碳纤维织物增强水泥基板平面内抗剪性能研究

摘要

碳纤维织物增强水泥基(CarbonTextileReinforcedMortar，简称CTRM)板可被用作加固材料。与纤维织物增强复合片材(FiberReinforcedPolymer，简称FRP)相比，该材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀、与混凝土相容性好的特点，因此用于加固构件时具有更多的优势。CTRM板用于提升混凝土梁的抗剪性能时，该材料被固定在混凝土梁的侧面。这种情况下CTRM板处于平面内受剪状态，深入研究CTRM板平面内的抗剪性能对于揭示CTRM板加固混凝土梁的抗剪工作机理具有重要的意义。本文以织物层数、钢纤维掺量、水泥基强度、预应力等因素为研究变量，采用一点加载试验研究了CTRM板的平面内抗剪性能，并采用扫描电镜观察了CTRM板内的微观形貌，结合Abaqus进行有限元分析，推导出斜截面承载力计算公式，获得如下结论：　　(1)碳纤维织物层数是影响试件刚度和平面内抗剪承载力的重要因素。随着织物层数的增加，试件的刚度、开裂荷载、极限承载力随之提高，尤其对于开裂后刚度提高明显。试件开裂后刚度下降幅度随着织物层数增加而降低，试件的破坏形态由承载力较低的斜拉破坏向承载力较高的斜压破坏转变。　　(2)钢纤维掺量对试件的开裂荷载、极限荷载、开裂前刚度都有提高，其中对开裂荷载的提高最为明显，1%的钢纤维能有效抑制碳纤维织物与水泥基的剥离破坏，碳纤维织物的利用率得到了提高，并随着钢纤维掺量的增大，试件的破坏形态由斜拉破坏向正截面破坏转变。　　(3)随着水泥基强度等级的增加，试件的极限荷载、开裂荷载、刚度都有提高。　　(4)预应力对试件开裂前刚度和开裂荷载的提高有帮助，但对试件的极限荷载影响不大。　　(5)微观观测表明，环氧树脂对碳纤维束的浸渍能力明显高于水泥基质，但环氧树脂对碳纤维束的浸渍仍然是不充分的，内侧纤维丝未得到浸渍；钢纤维与水泥基质、碳纤维束与水泥基质的界面，水化产物结晶颗粒大且排列疏松，表明界面处为CTRM板内受力的薄弱面。　　(6)基于试验数据，采用纤维混凝土深梁的计算公式建立了CTRM板平面内斜截面抗剪承载力计算公式。

目录

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目 录

第 1 章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 TRM 加固混凝土结构

1.2.1 TRM 的抗弯加固

1.2.2 TRM 的抗剪加固

1.2.3 TRM 的轴向承载力加固

1.3 TRM 材料的研究

1.3.1 TRM 板抗拉性能

1.3.2 TRM 板抗弯性能

1.3.3 TRM 板粘结性能

1.4 本文主要内容

第 2 章 CTRM 板的制备及其原材料性能

2.1 引言

2.2 试验材料性能

2.2.1 碳纤维织物

2.2.2 水泥基质

2.2.3 钢纤维

2.3 CTRM 板的设计及制备

2.3.1 板材设计

2.3.2 板材制备

2.4 预应力的计算

2.5 本章小结

第 3 章 CTRM 板的微观结构

3.1 引言

3.2 试验设备

3.3 微观结构

3.3.1 碳纤维束

3.3.2 浸渍环氧树脂的碳纤维束与水泥基界面

3.3.3 未浸渍环氧树脂的碳纤维束与水泥基界面

3.3.4 钢纤维与水泥基界面

3.4 本章小结

第 4 章 CTRM 板平面内抗剪性能

4.1 引言

4.2 试验概况

4.2.1 测试方法

4.2.2 试验工况

4.3钢纤维掺量对 CTRM 板平面内抗剪性能的影响

4.3.1 荷载-跨中挠度曲线

4.3.2 破坏模式

4.3.3 讨论与分析

4.4 碳纤维织物层数对 CTRM 板平面内抗剪性能的影响

4.4.1 荷载-跨中挠度曲线

4.4.2 破坏模式

4.4.3 分析与讨论

4.5 水泥基体强度对 CTRM 板平面内抗剪性能的影响

4.5.1 荷载-跨中挠度曲线

4.5.2 破坏模式

4.5.3 分析与讨论

4.6 预应力对 CTRM 板平面内抗剪性能的影响

4.6.1 荷载-跨中挠度曲线

4.6.2 破坏模式

4.6.3 分析与讨论

4.7 本章小结

第 5 章 CTRM 板有限元分析

5.1 引言

5.2 材料本构

5.2.1 水泥基材料本构

5.2.2 纤维织物本构

5.3 模型介绍

5.4 有限元分析

5.4.1荷载-跨中挠度曲线

5.4.2 水泥基应力云图

5.4.3 纤维织物应力云图

5.4.4 破坏模式

5.5 本章小结

第 6 章 CTRM 板平面内抗剪承载力理论分析

6.1 引言

6.2 各国关于深梁计算公式

6.2.1 中国规范

6.2.2 美国规范

6.3 CTRM 板材承载力公式推导

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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