高韧性水泥混凝土铺装材料特性与结构分析

摘要

普通水泥混凝土具有抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝发展迅速等缺点,给结构物的耐久性带来极大的影响,尤其是随着混凝土强度的提高其固有缺点更加突出。随着我国交通基础设施建设的快速发展,重轴载和高速化的交通流特点给混凝土的弯拉强度和变形性能提出了更高的要求。本文采用混杂纤维增强体系,综合考虑从工作性到宏观力学性能的多维度因素,制备出具有应变硬化和多缝开裂特征的高韧性水泥混凝土铺装材料,采用室内试验与数值模拟相结合的方法,对其材料性能和结构特征进行了深入研究。
　　论文从原材料性能分析入手,对聚乙烯(PE)和聚丙烯粗合成纤维(CPP)的耐酸碱性能进行了测试,结果表明所选纤维均具有优良的抗腐蚀性能。为提高拌合物的流动性并保证纤维的均匀分散及其与基体的粘结,自主配制了纤维分散助剂(M1)和功能复合粉体材料(M2),M1的加入能显著提高纤维分散均匀性,M2的加入则大幅提高了纤维与基体的粘结,在单掺M1与复掺M1和M2的情况下,拌合物的流动性和均匀性均较好。
　　为检测两种纤维的分散性能,采用数字图像处理与分析技术,建立了CPP纤维识别与分散性评价系统,并提出了相应的评价指标。该评价方法不仅适合有机粗合成纤维,对于钢纤维同样适用。采用SEM微观观测对PE纤维的分散性进行了定性评价,结果表明M1与M2的配合使用可以促进PE纤维的均匀分散,CPP和PE纤维的分散性具有相同的规律。
　　采用四点弯曲试验和落锤冲击试验对制备的高韧性混凝土强韧化特性进行了评价。在弯拉荷载作用下制备的高韧性混凝土具有明显的变形硬化特征,试件的开裂模式均较曲折,且在开口附近都可观察到大量微细裂缝。在冲击荷载作用下高韧性混凝土的初裂和破坏冲击次数均远大于普通混凝土,根据冲击开裂发展规律推荐了冲击韧性指标,该指标与纤维混凝土的变形能力有较好的相关性,抗弯变形能力强的纤维混凝土其冲击抗力也大。
　　基于纤维水泥基复合材料的桥联法则,对高韧性混凝土裂缝发展规律进行了分析。采用SEM测试手段分析了CPP纤维/基体界面的微结构,结果表明,CPP纤维与水泥基体的粘结较差,界面区内部有少量的孔隙和微裂缝,同时有大量板状C-H晶体聚集。功能材料M2的加入导致C-S-H凝胶的大量产生并提高了界面区的密实性,应力和变形的传递效果得以改善,界面区力学特征由脆性转变成韧性,纤维增韧效应范围增大,所以混凝土的韧性性能被明显提高。
　　采用单轴拉伸和压缩试验对高韧性混凝土的单轴受力特征进行了评价,其弹性模量约是同等抗压强度普通混凝土的2/3,极限抗压和抗拉应变均大大提高;六组推荐配比在单轴受拉条件下出现明显的应变硬化和多缝开裂现象。根据应力-应变全曲线特点,建立了高韧性混凝土本构关系模型,该模型在峰值前和峰值后均能准确拟合高韧性混凝土的变形特征。结合材料弯曲与受拉力学特征,推荐出高韧性混凝土单轴极限抗拉强度和拉应变的简易反算公式。
　　基于细观层次建立了高韧性混凝土弯曲、受压与受拉试件的二维数值模型,并对这三种试验过程进行了数值模拟,模拟结果能够较好的反应出高韧性水泥混凝土在三种受力状态下的应力-应变特点以及开裂损伤发展规律。
　　采用弯曲疲劳试验对高韧性混凝土的疲劳性能进行了评价,在疲劳荷载作用下高韧性混凝土试件的跨中挠度-循环次数比曲线同样符合3阶段模式。基于威布尔分布模型,建立了在0.05和0.50失效概率下的双对数疲劳方程,并推导得出高韧性混凝土面板的疲劳应力系数计算公式。
　　建立三维有限元模型对高韧性混凝土路面结构力学行为进行了分析,结果表明,在设计参数常规变化范围内,高韧性路面板的受力特征变化较小;高韧性混凝土面板抵抗荷载和温度应力综合疲劳作用的能力要远高于普通混凝土。根据计算结果,并结合工程实际,推荐出高韧性混凝土面板的横缝间距以及各交通等级下高韧性混凝土面板的厚度范围。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 水泥基复合材料增韧技术研究现状

1.3 水泥基复合材料开裂损伤研究现状

1.4 存在的问题

1.5 主要研究内容与技术路线

第二章 高韧性水泥混凝土材料组成与基本特性

2.1 原材料选择与性能分析

2.2 新拌混凝土工作性能

2.3 纤维分散性评价

2.4 本章小结

第三章 高韧性水泥混凝土的韧性特征与强韧化机理

3.1 混凝土材料韧性评价

3.2 弯拉荷载作用下的高韧性混凝土韧性表征

3.3 冲击荷载作用下的高韧性混凝土韧性表征

3.4 高韧性混凝土强韧化机理

3.5 本章小结

第四章 高韧性水泥混凝土单轴受力特性

4.1 抗压性能测试

4.2 抗拉性能测试

4.3 高韧性混凝土简易抗拉性能反算模型

4.4 本章小结

第五章 不同受力状态的高韧性水泥混凝土开裂损伤数值模拟

5.1 理论基础

5.2骨料随机分布模型的建立

5.3 弯拉荷载作用下的高韧性混凝土开裂损伤

5.4 单轴受压荷载作用下的高韧性混凝土开裂损伤

5.5 单轴受拉荷载作用下的高韧性混凝土开裂损伤

5.6 本章小结

第六章 基于三维有限元的高韧性水泥混凝土路面结构力学行为

6.1 高韧性水泥混凝土弯曲疲劳特性

6.2 计算模型的建立

6.3 荷载应力分析

6.4 温度应力分析

6.5 荷载和温度应力综合疲劳作用

6.6 极限断裂验算

6.7 本章小结

结论及需要进一步研究的问题

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢