论文部分内容阅读
不同的玄武岩纤维复合材料（如短切纤维、纤维网格布、纤维复合筋（BFRP筋））均具有较好的耐盐腐蚀性能,在作为增强材料应用于混凝土时,可避免类似钢筋的锈蚀问题,保证其在裂缝处良好的耐腐蚀性能,从而改善混凝土结构的耐久性。但玄武岩纤维还存在一些短板:i)混凝土基体呈较强的碱性（pH＞12.5）,OH-会破坏玄武岩纤维的硅氧/铝氧四面体骨架;ii)玄武岩纤维属于弹性材料,在达到抗拉强度后发生脆性破坏;iii)传统短切玄武岩纤维直径小（＜20μm）,截面刚度低,对新拌混凝土工作度负面影响大;iv)纤维网格布主要作为非结构材料,强度利用率低,良好的力学性能被严重浪费。为推广玄武岩纤维在混凝土结构中的应用,并提供试验及理论上的参考和依据,本文依托国家自然科学基金面上项目“荷载作用下纤维对地下结构带裂缝混凝土抗渗性能的影响”（51578109）和大连市科技创新基金项目“玄武岩纤维应用于混凝土工程中一些重要性能的研究”（2020JJ27SN108）,对玄武岩纤维的耐碱性能及其复合材料对混凝土力学性能的影响展开了较为系统的研究。主要研究内容和结论如下:（1）对玄武岩纤维及其网格布进行碱蚀试验,从微观形貌、元素组成、分子结构、碱蚀机理及碱蚀模型五个方面研究纤维的耐碱性能,采用微观形貌和拉伸断裂强力保留率分析纤维网格布的耐碱性能。在此基础上,对玄武岩纤维网格布增强混凝土（BFTRC）板进行加速老化及抗弯试验,探究纤维网格布在实际混凝土碱性环境中碱蚀后对混凝土的增强、增韧效应。结果表明,玄武岩纤维/网格布的耐碱性能与耐碱玻璃纤维/网格布（14.5 wt%ZrO2）相当。玄武岩纤维在NaOH溶液中碱蚀后的直径减小,组成结构包括核心层、凝胶层和沉淀层,碱蚀过程可采用零级模型和收缩圆柱体模型表征。引入老化系数和增强系数评价纤维网格布在碱蚀后对混凝土的增强、增韧效应,BFTRC板的抗弯强度、能量吸收值的老化系数和增强系数随老化时间增加而减小,但增强系数大于1。（2）基于纤维在混凝土中的粘结-滑移机理,研发了玄武岩微筋;对比传统玄武岩纤维、钢纤维,研究玄武岩微筋对混凝土工作度、抗压及抗弯性能的影响。结果表明,玄武岩微筋相比于传统玄武岩纤维在新拌混凝土中的工作度允许掺量提高了 246%,可显著改善硬化混凝土的韧性,掺量为30 kg/m3的螺旋形微筋对混凝土韧性的影响效果与掺量为20 kg/m3的端部弯钩型钢纤维相当。（3）通过BFTRC板单轴拉伸试验研究配网率、预应力及短切纤维对BFTRC拉伸性能的影响,并进行机理分析。结果表明,对纤维网格布施加预应力可提高BFTRC的开裂荷载,但对其极限荷载并无显著影响,且会降低极限应变;短切纤维与纤维网格布对提高开裂荷载、极限荷载和韧性存在正混杂效应。本文还发现纤维束强度有效系数（k’）随配网率的变化规律近似满足幂函数模型,基于该模型可估计TRC在不同配网率时的k’值;在此基础上,提出考虑k’的临界配网率计算公式,利用该公式计算得到的临界配网率与试验结果吻合较好。引入指数函数的刚度折减系数建立TRC多段式非线性拉伸本构模型;该模型不仅可模拟出TRC在裂缝扩展阶段的刚度衰减特征,获得TRC的峰值应力及应变,且其对试验数据的依赖性较弱,具有广泛的适用性。（4）采用双向板弯曲试验研究结构型PP纤维对BFTRC双向板承载力、韧性、破坏形态、内力及应力重分布的影响,探究玄武岩纤维网格布与结构型PP纤维对承载力和韧性的混杂效应,并采用屈服线理论和条带法对板的极限承载力进行分析。结果表明,结构型PP纤维可降低BFTRC的脆性、改善板的内力及应力重分布、提高板的峰后承载力,与纤维网格布混杂使用时对提高承载力和韧性表现出显著的正混杂效应。BFTRC1PP8板的承载力和能量吸收值较RC板（配筋率为0.31%）提高了 9%和4.5%,且两者的延性系数均为19.2,说明针对改善混凝土的双向受弯性能,玄武岩纤维网格布（1层）和结构型PP纤维（掺量≤8kg/m3）可替代配筋率为0.31%的钢筋网。屈服线理论和条带法计算的BFTRCPP板的极限承载力与其试验值的变化幅度分别为-7.6%和13%,说明条带法相比于屈服线理论对BFTRCPP板的承载力计算更为可靠,计算结果偏于安全。（5）采用改进的冲击试验装置对BFRP筋增强混凝土的抗冲击性能进行研究,并探究结构型PP纤维和玄武岩微筋对初裂/破坏冲击次数、冲击耗能及破坏形态的影响,分析BFRP筋和结构型PP纤维/玄武岩微筋对冲击耗能的混杂效应,采用威布尔分布评价混凝土的抗冲击性能。结果表明,结构型PP纤维、玄武岩微筋可显著改善混凝土的韧性,与BFRP筋混杂使用时对提高破坏冲击耗能表现出显著的正混杂效应,试件裂缝数量、侵彻深度及开坑直径明显增加,表现为多裂缝延性破坏。B-MPF7的破坏冲击耗能较RC提高了 7%,裂缝数量增加1条,且无环向裂缝,说明针对改善混凝土的抗冲击性能,BFRP筋（配筋率为1.9%）和结构型PP纤维（掺量≤ 7 kg/m3）可替代相同配筋率的钢筋网。两参数威布尔分布可用于分析混凝土初裂/破坏冲击次数的分布规律,并可估计其在不同失效概率下的破坏冲击次数。