混杂纤维取向和界面参数对混凝土性能影响及数学模型建立

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纤维混凝土(FRC,Fiber reinforced concrete)是一种将纤维作为增强相加入混凝土中的复合水泥基材料。FRC具有高强度、高韧性、高耐久性等特点,目前被各种大跨度及高层结构广泛使用。而纤维混凝土的物理力学性能与纤维掺量密切相关,纤维在基体内的分布及取向对于纤维作用的发挥起决定性作用。目前,国内外已有诸多学者对纤维混凝土基本力学性能展开了广泛研究,并取得了诸多研究成果。这些成果多数局限于纤维在基体中均匀、随机分布为假设对FRC进行力学性能评价。随着我国建筑业的飞速发展,纤维在基体内分布以及取向成为当前主流研究方向之一。本文以FRC实际结构的安全性,整体稳定性及实现更合理的资源利用性为目标,分析纤维掺量与混凝土强度、纤维取向与界面黏结强度、纤维掺加顺序及振捣时间与纤维分布及取向关系,为FRC制备和应用提供理论指导。主要研究内容和结果如下:(1)混杂纤维混凝土基本力学性能研究。通过配合比试验,探索钢纤维和聚丙烯纤维在单掺和混掺时对混凝土抗压、劈裂及抗折强度影响,并通过ASTMC1018和R.Park弯曲韧性评价方法研究纤维掺量对混凝土弯曲韧性的影响。(2)通过多元回归和响应面分析研究纤维掺量对混凝土强度影响。结果表明:强度模型基本符合二阶多项式方程,对回归方差进行显著性分析和回归方程误差统计进行分析,并将现有模型与新模型对高性能混凝土强度预测结果对比分析,发现新模型更加适用于高性能混凝土强度预测。(3)通过单丝拉拔试验研究不同纤维类型及取向对纤维与基体黏结性能影响,不同纤维类型及数量对混凝土拉伸性能影响。研究发现单根纤维拔出时在取向为45°时,纤维与基体黏结性能最好,端勾型钢纤维试件由于端勾部位过度机械锚固作用,导致基体过早开裂,因此拉伸强度较低。(4)研究不同纤维掺加顺序、振捣时间对不同水胶比混杂纤维混凝土中钢纤维分布及取向影响。通过数值统计及图像分析方法对纤维团聚、边壁效应及纤维取向进行分析,并基于有限元软件对不同纤维分布下基体受力及破坏形式进行数值模拟分析。
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