GFRP约束纤维增强海砂再生混凝土柱轴压性能研究

摘要

人口的持续增长和城市的不断扩张使混凝土需求量逐年增加，混凝土的大量生产导致了对天然砂石骨料大量的消耗。将海砂和再生粗骨料应用于混凝土结构具有极大的社会和经济价值。　　再生混凝土存在孔隙率大、吸水率大、界面过渡区薄弱等天然缺陷。而海砂混凝土由于Cl-含量较高，存在易被腐蚀、耐久性差等问题。针对这些问题，本文提出了GFRP约束纤维增强海砂再生混凝土这一组合结构。将短切纤维掺入再生混凝土中，可有效改善混凝土的力学性能和裂后变形性能。而FRP(纤维增强复合材料)以其质轻高强、耐腐蚀、可设计性强等优点在土木工程领域已被广泛利用。将两者结合起来，可有效避免钢筋的锈蚀问题，同时可大大提高构件的承载能力和变形能力。本文的主要研究内容包括：　　(1)玻璃纤维增强海砂再生混凝土基本力学性能试验研究。以水灰比、纤维掺量和再生粗骨料取代率为变量，对24组(共216个试件)不同类别的海砂混凝土进行了立方体抗压、劈裂抗拉和轴心抗压试验，并获得了完整的应力-应变曲线。　　(2)玻璃纤维增强海砂再生混凝土基本力学性能理论研究。再生混凝土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度的换算系数为0.84，略高于普通混凝土。基于过镇海模型建立了不同纤维掺量不同取代率纤维增强海砂再生混凝土的本构关系，并采用应力截断法对抗压韧性进行了分析。　　(3)复合材料力学性能基本理论研究及GFRP管材料性能试验研究。主要包括单层板五大工程弹性常数和五大基本强度力学指标的计算、不同方向单层板应力-应变关系的转换、单层板强度失效准则以及FRP层合板极限强度的计算。采用分离盘法对GFRP环进行拉伸试验，测得了弹性模量、抗拉强度等基本材料性能。　　(4)GFRP约束纤维增强海砂再生混凝土柱轴压性能试验。以混凝土强度等级、GFRP层数、GFRP缠绕角度为变量，对42根圆形截面柱进行轴压试验。研究表明：随GFRP层数的增加，GFRP约束海砂再生骨料混凝土试件的强度和延性大大提高。不同纤维缠绕角度的试件破坏形态有较大差异；缠绕角度为60o的试件与80o试件相比极限应力有所降低，但延性增加了1.04倍。　　(5)GFRP约束纤维增强海砂再生混凝土短柱轴压受力状态理论分析。从极限应力、极限应变、本构关系三个方面对比分析了各典型FRP约束普通混凝土模型理论计算结果与试验所得数值，最后基于经典模型建立了适用于GFRP约束海砂再生混凝土的极限状态方程和本构关系。并引入纤维缠绕角度这一变量运用统一理论法建立了约束构件轴压承载力计算公式。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题研究概述

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题的背景

1.1.3 课题的意义

1.2 文献综述

1.2.1 再生混凝土研究现状

1.2.2 海砂混凝土研究现状

1.2.3 纤维混凝土研究现状

1.2.4 FRP 约束混凝土研究现状

1.3 本文主要研究内容

第 2 章 FRP 复合材料力学性能理论分析

2.1 引言

2.2 单层板力学指标的计算

2.2.1 工程弹性常数的确定

2.2.2 基本强度的计算

2.3 单层板应力-应变曲线

2.3.1 主方向上的应力-应变关系

2.3.2 任一方向上的应力-应变关系

2.4 强度分析

2.4.1 单层板强度失效准则

2.4.2 层和板极限强度的计算

2.5 本章小结

第 3 章 纤维增强海砂再生混凝土基本力学性能研究

3.1 引言

3.2 试验设计

3.2.1 试验材料选用

3.2.2 配合比设计

3.2.3 试件制备及养护

3.2.4 试验加载及测量制度

3.3 纤维增强海砂再生混凝土抗压强度分析

3.3.1 立方体抗压强度试验

3.3.2 棱柱体抗压强度试验

3.3.3 棱柱体抗压强度与立方体抗压强度关系

3.4 劈裂抗拉强度试验

3.5 纤维增强海砂再生混凝土峰值应变分析

3.6 纤维增强海砂再生混凝土泊松比分析

3.7 纤维增强海砂再生混凝土本构关系研究

3.7.1 试验结果分析

3.7.2 本构关系建立

3.8 纤维增强海砂再生混凝土抗压韧性分析

3.9 本章小结

第4章 GFRP约束纤维增强海砂再生混凝土柱轴压力学性能试验研究

4.1 引言

4.2 试验概况

4.2.1 试件设计

4.2.2 试件制作及养护

4.2.3 试件加载及测试方案

4.3 FRP 材性试验

4.4 试验结果分析

4.4.1 破坏形态

4.4.2 承载力与延性分析

4.4.3 侧向膨胀分析

4.4.4 应力-应变曲线分析

4.5 本章小结

第5章 GFRP约束纤维增强海砂再生混凝土柱理论计算

5.1 引言

5.2 FRP 约束混凝土组合结构受力机理

5.3 FRP 约束混凝土极限状态方程

5.3.1 经典模型

5.3.2 各模型计算值与实测试验值误差对比分析

5.3.3 建议的极限状态模型

5.4 GFRP 约束纤维增强海砂再生混凝土柱本构关系

5.4.1 典型应力-应变曲线

5.4.2 本文应力-应变试验曲线与经典本构模型计算曲线的对比

5.4.3 本文建议的本构关系模型

5.5 轴压承载力计算公式对比

5.5.1 极限平衡法

5.5.2 统一理论法

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文