基于单根钢纤维拉拔试验的UHPC拉伸应变硬化.docx
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1、一、论文选题依据(包括本课题国内外研究现状述评,研究的理论与实际意义,对科技、经济和社会发展的作用等)1.1 选题背景超韧性纤维增强水泥基复合材料ECC(engineeredcementitiouscomposite)是经系统设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料ECC理论研究始于1992年,最早是用聚乙烯纤维PE(POIyethyIene)增强。1997年1i和Kanda等开始将PVA用于ECC,制成了聚乙烯醇PVA(Po1yViny1A1CohO1)纤维增强水泥基复合材料。采用基于微观力学的材料设计方法、纤维体积掺量仅为2%的ECC,其单轴拉伸荷载下最大应变大于3
2、%使用掺量适中的短纤维能满足不同的施工要求,包括自密实ECC和喷射ECC。目前,通过挤压成型已经生产出了ECC结构构件。在增强结构的安全性、耐久性及可持续性方面,ECC有很大的优势。为满足抗震的需要,ECC高性能材料被推广使用。BiI1ingtOn指出,使用ECC的结构除了具有抗坍塌能力,还具有高损伤承受能力,遭受地震破坏后的残余裂缝宽度很小,这样能大大减少地震后的修补费用。且ECC在冲击荷载下的抗碎裂特性已经通过试验得到证实。Maa1ej等通过试验证实,经高速射弹冲击作用的ECC板损伤小,整体性好,呈多缝分布开裂,能量耗散力强。ECC的大规模应用工作已经展开。工程应用实例有:日本北海道斜拉索
3、桥的钢/ECC复合桥面板;2003年广岛县Mitaka大坝的修复;2005年美国MiChigan用ECC连接板用于桥面板以代替传统的伸缩缝等。超高性能混凝土UHPC(UItrahighperformanceConCrete)是一种高强度、低孔隙率的超高强水泥基材料,最初由1arrard和SedranM提出该概念。一般认为其抗压强度不低于技。MPaoRiChard等研制成功的活性粉末混凝土RPC(reactivepowderConCrete)”其实就属于超高性能混凝土。虽然问世的时间不长,但因其良好的力学性能和优异的耐久性,已经在工程建设领域得到应用。世界上第一座以RPC为材料建造的步行桥位于气
4、候条件恶劣的加拿大SherbroOke市,在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀与冻融循环作用下,该桥至今使用状态良好,这是普通水泥基材料无法实现的。因此,以RPC制备原理为基础的UHPC材料的研究与应用,是当今水泥基材料发展的主要方向之一。单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”,并不意味着“超高性能”。UHPC真正的价值体现在与钢纤维之间的高粘结强度,能够充分发挥与利用钢纤维抗拉强度从而发展出全面力学性能优良的超高性能(纤维增强)混凝土(UHPC/UHPFRC)t13这要依靠加入短纤维来实现,钢纤维按形状大致可分为平直钢纤维和异形钢纤维两种,目前异形钢纤维种类繁多,有压棱形、波纹形、弯钩形、大头形
5、等。异形钢纤维对混凝土增强、增韧效果显著。界面粘结是发挥钢纤维对混凝土增强、增韧效果的关键。改进和优化钢纤维的外形对提高钢纤维对混凝土的增强效应具有十分明显的作用刈。在今后相当长一段时间内,中国仍处于大建设时期,随着对节能减排、可持续发展要求的不断提高,对混凝土性能的要求也将越来越高,因此UHPC具有广阔的应用前景,闻。这两种类型的混凝土在结构应用中有各自的优点,UHPC材料为重要结构提供了足够的抗压强度保证。EeC材料有利于防止由于吸收大量能量而产生的灾难性的结构坍塌,当结构的失效模式与拉力相关时尤为明显。然而,这两种材料各自力学性能的优势是无法兼容的。高强混凝土本身是极其脆弱的基质涧,尽管
6、这一限制可以往基质中加入短纤维来缓解,但当结构产生很小的裂缝后,由于承载力的下降,结构通常表现为拉伸应变软化行为。另一方面,具有超高韧性的EeC混凝土抗压强度一般是UHPC混凝土的1/4T/2。由此可见,把两者的力学性能优点相结合,提出一种高强度高韧性混凝土(HSHDC),以确保在大荷载或大位移情况下,保证关键结构的安全,这将是未来高性能混凝土研究的一个重要方向。所以有必要通过单根钢纤维拉拔试验,研究纤维-UHPC基质间的协调性,以实现其应变硬化行为,为后续高强高韧性混凝土的研究打下基础。1.2 单根钢纤维拉拔试验国内外研究现状对单根钢纤维拉拔试验研究目前主要分为三类,第一类是基于基体的变化对
7、单根纤维拉伸试验的研究,主要研究成果有:王志等M采用单根纤维直接拉拉的方法,在不同温度以及不同水灰比条件下,对钢纤维与水泥砂浆粘结性能进行了试验研究。结果表明,随着温度的升高和水灰比的增大,钢纤维与水混砂浆的粘结性能呈下降趋势。陈沛然等,研究界面对钢纤维混凝土的宏观力学性能具有较大影响,尤其是钢纤维与混凝土基体间的界面层。文中分别建立混凝土基体和水泥砂浆基体的单丝拉拔模型,考虑了基体强度变化和骨料对单丝拉拔性能的影响。结果表明:基体强度越高,单丝拉拔试件的峰值荷载和界面最大黏结强度越大,而试件的拉拔韧度则越小。基体强度的变化对单丝拉拔损伤破坏过程影响甚微。与水泥砂浆基体相比,混凝土基体的单丝拉
8、拔试件对基体的变化更为敏感。Yazici,H等.基于单纤维拔出研究了配合比,养护条件,钢纤维的长径比,嵌入长度和纤维类型对渗浇钢纤维混凝土(S1FCON)基质的影响。测试结果表明,纤维类型、嵌入纤维长度,养护条件,纤维末端条件、基体强度对纤维-基体粘结有很大的影响。增加纤维的直径和提高养护条件可增加纤维-基体粘结。Naaman等介绍了一种横截面为多边形和沿其长度扭曲的新型钢纤维。以单纤维拔出水泥基质的拉拔试验来研究纤维的粘结性能。基于下列参数,对一系列拉拔试验的结果进行描述和分析:1)纤维横截面的形状,即三角形或方形截面,2)每单位长度的纤维等效的加强筋的数量,3)基质的抗压强度(从10到50
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