证了本文UHTCC塑性损伤本构模型的合理性;数值模拟展示了UHTCC和混凝土不同的损伤和开裂发展过程,结合试验结果说明了UHTCC使裂缝无害化分散、控制裂缝扩展的特点。

无腹筋RUHTCC梁抗剪性能试验研究

为了探究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的抗剪性能,以配筋率和剪跨比为参数,对跨中荷载作用下的6根钢筋增强UHTCC(RUHTCC)梁和4根钢筋混凝土(RC)对比梁进行了受弯试验.对比研究了RUHTCC梁的抗剪性能,包括裂缝扩展形态、荷载-挠度曲线、剪切开裂荷载、极限剪切能力以及剪切强度等.试验结果表明,随着配筋率的增大和剪跨比的减小,RUHTCC梁的破坏模式由弯剪破坏转变为剪压破坏,极限剪切承载能力逐渐增大.RUHTCC梁的极限剪切能力约为RC梁的2倍,平均抗剪强度约为UHTCC抗拉强度的0.86倍;RUHTCC梁表现出稳态的多条细密斜裂缝扩展模式,在正常使用极限状态下,其最大裂缝宽度低于0.1 mm.基于RUHTCC梁良好的裂缝控制能力以及较高的富余剪切承载能力,不需设置最小配箍率.

喷射UHTCC与混凝土界面的Ⅱ型断裂试验研究

使用喷射超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)加固和修补水工混凝土结构具有广阔的应用前景。为评估加固效果,采用喷射UHTCC和既有混凝土制备成的两端无切口剪切型断裂复合试件,开展单边加载剪切型断裂试验,测试两种材料的界面剪切型断裂韧度。对既有混凝土表面分别采用高压水枪冲洗、人工凿毛和涂抹界面剂三种不同的处理方法,并对比研究喷射UHTCC和浇筑UHTCC两种施工工艺,探究不同因素对复合试件界面剪切型断裂韧度的影响。试验结果表明:喷射UHTCC与既有混凝土之间黏结性能良好;界面粗糙度对界面剪切型断裂韧度无显著影响;涂抹界面剂会使界面剪切型断裂韧度显著下降;喷射UHTCC制备的复合试件其界面剪切型断裂韧度高于浇筑UHTCC制备的复合试件。喷射UHTCC技术可对水工混凝土结构进行有效的加固和修复。

UHTCC-混凝土组合板柱节点抗冲切承载力分析

利用超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)对板柱节点核心区域的混凝土进行局部替换,能够有效提升板柱节点的抗冲切性能。对于UHTCC-混凝土组合板柱节点,目前无规范适用公式计算其极限承载力大小。文中在GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》给出的混凝土板柱节点抗冲切承载力计算公式基础上,提出了改进公式。与Abaqus有限元模拟结果进行对比后,结果表明运用改进公式得到的UHTCC-混凝土组合板柱节点极限承载力大小理论计算值与有限元模拟值能够较好的拟合。可利用改进公式对UHTCC-混凝土组合板柱节点进行抗冲切承载力的估算。

UHTCC加固混凝土梁断裂行为分析

超高韧性水泥基材料(UHTCC)在结构加固改造中具有巨大潜力,运用断裂力学方法研究了UHTCC加固混凝土梁的开裂行为,其中混凝土以及UHTCC的开裂采用虚拟裂缝模型模拟。通过引入裂缝扩展准则以及裂缝口张开位移的协调条件,建立整体控制方程;通过叠加原理计算得到裂缝尖端净应力强度因子,最后得到荷载-裂缝口张开位移曲线。断裂力学方法计算结果与试验结果吻合良好,为UHTCC加固混凝土梁的设计提供了一种有效的计算手段。

粉煤灰对高温后UHTCC试块抗折强度的影响

对控制不同粉煤灰含量的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的高温后残余力学性能进行了实验研究,探讨了控制粉煤灰变量下高温对于其抗折强度以及质量损失率的影响,并就劣化机理进行分析。研究结果表明:粉煤灰含量对于质量损失无明显影响,而高温后粉煤灰含量对抗折强度损失有一定的影响,在200℃之前,粉煤灰含量较少组抗折强度损失率为7.5%,粉煤灰含量较多组抗折强度损失率为2.7%;400℃到600℃之间,高粉煤灰含量有效提高抗折强度;800℃后高粉煤灰含量组抗折强度损失明显,粉煤灰含量的增加可以在一定程度上提高UHTCC高温后的力学性能。