混杂钢纤维增强自密实混凝土力学性能试验与三维数值模拟研究

摘要

普通混凝土抗拉强度低、脆性大、极限延伸率低、污染严重等缺点。由水泥、硅灰、石英砂以及混杂钢纤维组成的混杂钢纤维增强自密实混凝土(Hybrid Steel Fiber Self-Compacting Concrete，简称HSFSCC），综合了自密实混凝土和钢纤维混凝土的优点，具有高流动性、良好的抗离析性、间隙通过性和填充能力，以及高强度等优点。为了改善普通混凝土的缺点和适应新的市场要求，本文对HSFSCC的力学性能进行试验和细观层次数值模拟研究，主要研究内容和结论如下： （1）HSFSCC配合比设计研究。提出平均裹浆厚度和砂纤比两个新概念，从微观角度出发，建立一套新的配合比设计方法，着重反映净浆、纤维掺量对配合比的影响。为了保证混凝土拌和物的工作性能，首先对不同水胶比的净浆进行流动度试验，优选出流动度符合要求的净浆配合比；其次确定合理的平均裹浆厚度和砂纤比，计算各组分的含量；最后改变纤维掺量，优化配合比设计。 （2）HSFSCC抗压强度试验和抗折强度试验研究。进行了0.14、0.16、0.18和0.20四种水胶比以及长短纤维不同掺量的混凝土立方体抗压强度和棱柱体抗折强度试验。试验结果表明：与普通混凝土相比，HSFSCC抗压强度和抗折强度均大幅提高，韧性得到明显改善；抗压强度最高可达116MPa，抗折强度可达18.8MPa。混凝土强度提高的幅度与混杂纤维的特性和基体强度密切相关，并不是纤维掺量越高，强度越大。如果混杂纤维比例不合适，很可能造成纤维结团，影响拌合物的工作性能和混凝土强度。通过试验得到了HSFSCC的7天抗压强度和28天抗压强度之间的关系。 （3）自密实SF90、SF100配合比以及轴心受压本构方程研究。根据规范中对混凝土配合比试配、调整和确定的方法，确定SF90和SF100最终配合比。SF90配合比为：水胶比0.18、平均裹浆厚度0.08mm、短纤维掺量1%、长纤维掺量0.55%；相应的抗折强度16.4MPa，抗压强度107.2MPa，折压比1/7。SF100配合比为：水胶比0.20、平均裹浆厚度0.08mm、短纤维掺量0.5%、长纤维掺量1%；相应的抗折强度18.8MPa，抗压强度116.2MPa，折压比1/6。通过棱柱体轴心受压试验得出了二者的轴心抗压强度和弹性模量。由于实验设备刚度不足，只得到了二者应力-应变曲线的上升段，并建立了相应的本构方程。 （4）HSFSCC三维数值模拟研究。利用MATLAB软件建立混杂钢纤维随机分布三维模型；不考虑纤维和基体之间的粘结滑移，运用限元软件ABAQUS完成了数值模拟，分析了模型各部分的应力云图，与试验数据进行了对比，结果均在误差范围之内，实现了HSFSCC从细观分析到宏观力学性能的统一。不同纤维掺量和类型对混凝土轴心受压强度的影响进行了数值模拟，通过七个模型进行模拟分析，模拟结果与试验结果相吻合。

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Speciality: Structural Engineerin

1 绪论

1.1高性能混凝土

1.2自密实混凝土

1.2.1自密实混凝土国内外研究现状

1.2.2自密实混凝土的工程应用

1.3混杂纤维混凝土

1.3.1混杂纤维混凝土的研究现状

1.3.2混杂纤维的工程应用

1.3.3纤维对混凝土基体的作用

1.4 课题研究背景、意义及研究内容

1.4.1课题研究背景和意义

1.4.2研究内容

2 HSFSCC配合比设计方法

2.1国内外自密实混凝土配合比设计方法

2.1.1日本原型方法

2.1.2基于骨料性质和最小浆体含量的配合比设计方法

2.1.3骨料密实因子法

2.1.4固定骨料含量的配合比设计方法

2.2 HSFSCC配合比设计方法

2.2.1砂与净浆的关系

2.2.2纤维与净浆的关系

2.2.3砂纤比的确定

2.3试验概况

2.3.1试验材料

2.3.2 HSFSCC制作工艺流程

2.3.3试件养护

2.4 HSFSCC配合比试验

2.4.1净浆试验

2.4.2净浆试验数据及流动度

2.4.3自密实混凝土的分级及其工作性能测定方法

2.4.4坍落度扩展度及T500

2.4.5确定平均裹浆厚度h

2.4.6平均裹浆厚度h试验结果

2.4.7确定纤维掺量

2.4.8部分试验扩展流动度和坍落度

2.5 HSFSCC流动性试验结果分析

2.5.1钢纤维体积率和长径比的影响

2.5.2平均裹浆厚度的影响

2.5.3水胶比的影响

2.5.5减水剂的影响

2.6 本章小结

3 HSFSCC抗压与抗折性能试验研究

3.1 HSFSCC立方体抗压强度试验研究

3.1.1试验装置及加载过程

3.1.2试验现象及分析

3.1.3 HSFSCC立方体抗压强度试验数据

3.2 HSFSCC立方体抗压强度试验结果分析

3.2.1水胶比对抗压强度的影响

3.2.2纤维配合比对抗压强度的影响

3.2.3其他因素对抗压强度的影响

3.3强度与龄期

3.4 HSFSCC抗折强度试验研究

3.4.1试验装置及加载过程

3.4.2试验现象和破坏分析

3.4.3 HSFSCC抗折强度试验数据

3.5 HSFSCC抗折强度试验结果分析

3.5.1水胶比对抗折强度的影响

3.5.2钢纤维掺量对抗折强度的影响

3.5.3 HSFSCC折压比的意义

3.6本章小结

4 SF90、SF100配合比确定及轴心受压本构方程

4.1 SF90、SF100配合比确定过程

4.1.1配合比调整理论依据

4.1.2 SF90配合比确定过程

4.1.3 SF100配合比确定过程

4.1.4 SF90、SF100经济性分析

4.2 SF90、SF100单轴受压试验

4.2.1试验方法及装置

4.2.2 SF90、SF100单轴受压强度试验现象

4.2.3 SF90、SF100弹性模量及泊松比

4.3 SF90、SF100单轴受压本构方程

4.3.1混凝土标准受压应力-应变曲线特征

4.3.2普通混凝土受压应力-应变曲线方程

4.3.3 HSFSCC受压应力-应变曲线方程

4.4本章小结

5 HSFSCC三维数值模型的建立与模拟

5.1蒙特卡罗方法

5.1.1蒙特卡罗方法简介

5.1.2蒙特卡罗方法工作过程

5.2混杂钢纤维的三维模型的算法

5.2.1伪随机数简介

5.2.2随机数的算法

5.2.3混杂钢纤维混凝土三维数值模型算法

5.3三维数值模型在 MATLAB 中的实现

5.4 HSFSCC单轴受压三维数值模拟

5.4.1三维数值模型的建立

5.4.2钢纤维本构

5.4.3混凝土本构

5.4.4 HSFSCC数值模拟

5.4.5钢纤维掺量及类型对轴心受压强度的影响

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1本文的主要研究成果及结论

6.2研究展望

参考文献

致谢