钢筋增强工程水泥基复合材料PVA-ECC剪切性能试验研究

摘要

传统钢筋混凝土结构由于混凝土材料的固有缺陷，暴露出耐久性低、韧性低、变形能力差等工程难题。为解决这些问题，研究人员通过材料复合化的途径，研制出了工程水泥基复合材料ECC（Engineered CementitiousComposite）。由于ECC具有优异的延性和韧性以及裂缝控制能力，ECC 受到了工程领域的极大关注，并在多个国家得到了广泛的研究和应用。然而ECC在实际应用中，由于缺乏剪切传递理论的指导和试验数据的支持，基于混凝土理论的剪切设计可能会导致意想不到的破坏。因此，研究钢筋增强ECC的剪切传递机理对建立ECC结构的抗剪强度计算公式以及为实际剪切设计提供参考和依据具有重要的理论意义和实际价值。　　本文通过 14 组 Z 型推出试件的试验研究和理论分析，总结了高掺量粉煤灰PVA-ECC的制备方法，研究了不同钢筋种类、配箍率对钢筋增强ECC剪切性能以及延性的影响，并将测得的剪切强度与现有设计公式进行了比较，最后采用剪切摩擦理论对钢筋增强ECC的剪切传递机理进行了分析，主要研究结论如下：　　① 钢筋增强 ECC 剪切试件的破坏模式为典型的剪切破坏，剪切面由唯一一条主裂缝贯通。剪切破坏呈现出脆性破坏的特征。　　② 箍筋对钢筋增强 ECC 的剪切破坏模式影响较小。箍筋的种类对抗剪强度影响较大，相比于光圆钢筋，带肋钢筋对提高试件剪切性能有更好的效果。　　③ 配箍率对残余强度影响最大，其次是极限强度，对初裂强度影响较小可以忽略。极限强度和残余强度与力学配箍率呈高度线性正相关的关系。　　④ 基于剪切摩擦理论，分析认为钢筋增强 ECC 在剪切破坏过程中存在三种机制：粘聚力、摩擦作用和销栓作用。每种机制在破坏各阶段贡献不同。对于整浇未预裂试件，钢筋在剪切破坏前主要通过为摩擦作用提供夹紧力起到间接作用，在破坏后通过销栓作用直接承担剪力。　　⑤ 经过对比分析，发现收集到的剪切摩擦理论公式和规范公式均偏于保守，修正后的抗剪强度计算公式能更好地预测钢筋增强ECC的抗剪强度。　　⑥ 由于钢筋增强 ECC 的破坏模式和试验数据离散性小，试件的开裂位置和破坏过程基本上遵循理论上的应力分布规律。试验结果与理论分析结论的可靠度较高，可以作为钢筋增强ECC剪切设计的参考依据。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2.1 发展概述

1.2.2 应变硬化机理

1.2.3 基本力学性能研究

1.3.1 钢筋增强ECC剪切试验研究

1.3.2 混凝土剪切试验研究

1.3.3 直剪试验研究现状

1.4 剪切传递理论研究

1.4.1 桁架模型

1.4.2 软化桁架模型

1.4.3 剪切摩擦模型

1.5 本文研究主要内容

2 ECC制备及力学性能试验

2.1 试验原材料

2.2 ECC配合比设计

2.3 制作工艺

2.3.1 投料顺序

2.3.2 搅拌方式

2.4.1 抗压强度

2.4.2 弯曲性能

2.4.3 等效拉伸性能

2.4.4 钢筋

2.5 本章小结

3 钢筋增强ECC剪切性能试验设计

3.1 前言

3.2 试验方案

3.3 试件制作

3.3.1 钢筋加工与模板制作

3.3.2 试件浇筑与养护

3.4.1 测量方法及测点布置

3.4.2 测量内容

3.5.1 加载装置

3.5.2 加载制度

3.6 本章小结

4 试验结果与分析

4.1.1 试验现象

4.1.2 试验数据

4.1.3 荷载-滑移曲线

4.1.4 应变-滑移曲线

4.1.5 裂缝宽度曲线

4.2 试验分析

4.2.1 钢筋影响

4.2.2 配箍率影响

4.2.3 材料影响

4.2.4 破坏状态分析

4.3 本章小结

5 剪切传递机理

5.1 混凝土界面抗剪机制

5.1.1 骨料咬合和粘聚力

5.1.2 摩擦作用

5.1.3 销栓作用

5.1.4 相互作用

5.2 剪切传递机制

5.3 抗剪强度计算

5.3.1 混凝土强度公式

5.3.2 规范设计公式

5.3.3 钢筋增强ECC抗剪强度计算

5.3.4 公式检验

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢