超高韧性水泥基复合材料加固混凝土结构的界面力学性能与耐久性能研究

摘要

工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称ECC）具有超高韧性，微裂缝特性，自愈合特性，以及良好的抗疲劳性，抗渗透性，抗冻融性，抗侵蚀性等，被广泛的应用于混凝土桥梁结构的修复与加固。对于ECC修复的混凝土桥梁结构，ECC与混凝土的界面是最重要也是最薄弱的部分，然而目前关于ECC与混凝土界面的研究还非常有限，因此本文进行了ECC与混凝土界面的基本力学性能与抗盐冻融耐久性研究，主要的研究结论如下:
　　1)通过ECC强度等级、聚乙烯醇纤维类型（Polyvinyl Alcohol Fiber，简称PVA纤维）、界面粗糙度、ECC浇筑方式（喷射浇筑和普通浇筑）对ECC与混凝土界面轴向抗拉性能的影响研究，得到了各因素对ECC与混凝土界面轴向受拉破坏模式、轴向拉力-位移曲线、名义抗拉强度的相关影响规律。通过对轴向拉伸荷载作用下ECC与混凝土界面微观粘结机理的分析，并基于粘结机理推导了ECC与混凝土界面轴向受拉微观力学模型，根据该模型并提出了一种界面粗糙度界限值的计算方法。
　　2)通过ECC强度等级、PVA纤维类型、界面粗糙度、ECC浇筑方式（喷射浇筑和普通浇筑）对ECC与混凝土界面抗剪性能的影响研究，得到了各因素对ECC与混凝土界面剪切破坏模式、剪切-滑移曲线、剪切强度的相关影响规律。通过对剪切荷载作用下ECC与混凝土界面粘结性能机理的分析，同时考虑到ECC强度、界面粗糙度对界面剪切强度有显著的影响，基于粘结机理推导了以ECC强度、界面粗糙度为自变量的ECC与混凝土界面剪切强度预测模型。
　　3)通过ECC与混凝土界面的盐冻融循环试验研究，以及盐冻融循环作用下ECC与混凝土界面剪切性能的试验研究，得到了ECC强度等级、界面粗糙度对盐冻融循环寿命的影响规律;以及盐冻融循环作用对界面剪切强度和剪切刚度的影响规律;通过对盐冻融循环作用下ECC与混凝土界面损伤机理的分析，采用损伤力学的方法建立了基于冻融损伤机理的界面剪切强度损伤预测模型。
　　4)通过盐冻融作用下ECC与混凝土界面断裂特性的试验研究，得到了盐冻融作用对ECC与混凝土界面的荷载-裂缝张口位移曲线、极限劈裂荷载、极限裂缝张口位移等断裂特性的影响规律。试验结果表明，无论是否经历盐冻融循环，ECC与混凝土界面的断裂特性均表现出明显的非线性，因此可以采用双参数断裂判定准则进行描述界面的非线性断裂特性。根据线弹性断裂力学的相关理论，推导出了界面起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的解析计算公式，在盐冻融循环作用下界面起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的变化情况也就反映了界面断裂特性的退化规律，进而分析了界面断裂特性退化规律。
　　5)通过ECC加固钢筋混凝土梁的界面粘结性能和弯曲抗裂性能的研究，得到了ECC强度等级、界面粗糙度、PVA纤维类型、ECC浇筑方式（喷射与普通浇筑）、ECC加固方式（预制ECC板与现浇ECC）对ECC加固钢筋混凝土梁弯曲抗裂性能及界面破坏模式的影响规律，建立了ECC加固钢筋混凝土梁的有限元分析模型，验证了有限元分析方法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 ECC材料的基本性能研究

1．2．2 ECC与混凝土界面粘结性能的研究

1．2．3 ECC作为加固材料的应用研究

1．3 存在的主要问题

1．4 主要研究内容与技术路线

1．4．1 本文的主要研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 ECC与混凝土界面的抗拉试验与力学模型研究

2．1 引言

2．2 试验概况

2．2．1 试件设计

2．2．2 试验材料与配合比

2．2．3 试件制作

2．2．4 试验方法

2．3 试验结果与分析

2．3．1 试验现象与破坏模型

2．3．2 粘结界面的轴向拉力-位移曲线

2．3．3 粘结界面抗拉强度试验结果与参数分析

2．4 ECC与混凝土界面轴向受拉粘结机理与微观力学模型研究

2．4．1 ECC与混凝土界面微观粘结机理分析

2．4．2 ECC与混凝土界面轴向受力微观力学模型研究

2．4．3 界面粗糙度界限值对受拉破坏形态的影响分析

2．4．4 界面粗糙度界限值的计算方法

2．4．5 ECC与混凝土界面抗拉强度预测值与试验值对比

2．5 本章小结

第三章 ECC与混凝土界面的抗剪试验与力学模型研究

3．1 引言

3．2 试验概况

3．2．1 试件设计

3．2．2 试验材料与配合比

3．2．3 试件制作

3．2．4 试验方法

3．3 试验结果与分析

3．3．1 试验现象与破坏模式

3．3．2 粘结界面的剪切-滑移曲线

3．3．3 粘结界面抗剪切强度试验结果与参数分析

3．4 ECC与混凝土界面剪切粘结机理与力学模型

3．4．1 ECC与混凝土界面剪切受力粘结机理分析

3．4．2 ECC与混凝士界面剪切力学模型

3．4．3 界面剪切强度的回归分析

3．4．4 ECC与混凝土界面剪切力学模型的验证

3．5 本章小结

第四章 盐冻融循环作用下ECC与混凝土界面的抗剪试验与损伤模型研究

4．1 引言

4．2 试验概况

4．2．1 试件设计

4．2．2 试验材料与配合比

4．2．3 试件制作

4．2．4 试验流程与方法

4．3 试验结果与分析

4．3．1 盐冻融循环试验

4．3．2 盐冻融循环作用下界面剪切性能试验

4．4 盐冻融作用下ECC与混凝土界面粘结性能损伤机理与损伤模型研究

4．4．1 ECC与混凝土界面粘结性能损伤机理分析

4．4．2 损伤演化模型

4．4．3 损伤模型参数的确定

4．5 本章小结

第五章 盐冻融循环作用下ECC与混凝土界面断裂特性与断裂模型研究

5．1 引言

5．2 试验概况

5．2．1 试件设计

5．2．2 试验材料与配合比

5．2．3 试件制作

5．3．4 试验方法

5．3 试验结果与分析

5．3．1 试验现象与破坏模式

5．3．2 界面的荷载-裂缝张口位移曲线

5．4 ECC与混凝土界面的断裂模型研究

5．4．1 ECC与混凝土界面断裂机理分析

5．4．2 ECC与混凝土界面非线性断裂模型的建立

5．4．3 ECC与混凝土界面断裂韧度解析计算公式的建立

5．4．4 盐冻融作用下ECC与混凝土界面断裂韧度分析

5．5 本章小结

第六章 弯曲荷载作用下ECC加固钢筋混凝土梁的界面粘结性能和抗裂性能研究

6．1 引言

6．2 试验概况

6．2．1 试件设计

6．2．2 试验材料与配合比

6．2．3 试件制作

6．2．4 试验方法

6．3 试验结果与分析

6．3．1 试验现象与破坏模式

6．3．2 荷载挠度曲线

6．3．3 跨中截面的应变分布

6．3．4 跨中截面的ECC底部应变

6．4 ECC加固钢筋混凝土梁的有限元模拟

6．4．1 材料的本构关系

6．4．2 ECC与混凝土界面的粘结滑移本构

6．4．3 有限元模型的建立

6．4．4 计算结果对比

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 下一步研究的建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果