论文部分内容阅读
纤维混凝土以其优越的抗拉、抗裂、抗渗、抗冲击以及耐久性等力学性能在土木工程领域得到了越来越广泛的应用。然而,由于混凝土是一种非匀质、多相材料,加入某一种纤维只能改善或者加强其某一相的性能,为了得到更好的增强效果,研究人员开始将目光转向两种或多种纤维混杂来增强混凝土。从微观力学的角度来看,混凝土中骨料与水泥之间的接触界面以及微裂缝的存在是削弱混凝土性能的主要因素,而通过纤维的混杂,可以在不同层次、不同阶段,在裂缝之间传递荷载,桥接微裂缝,以减小裂缝集中应力的方式来改善基体混凝土内部的薄弱环节,从而在宏观上提高基体的强度、韧性以及耐久性。目前对混杂纤维混凝土的研究才刚刚起步,对混杂纤维增强基体混凝土的机理还没有统一的定论,特别是对材料本构关系还鲜有研究和报道,而本构关系是工程界和力学界关注的焦点之一,在工程结构数值模拟中起着重要的核心作用。因此,本文采用试验研究与理论分析相结合的方法,对钢—聚丙烯混杂纤维混凝土(以下简称混杂纤维混凝土)单轴受力性能进行系统的研究,主要工作及成果如下:(1)采用正交试验法设计34组混杂纤维混凝土试块(包括对比试块),通过强度试验,分析钢纤维和聚丙烯纤维的体积率、长径比以及各因素两两之间的交互作用对坍落度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,定量分析各因素对混杂纤维混凝土性能的影响程度;根据试验结果建立混杂纤维混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的计算公式以及抗压强度与劈裂抗拉强度之间的换算公式。(2)通过30组混杂纤维混凝土棱柱体试块(包括对比试块)的轴心受压试验,实测轴心受压荷载—位移全过程曲线,对比分析混杂纤维混凝土与单一纤维混凝土、普通混凝土荷载—位移曲线和应力—应变曲线形状;基于试验数据,采用正交试验方法全面分析混杂纤维对轴心抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比、压缩韧度以及体积应变的影响,并深入分析混杂纤维在试件轴心受压全过程中的增强作用;基于实测荷载—位移曲线和正交试验分析结果,采用Origin软件中的非线性拟合方法,建立混杂纤维混凝土轴心受压本构方程。采用已建立的本构方程对课题组前期已试验的混杂纤维混凝土深梁的受剪性能进行非线性有限元分析,将计算结果与试验结果进行对比分析,验证该关系式的可靠性。(3)通过30组混杂纤维混凝土试件(包括对比试件)的轴心受拉试验,重点考察混杂纤维混凝土的轴心抗拉强度、断裂应变、受拉弹性模量以及拉压强度比,分析混杂纤维对上述力学性能指标的影响程度;根据试验结果,提出了混杂纤维混凝土轴心抗拉强度、断裂应变、受拉弹性模量的计算公式以及轴心抗拉强度与轴心抗压强度之间的换算公式。(4)基于上述试验结果,对混杂纤维增强机理进行分析,提出混杂纤维增强作用分为四个阶段:微裂缝引发阶段、微裂缝稳定发展阶段、微裂缝贯通阶段以及宏观裂缝快速扩展阶段;采用定义混杂效应系数的方法对纤维的混杂效应进行定量计算,分析探讨混杂纤维混凝土中是否存在混杂效应、影响混杂效应的具体因素以及混杂效应大小的评价方式。综合考虑混杂纤维混凝土各项力学性能指标中的纤维最优配比,提出混杂纤维的最优配比为:A3B3C2D1,即钢纤维体积率为1.5%,聚丙烯纤维体积率为0.15%,钢纤维长径比为60,聚丙烯纤维长径比为167时混杂纤维混凝土综合力学性能达到最优。