绿色高性能纤维增强水泥基复合材料加固钢筋混凝土柱试验研究

摘要

混凝土是目前用途最广、用量最大的建筑材料，但其存在着明显缺点:抗拉强度低，脆性大，极易导致结构耗能能力不足。如何改善混凝土性能成为国内外工程界十分关注的问题，而利用纤维增强混凝土性能成为该领域研究热点之一。其中，最具有突破意义的就是随机分布的短纤维增强水泥基复合材料(EngineeredCementitiousComposite，ECC)的研制。ECC具有显著的非线性变形、优良的韧性和较高的能量吸收能力，可用于改善结构的耐久性及抗震性能，大幅提高结构的安全储备。
　　 本文利用聚乙烯醇纤维(PolyvinylAlcohoFiber，PVA)，并将ECC中的部分水泥以粉煤灰替代，研制新型绿色高性能材料——绿色高性能纤维增强水泥基复合材料(GreenHighPerformanceFiberReinforcedCementitiousComposites，GHPFRCC)。全文主要分两部分进行研究:GHPFRCC的力学性能和GHPFRCC加固钢筋混凝土柱的抗震性能。
　　 第一部分主要通过立方体抗压试验、单轴拉伸试验和弯曲试验研究了不同水胶比、砂胶比、PVA掺量、粉煤灰替代率、减水剂掺量等因素对GHPFRCC力学性能的影响规律，建立相应的数学表达式，确定用于加固钢筋混凝土柱的GHPFRCC最优配合比。结果表明:上述因素对GHPFRCC抗压、抗拉、抗弯强度影响最大的是水胶比，且水胶比越小，GHPFRCC强度越高。PVA纤维掺量介于1.7％-2％时各项力学指标较为优异。粉煤灰掺量在60％-65％而减水剂在1％-1.5％时GHPFRCC试验结果较好。泊松比在各个配合比中的波动不大，建议取值0.235，该值略高于普通混凝土。
　　 第二部分利用所研制的GHPFRCC加固钢筋混凝土柱，并进行拟静力试验。首先利用有限元软件ABAQUS对试件进行数值仿真，根据所计算的极限荷载和位移理论值确定试验加载方案，研究GHPFRCC加固钢筋混凝土柱的拟静力试验的破坏特征、滞回曲线及骨架曲线等，从而探明GHPFRCC加固钢筋混凝土柱的抗震性能。提出GHPFRCC加固柱的施工工艺，完善界面处理技术。结果表明:GHPFRCC加固钢筋混凝土柱的承载力比同尺寸混凝土柱提高了31％;柱子中部推拉两个方向极限位移分别提高了2.467倍、1.481倍，柱子顶部推拉两个方向极限位移分别增加了2.466倍、1.735倍;利用GHPFRCC加固的柱子变形能力大大提高，在破坏时裂缝细而密，且最大裂缝宽度不超过0.1mm。

目录

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摘要

第1章 引言

1．1 课题背景和研究意义

1．2 纤维增强水泥基复合材料研究现状

1．3 PVA-ECC性能特点及应用现状

1．4 改良的PVA-ECC

1．4．1 水分含量

1．4．2 纤维直径

1．4．3 混合使用纤维网格与ECC

1．4．4 外加剂对ECC的影响

1．4．5 生态ECC

1．4．6 粉煤灰替代部分水泥ECC

1．4．7 自密实ECC和喷射ECC

1．4．8 轻质ECC

1．5 本文主要研究内容

第2章 GHPFRCC配合比设计

2．1 原材料参数

2．2 试验设备

2．3 试验方法

2．3．1 配合比试验

2．3．2 流动度试验

2．4 流动度结果分析

2．4．1 minitab数据分析

2．4．2 GHPFRCC流动度、保水性的影响因素分析

2．5 本章小结

第3章 GHPFRCC抗压试验

3．1 试验方法

3．2 抗压强度及泊松比试验结果

3．2．1 minitab数据分析结果

3．2．2 GHPFRCC抗压性能及泊松比影响

3．3 本章小结

第4章 GHPFRCC单轴拉伸试验

4．1 试验方法

4．2 试验结果

4．2．1 minitab数据分析

4．2．2 GHPFRCC抗拉性能的影响因素分析

4．2．3 抗拉应力-应变图

4．3 本章小结

第5章 GHPFRCC弯曲试验

5．1 试验方法

5．2 试验结果

5．2．1 minitab数据分析

5．2．2 GHPFRCC抗弯性能的影响因素分析

5．3．3 GHPFRCC弯曲韧性分析

5．3 本章小结

第6章 GHPFRCC加固柱拟静力试验

6．1 ABAQUS模拟仿真

6．1．1 基本假定

6．1．2 材料参数及本构关系

6．1．3 模型建立

6．1．4 结果分析

6．2 柱加固拟静力试验

6．2．1 柱界面处理

6．2．2 材料参数

6．2．3 试验方法

6．2．4 试验结果

6．3 模拟结果与试验结果分析

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 材料性能

7．2 加固柱的拟静力试验

7．3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况