表面改性钢纤维水泥基材料力学性能研究

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钢纤维具有弹性模量高、强度高、延性好等优点,在UHPC中掺加钢纤维是提高其韧性的有效方法。但钢纤维—基体界面粘结强度较小,不足以充分发挥钢纤维的增强增韧效能。为此,本文研究了界面性能的提高方法以及界面粘结性能对UHPC宏观力学性能的影响特性。主要内容如下:首先,研究了钢纤维表面改性方法、表面改性钢纤维掺量、硅灰掺量对UHPC抗折性能的影响;提出了UHPC抗折荷载—位移曲线数学模型,该模型与试验曲线吻合较好。并结合复合材料理论,建立了UHPC抗折强度预测模型;研究了UHPC单轴受拉与受弯时,发生应变硬化,钢纤维—基体界面粘结强度、基体抗拉强度、钢纤维长径比与钢纤维掺量之间的关系。结果表明:实现应变硬化的临界纤维掺量与纤维长径比成反比。其次,考虑钢纤维拔出时的缓冲效应与基体剥落效应的影响,推导了钢纤维桥联应力与理论裂缝间距的计算公式。结果表明:纤维长径比不变时,纤维掺量增加,理论裂缝间距下降,钢纤维掺量越少,τfmu对理论裂缝间距的影响越大,当τfmu>3.5时,τfmu对理论裂缝间距的影响减弱。纤维的长径比越小,随τfmu增大理论裂缝间距下降越快,在钢纤维的长径比Lf/df>80时,长径比对裂缝间距的影响变小;在τfmu<3.5时,增大钢纤维的长径比可显著的降低裂缝间距;在τfmu>4.5时,界面强度和纤维长径比对理论裂缝间距几乎无影响。最后,基于单根纤维拔出模型,对不同长径比与界面粘结强度钢纤维桥联应力与裂纹面附近基体应力场进行了数值模拟,得到了不同界面粘结强度、纤维长径比的UHPC桥联纤维拔出应力-位移曲线、裂纹面附近基体应力场分布,并对桥联纤维拔出强度、拔出耗能、应力传递距离进行了分析。
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