基于声发射的混杂纤维混凝土断裂韧度研究

摘要

混凝土作为脆性材料，在工程中常处于带裂缝工作状态，容易产生脆性断裂，如何改善其变形性能，增强其韧性，成为了亟待解决的重要问题。纤维混凝土技术不仅能显著提高混凝土韧性，还能起到增强和阻裂效果，是混凝土改性和改良研究的突破性成果之一。特别是混杂纤维混凝土，能够发挥不同纤维的优势，并产生协同作用，更有效地提升混凝土的各项性能。玄武岩纤维尺寸较小、弹性模量较大，能够抑制混凝土早期微小裂缝的开展；塑钢纤维尺寸较大、单丝抗拉强度较高，能够抑制混凝土后期宏观裂缝的开展。因此，本文选用塑钢纤维和玄武岩纤维进行单掺及混掺，制作了13组39个纤维混凝土切口梁试件，采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，研究了单掺塑钢纤维、单掺玄武岩纤维及二者混杂纤维对混凝土断裂韧性的影响，主要研究内容和成果如下：　　①通过切口梁三点弯曲试验，获得了单掺塑钢纤维、单掺玄武岩纤维及二者混杂纤维混凝土的加载点荷载-位移曲线（P-δ曲线）和荷载-裂缝张开口位移曲线（P-CMOD曲线），并发现掺入纤维可以提高混凝土的失稳荷载和临界位移，改善混凝土的脆性；混杂纤维能够产生正向效应，更有效地发挥上述作用。　　②掺入纤维可以延长混凝土的起裂和失稳时间，降低试件的平均声发射能量。玄武岩纤维对试件的起裂时间延长较多，对平均声发射能量的降低幅度较小，被拉断或拔出时产生的声发射信号幅值主要分布在60-70dB之间；塑钢纤维对试件的失稳时间延长较多，对平均声发射能量的降低幅度较大，被拉断或拔出时产生的声发射信号幅值主要分布在70-80dB之间。总掺量为6kg/m3、混杂比例为2∶1试件的起裂时间、断裂时间在四组试件中均为最大，峰值能量、平均能量均为最小，说明两种纤维混杂可以产生正向效应。此外，利用累计振铃计数-时间曲线的起裂点较为明显这一特征，确定了所有试件的起裂荷载。　　③掺入纤维能够提升混凝土的各项断裂韧度参数，但不同纤维对不同断裂参数的提升幅度不同。玄武岩纤维对起裂韧度KICicni的提升幅度较大，最大可达18.9%；塑钢纤维对失稳韧度KICun的提升幅度较大，最大可达26.9%；在6kg/m3和9kg/m3两种总掺量下，塑钢纤维与玄武岩纤维混杂比例为2∶1时，混杂纤维对混凝土起裂韧度KICicni、失稳韧度KICun和断裂能的提升幅度均为同组最大，分别为32.2%、38.7%和330.2%，说明塑钢纤维和玄武岩纤维混杂后可以协同工作，产生正向效应，更有效地提升混凝土断裂韧度。通过借鉴三种普通混凝土的双线型软化本构曲线，得到了不同掺量和混杂比例下的混杂纤维混凝土双线型软化本构曲线。　　④通过将得到的双线型软化本构曲线应用到数值模拟试验中，验证了本构曲线的可靠性和合理性；通过对试验数据进行拟合得到了混杂纤维混凝土掺量与起裂韧度KICicni和失稳韧度KICun的拟合方程，并计算得到了在总掺量不超过9kg/m3的前提下混杂纤维对起裂韧度KICicni和失稳韧度KICun的最优掺量：当塑钢纤维掺量为5.72kg/m3、玄武岩纤维掺量为3.28kg/m3时，混杂纤维混凝土的起裂韧度KICicni达到最大值1.534MPa*m-0.5；当塑钢纤维掺量为4.77kg/m3、玄武岩纤维掺量为4.23kg/m3时，混杂纤维混凝土的失稳韧度KICun达到最大值2.225MPa*m-0.5。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 塑钢纤维混凝土

1.2.2 玄武岩纤维混凝土

1.2.3 混杂纤维混凝土

1.3 纤维增强混凝土理论

1.3.1 材料复合力学理论

1.3.2 纤维阻裂理论

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 混杂纤维混凝土切口梁三点弯曲试验

2.1 引言

2.2 试件制作

2.2.1 试验材料

2.2.2 混凝土配合比设计

2.2.3 试件的浇筑及养护

2.2.5 试件劈裂抗拉强度测试

2.3.1 声发射装置

2.3.2 三点弯曲试验装置

2.3.3 加载过程

2.3.4 试验现象

2.4 试验结果

2.4.1 声发射试验结果

2.4.2 加载点荷载—位移曲线

2.4.3 荷载—裂缝口张开位移曲线

2.4.3 试验结果分析

2.5 本章小结

3 切口梁声发射特征及起裂荷载的确定

3.1 引言

3.2 声发射基本原理及分析方法

3.2.1 声发射监测的基本理论

3.2.2 声发射信号分析

3.2.3 声发射研究现状

3.2.4 声发射在混凝土领域的应用

3.3 切口梁破坏过程的声发射特征

3.3.1 切口梁破坏过程的振铃计数参数分析

3.3.2 切口梁破坏过程的能量参数分析

3.3.3 切口梁破坏过程的幅值参数分析

3.4 基于声发射参数的切口梁试件起裂荷载确定

3.5 本章小结

4 混杂纤维混凝土双K断裂参数及本构曲线

4.1 引言

4.2 混凝土双K断裂模型

4.3 混杂纤维混凝土双K断裂参数计算

4.3.1 混凝土弹性模量计算

4.3.2 混凝土临界有效裂缝长度计算

4.3.3 双K 断裂韧度计算

4.3.4 混杂纤维对混凝土双K断裂参数的影响

4.4 混杂纤维混凝土断裂能计算

4.4.1 混杂纤维对混凝土断裂能的影响

4.5 混杂纤维混凝土的软化本构曲线

4.5.1 混凝土双线型软化本构曲线

4.5.2 混凝土粘聚韧度与软化曲线的关系

4.5.3 混杂纤维混凝土软化本构曲线的确定

4.5 本章小结

5 混杂纤维混凝土有限元模拟及最优掺量

5.1 引言

5.2 有限元模型的建立

5.2.1 模型单元选取

5.2.2 模型部件建立

5.2.3 单元网格划分

5.2.4 边界条件及加载

5.3.1 切口梁损伤过程分析

5.3.2 切口梁荷载-张开口位移曲线分析

5.4 基于混凝土断裂韧度的最优纤维掺量

5.4.1 混杂纤维混凝土起裂韧度的最优掺量

5.4.2 混杂纤维混凝土失稳韧度的最优掺量

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖项、证书

D. 学位论文数据集

致谢