多尺度纤维组合增强超高性能混凝土应变硬化效果研究

发布时间：2020-09-25 14:35

　　 本论文主要研究了多个尺度纤维组合对超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)应变硬化效果的影响。不同尺度的纤维掺入UHPC后,能够协同互补,在不同的受力阶段和结构层次上充分发挥作用,达到逐级阻裂和增韧增强的目的。首先,通过比较两种聚合物纤维(PVA纤维和PE纤维)分别掺入UHPC后试件的强度和韧性,优选出较好的聚合物纤维。其次,将优选出的聚合物纤维以不同比例与大尺度端钩型钢纤维双掺,研究两尺度纤维混杂对UHPC应变硬化效果的影响,并寻找最佳聚合物-钢纤维双掺比例。同时,将大尺度端钩型钢纤维与中尺度的平直型钢纤维按不同比例双掺以确定最佳钢纤维-钢纤维双掺比例。然后,将上述最佳双掺比例应用在聚合物纤维、中尺度钢纤维和大尺度钢纤维上进行三掺组合,同时选用小尺度钢纤维代替聚合物纤维进行对照,以探索三尺度纤维混杂对UHPC应变硬化行为的影响。最后,在纤维三掺组合的基础上,添加纳米纤维,从而在纳米级、微米级、毫米级多个尺度多个层次上对UHPC进行增强增韧,进一步实现更好的应变硬化效果。试验测试的力学性能包括抗压强度、劈裂抗拉强度、三点弯曲断裂能、四点弯曲性能和直接拉伸性能。研究结果表明,在0.18水胶比下,PE纤维对UHPC的增韧效果比PVA纤维更好。钢-PE、钢-钢两尺度纤维组合时,随着大尺度端钩型钢纤维掺量的增加,UHPC的抗压强度、劈裂抗拉强度、三点弯曲断裂能、弯曲韧性值和抗拉强度均呈增大趋势,强度和韧性均有所提高,应变硬化也效果更加明显。其中,大尺度钢纤维1.5%、中尺度PE纤维0.5%的纤维组合和大尺度钢纤维1.5%、中尺度钢纤维0.5%的纤维组合,对提高UHPC的应变硬化效果最优。三尺度纤维组合在两尺度纤维组合的基础上调整了大尺度钢纤维的比例,峰值荷载变化不大,三点弯曲断裂能和弯曲韧性值均有所提高。四尺度纤维组合在三尺度维组合的基础上掺加纳米纤维,强度和韧性均有一定的提高。其中纳米碳纤维(CNF)和羧基化碳纳米管(CNT2)的掺入更有利于UHPC韧性、直接拉伸性能的提高。0.lwt%掺量下,掺入CNF和CNT2后,UHPC三点弯曲断裂能分别提高37.4%和4.3%。四点弯曲等效弯曲强度分别提高20.0%和22.4%,极限拉应变提高14.3%和75%,直接拉伸断裂能分别提高26%和95.4%。同时,微观试验结果表明,纳米纤维能通过填充水泥水化产物之间的孔结构将粗大孔细化,改善了混凝土内部的孔结构,从而使微观结构更加致密,有效地限制了有害孔的形成。多尺度纤维组合的阻裂效果是逐级和多层次的,这使得UHPC经历了一个裂缝稳定产生和扩展的过程才达到破坏。因此相较于单一尺度纤维,多尺度纤维组合UHPC强度、韧性更好,应变硬化效果更佳。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

而在靠近裂纹的纤维界面将产生与裂纹尖端扩展应力反向的应力场，降低裂逡逑纹尖端的应力集中程度，限制裂纹的发展，从而对混凝土起到增强效果。逡逑图１－１为Ｒｏｍｕａｌ纤维理想分布受约束模型，该模型假设纤维在基体中沿拉应逡逑力方向呈棋盘式均匀分布，且纤维平均间距为ｓ，裂缝半宽为ａ，裂缝位于四根纤逡逑维所围区域的中心，见图１（ｂ）。在拉力作用下，裂缝附近的纤维周围会产生粘结力逡逑ｒ，可以有效降低裂缝尖端处的应力集中，起到约束裂缝开展的作用。假定总应力逡逑弓＃度因子为外荷载作用下未加纤维的混凝土应力强度因子为，加入纤维逡逑＾产生的反向应力强度因子为＆，则逡逑９逡逑

逑加基体韧性和能量吸收能力，而能量吸收体现在纤维的作用形式：纤维断裂、纤逡逑维拔出、纤维桥接、纤维脱粘，见图１－２。逡逑１２逦３逦４逡逑＼邋＼邋ｎ逡逑／Ｔ＞ｒＴＴＨｒ．？－榯ｎ一＂ｒｒ．邋一、逡逑［＼邋；ｈ逡逑－邋P邋Ｐ邋Ｉ邋—，逡逑ｎ邋ｔ邋ｍｍ￡逦＼逡逑卜纤维断裂；２邋？纤维拔出；３邋－纤维桥接；４邋－纤维脱钴逡逑图１－２纤维与混凝土基体粘结作用形式［５７］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｂｏｎｄｉｎｇ邋ｍｏｄｅ邋ｏｆ邋ｆｉｂｅｒ邋ａｎｄ邋ｃｏｎｃｒｅｔｅ邋ｍａｔｒｉｘ＾５７１逡逑１．３．４应变硬化效果逡逑Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｃｒａｃｋ逡逑ａｉｘｌ逡逑ｔｔｔｔｔ逦Ｊ１邋Ｓｔｒａｉｎ－Ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ邋ＦＲＣ＇逦Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ逡逑婭邋ｉｓＩ＾Ｆｃ邋ｐ逡逑乫■逦邋乫逡逑ｓｔｒａｉｎ逦＾邋Ｃｒａｃｋ邋Ｏｐｅｎｉｎｇ逡逑＜逦？逡逑ｉ邋｛邋Ｓｔｒａｉｎ－Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ邋ＦＲＣ逡逑Ｍｕｌｔｉｐｌｅ逡逑（７声■邋？？？？？？？一一－，邋Ｂ逦Ｃｒａｃｋｉｎｇ邋ａｎｄ逡逑＼逦Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ逡逑—逦Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ｃｒａｃｋｉｎｇ逦１逡逑；（ｓｔｒａｉｎ邋ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）逦／Ｓ逦Ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ逦＾＾３：逡逑／逦：逦Ｂｒａｎｃｈ逡逑ｆｈ－邋Ｓｌｏｐｅ邋＝邋Ｅｌａｓｔｉｃ逡逑丨１邋Ｍ0ｄｕ

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本文编号：2826686