限制收缩开裂现象在路面、桥面和屋面等体表比较大的混凝土结构中非常普遍,在混凝土浇筑早期更为明显。限制收缩裂缝的存在为有害物质进入混凝土内部提供通道,进而加速构件破坏,增加维护成本,缩短混凝土结构的服役寿命。采用纤维增强混凝土(FRC)是目前国际上公认的提高混凝土抗裂性和韧性的有效方法之一。研究表明不同种类的纤维增强混凝土的抗裂性差异较大。因此,合理评估早龄期纤维混凝土的抗裂性,选择符合实际要求的纤维掺量具有重要的工程意义。基于此,本文开展了以下几方面的工作:(1)早龄期混凝土材料性能试验研究和纤维混凝土抗裂性能试验研究对早龄期普通混凝土进行材料性能试验,测定混凝土在不同龄期(3d,7d,14d,21d,28d)的劈裂抗拉强度、弹性模量、起裂断裂韧度和断裂能,通过对试验数据进行拟合,得到了各材料性能随龄期的变化曲线及拟合公式。此外,对钢纤维体积掺量为1.0%的纤维混凝土进行棱柱体自由收缩试验,测定了可以表征不同纤维体积掺量的纤维混凝土自由收缩性能的自由收缩应变值,并根据试验数据绘制了自由收缩应变值随龄期的变化曲线。根据ASTM规范,对三种不同钢纤维掺量(0.5%、1.0%和1.5%)的纤维混凝土进行约束圆环试验,研究了不同种类纤维混凝土在限制收缩条件下的抗裂性。试验中,监测每个钢环的内表面应变、混凝土环中裂缝出现的时间、数量及宽度。试验结果表明,纤维掺量越高,纤维混凝土抵抗限制收缩开裂的能力越强;纤维掺量较高(1.5%)时,环形试件中没有可见裂缝出现。(2)混凝土内部相对湿度分布曲线的计算混凝土内部相对湿度分布曲线根据已有的水泥水化与水分扩散一体化模型计算。在外部干燥环境下,混凝土中水泥水化和水分扩散同时发生,混凝土内部相对湿度的降低是二者共同作用的结果。为了简化计算,假定在时间增量dt内,水化作用与扩散过程相继发生。首先,根据水泥水化引起的湿度变化量公式计算参与水分扩散的初始湿度。然后,通过基于Fick第二定律的水分扩散方程推导出t+dt时刻的剩余湿度,即为考虑水泥水化与水分扩散耦合作用的相对湿度。最后,根据有限差分法分别计算截面不同位置处(表面节点、内部节点、底部节点)的相对湿度值。进而可得到任意时刻混凝土内部湿度分布曲线。(3)限制收缩条件下纤维混凝土断裂全过程数值模拟根据计算的混凝土内部相对湿度场,结合自由收缩应变的实测值,推演出能反映混凝土收缩特性的虚拟温度场。然后,引入虚拟裂缝模型,在虚拟裂缝面上施加纤维与基体间的界面粘结应力与混凝土自身的粘聚力,表征纤维混凝土中裂缝开裂抗力。最后,结合基于起裂断裂韧度的裂缝扩展准则,实现了纤维增强混凝土在限制收缩条件下裂缝起裂、稳定扩展和失稳扩展断裂全过程的数值模拟。数值结果表明,钢纤维体积掺量从根本上决定了约束环形试件的断裂行为。当纤维掺量较低(0.5%)时,环形试件中出现一条裂缝,裂缝一旦起裂便立即失稳扩展贯通环形试件的横截面。当纤维掺量为1.0%时,环形试件中依次出现了三条裂缝,存在裂缝同时扩展的情况。当纤维掺量较高(1.5%)时,环形试件中没有出现裂缝。钢环应变曲线上出现的每次回滞,都表示新的裂缝产生。应变曲线中最后一次明显回滞表示裂缝失稳扩展贯通环形试件整个横截面,试件破坏。试验与数值结果吻合良好,说明本文采用的基于断裂力学的数值方法能够有效预测纤维混凝土在限制收缩条件下的开裂潜力。