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钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC)具有优异的力学性能和耐久性能,在土木工程建设和严苛的环境中具有广阔的应用前景。但是,目前钢纤维混凝土耐久性研究中仍存在的突出问题是:荷载与环境因素耦合作用下的钢纤维混凝土耐久性研究成果少且缺乏系统性;尚缺乏适用于钢纤维混凝土在环境因素单独作用或荷载与环境因素耦合因素作用下的服役寿命预测模型。为此,本文制备了两种不同强度等级的钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC50,SFRC80),系统研究了其抗裂性能、力学性能、单一环境因素作用和环境因素-弯曲荷载耦合作用下的关键耐久性能;最终提出了氯离子在钢纤维增强水泥基复合材料中的扩散方程,并基于此方程建立了钢纤维增强水泥基复合材料的服役寿命预测模型;通过系统深入的机理分析和服役寿命预测,揭示了各个影响因素对配筋钢纤维混凝土服役寿命的影响规律。
本文进行了多组对比实验,研究了强度等级分别为SFRC50,SFRC80,钢纤维掺量分别为0%,0.25%,1%和1.5%,标准养护56天的钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能和耐久性。整体而言,SFRC的力学性能和耐久性能均优异。随着强度等级的提高,钢纤维混凝土的强度和韧性提高显著,干缩应变率降低,抗氯离子渗透性能和抗冻融性能提高;一定掺量的钢纤维能提高强度和韧性、缩小干缩值,改善抗冻性,抑制拉应力对钢纤维混凝土抗氯离子渗透性能的不利影响。
基于有效介质理论和Fick第二扩散定律,提出了氯离子在钢纤维混凝土中的扩散方程,并与抗氯离子渗透试验的结果进行对比,方程预测结果与试验结果基本吻合,说明此方程可以较为准确的描述氯离子在钢纤维混凝土内部的扩散行为。在此方程的基础上,探讨了方程中各参数对钢纤维混凝土服役寿命的影响规律,为配筋钢纤维混凝土结构的耐久性设计提供了依据。钢纤维混凝土的服役寿命主要受纤维掺量的影响,而受外部环境因素与荷载应力水平的影响不显著。