单调及重复荷载作用下超高性能混凝土的受拉性能

摘要

超高性能混凝土是一种新型的混凝土材料，因其具有优异的受力变形性能和耐久性能而引起工程界的瞩目。UHPC中适量钢纤维的掺入，可使材料由脆性破坏转变成延性破坏，因此，钢纤维是影响UHPC抗拉性能的主要因素。基于此，本文以国家自然科学基金“活性粉末混凝土受压构件抗震性能及设计方法研究”为依托，以UHPC中所含钢纤维的掺量和形状为试验参数，对UHPC材料的轴拉性能、劈拉性能和弯拉性能进行了试验研究，以期为UHPC材料和结构的性能评定和分析提供依据。完成的主要研究内容如下：　　(1)钢纤维掺量和形状对UHPC抗压性能的影响研究。配制了含不同钢纤维、强度等级为150MPa的UHPC材料，基于立方体和棱柱体试件的受压性能测试结果，明确了钢纤维掺量和形状对UHPC抗压强度和弹性模量的影响规律。结果表明：随钢纤维掺量的增加，UHPC材料的抗压强度有所提高，与不掺钢纤维的基体强度相比，平直钢纤维掺量为1%、2%和3%时，立方体强度分别提高5.3%、14.8%和23%，棱柱体强度分别提高20%、22%和37%；纤维体积掺量为2%时，端钩纤维试件的立方体强度和棱柱体强度分别较平直纤维试件增加8.6%和1.7%。纤维掺量和形状对UHPC的受压弹性模量影响甚微。　　(2)钢纤维掺量和形状对单调荷载作用下UHPC轴拉性能的影响研究。基于狗骨形状试件的单调轴拉性能测试结果，明确了钢纤维掺量和形状对UHPC轴拉试件的破坏形态、应力-应变曲线特征、延性、耗能能力和受拉裂缝的影响规律，建立了单调荷载作用下UHPC受拉应力-应变曲线方程和应力-裂缝宽度曲线方程。结果表明：钢纤维体积掺量1%时，UHPC轴拉表现出单缝开裂的应变软化特征，钢纤维掺量不小于2%时，则表现出多缝开裂的应变强化特征；包括卸载曲线在内的UHPC轴拉应力应变全曲线在初裂点、峰值点、极限点和卸载点等特征点间基本呈线性变化，基于试验结果确定了曲线各特征点的取值；受拉与受压弹性模量相近，材料的塑性耗能能力基本上是由基体内纤维的塑性变形提供；端钩纤维仅对UHPC轴拉时的峰值点应变、塑性耗能能力及多缝开裂时的裂缝间距影响较为显著，对其它性能的影响较小。　　(3)钢纤维掺量和形状对重复荷载作用下UHPC轴拉性能的影响研究。基于狗骨形状试件的重复轴拉性能测试结果，明确了钢纤维掺量和形状对UHPC轴拉试件破坏形态、应力-应变曲线特征、卸载模量和再加载模量的影响规律，建立了重复荷载作用下UHPC受拉应力-应变包络线方程、卸载曲线方程和再加载曲线方程。结果表明：单调及重复荷载作用下UHPC的破坏形态无明显差别；随着纤维掺量的增加，重复加载下的应力应变包络线和加卸载的滞回环逐渐变饱满；相同纤维掺量下，端钩纤维试件的包络线和滞回环的饱满程度明显好于平直纤维试件；超高性能混凝土在重复荷载作用下的应力-应变曲线特征与单调荷载作用下基本一致；卸载模量和再加载模量均随着加卸载次数的增加而逐渐降低，且下降速率随着应变的增大而逐渐减小，最后趋于平稳，基于试验结果确定了卸载模量和再加载模量的取值。　　(4)钢纤维掺量和形状对UHPC劈拉性能和弯拉性能的影响研究。基于立方体试件的劈拉性能和棱柱体试件的弯拉性能测试结果，明确了钢纤维掺量和形状对UHPC劈拉强度、弯拉荷载-位移曲线、弯拉能量吸收能力和弯曲韧性的影响规律以及轴拉、劈拉和弯拉强度间的关系。结果表明：随着钢纤维掺量的增加，UHPC轴拉、劈拉和弯拉强度均近似线性增大且弯拉强度对其最为敏感，轴拉强度与弯拉和劈拉强度比逐渐降低；弯拉试件的能量吸收能力和弯曲韧性均随钢纤维掺量的增加而增大，端钩纤维对UHPC能量吸收能力和弯曲韧性的提升效果明显优于平直纤维。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 UHPC配制技术

1.2.2 单调荷载作用下力学性能

1.2.3 重复荷载作用下力学性能

1.3 主要研究内容

第 2 章 试件制备及试验方法

2.1 试件制备

2.1.1 试验原材料

2.1.2 材料配合比

2.1.3 试件制作及编号

2.2 试验方法

2.2.1 抗压强度及弹性模量测试

2.2.2 劈裂拉伸测试

2.2.3 四点弯曲拉伸测试

2.2.4 轴向拉伸测试

2.3 本章小结

第 3 章 单调荷载作用下UHPC轴拉性能

3.1 试验现象和破坏形态

3.2 单调荷载下的应力-应变曲线

3.3 单调加载试验结果分析

3.3.1 曲线特征参数

3.3.2 曲线特征参数的影响分析

3.3.3 受拉裂缝分析

3.4 单调荷载下UHPC轴拉本构方程

3.4.1 应力-应变曲线方程

3.4.2 应力-缝宽曲线方程

3.5 本章小结

第4章 重复荷载作用下UHPC轴拉性能

4.1 试验现象和破坏形态

4.2 重复荷载下的应力-应变曲线

4.3 重复荷载试验结果分析

4.3.1 包络线及曲线特征值

4.3.2 卸载曲线

4.3.3 再加载曲线

4.4 本章小结

第 5 章 UHPC劈拉和弯拉性能

5.1 劈裂抗拉性能

5.1.1 破坏形态

5.1.2 劈拉强度

5.2 弯曲抗拉性能

5.2.1 破坏形态

5.2.2 荷载-位移曲线

5.2.3 荷载-位移曲线特征点参数

5.2.4 能量吸收能力

5.2.5 弯曲韧性

5.3 三种抗拉试验的结果对比

5.4 本章小结

结论与展望

结论

有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文