喷射UHTCC与混凝土界面的Ⅱ型断裂试验研究

使用喷射超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)加固和修补水工混凝土结构具有广阔的应用前景。为评估加固效果,采用喷射UHTCC和既有混凝土制备成的两端无切口剪切型断裂复合试件,开展单边加载剪切型断裂试验,测试两种材料的界面剪切型断裂韧度。对既有混凝土表面分别采用高压水枪冲洗、人工凿毛和涂抹界面剂三种不同的处理方法,并对比研究喷射UHTCC和浇筑UHTCC两种施工工艺,探究不同因素对复合试件界面剪切型断裂韧度的影响。试验结果表明:喷射UHTCC与既有混凝土之间黏结性能良好;界面粗糙度对界面剪切型断裂韧度无显著影响;涂抹界面剂会使界面剪切型断裂韧度显著下降;喷射UHTCC制备的复合试件其界面剪切型断裂韧度高于浇筑UHTCC制备的复合试件。喷射UHTCC技术可对水工混凝土结构进行有效的加固和修复。     

氯盐环境下混凝土中锈蚀钢筋力学性能研究

基于试验、仿真及理论分析探讨了氯盐环境下混凝土中锈蚀钢筋的力学性能退化规律及其影响机理。通过对取自历时两年干湿循环混凝土试件中的214根锈蚀钢筋进行拉伸试验表明：当锈蚀率较小时，钢筋名义强度随之增加近乎线性下降；当锈蚀率较大时，钢筋名义、等效强度及延性均随之增加而下降；钢筋的屈服平台随锈蚀不均匀性增大逐渐缩短甚至消失；钢筋断裂形态随局部锈蚀特征变化；同等条件下细直径钢筋力学性能对锈蚀更敏感。就试验现象进行理论和仿真分析表明：钢筋的实际抗拉强度在锈蚀前后并无显著变化；钢筋名义强度的降低，主要是由于锈损引起横截面积减小导致抗力减小而造成的；锈蚀引起的钢筋面积减小、缺口效应及附加偏心作用是导致其伸长率减小的主要原因；附加弯矩作用是钢筋力与变形关系曲线中屈服平台缩短、消失的主要原因。     

混凝土结构防氯盐锈蚀研究

影响混凝土结构耐久性的原因很多,但钢筋锈蚀是最主要的原因,而氯盐离子是引起混凝土结构中钢筋锈蚀的元凶。根据氯盐进入混凝土的途径、在混凝土中的存在形式及锈蚀机理,提出了防止氯盐锈蚀钢筋的措施:重视概念设计、合理设置保护层厚度、采用高性能混凝土、掺入钢筋阻锈剂、掺入引气剂等。     

氯盐环境下混凝土中锈蚀钢筋力学性能研究

基于试验、仿真及理论分析,探讨了氯盐环境下混凝土中锈蚀钢筋力学性能的退化规律及其影响机理。采用干湿循环法对钢筋混凝土试件进行了长达两年的锈蚀试验,对214根锈蚀钢筋进行机械拉伸试验。结果表明:当锈蚀程度较轻时,钢筋名义强度随锈蚀率增加呈线性下降;当锈蚀率较大时,钢筋名义、等效强度及延性均随其增加而下降;钢筋力与变形关系曲线中的屈服平台随锈蚀不均匀性增大逐渐缩短甚至消失;钢筋断裂形态与局部锈蚀特征相关,可分为三种类型;同等条件下细直径钢筋的力学性能对锈蚀更敏感。就试验现象进行理论和仿真分析表明:钢筋的实际抗拉强度在锈蚀前后并不降低;名义强度的降低,主要是由于锈损引起钢筋横截面积减小导致抗力减小而造成的;锈蚀引起的截面积减小、缺口效应及附加偏心作用是导致钢筋伸长率减小的主要原因;附加弯矩作用是导致钢筋力与变形关系曲线中屈服平台缩短、消失的主要原因。     

RC/UHTCC复合梁的弯曲与界面性能试验研究

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为一种高性能纤维水泥基复合材料,具有拉伸应变硬化特征和优异的裂缝分散能力。本文采用UHTCC局部替代受拉区混凝土,试验研究集中荷载作用下钢筋混凝土/UHTCC(RC/UHTCC)复合梁的弯曲性能。以纵筋配筋率和UHTCC层厚度为试验参数,对比RC梁与RC/UHTCC复合梁以及不同UHTCC厚度的RC/UHTCC复合梁间的破坏机理、弯曲行为、界面性能以及裂缝形态等。试验结果表明,配筋率为0.67%的RC/UHTCC复合梁表现为延性的弯曲破坏或纵筋屈服后的弯剪破坏模式,其屈服荷载较RC梁显著提高,而配筋率为1%的RC/UHTCC表现为脆性的剪切-界面黏结破坏,其承载能力基本与RC梁相当。对于RC/UHTCC复合梁,混凝土层中的单一宏观裂缝转化为UHTCC层中的多条细密裂缝,而且在界面裂缝端部UHTCC层中呈现出多条细密斜裂缝形态。此外,脆性剪切-界面脱黏破坏是由贯穿剪跨区的界面裂缝以及受压区混凝土的压碎所导致,而不是由初始的界面开裂引起。     

超高韧性水泥基复合材料抗压性能的尺寸效应研究

超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites,简称UHTCC)是一种具有超高韧性和良好耐久性能的新型混凝土材料,能够有效控制水工结构中有害裂缝的发生,提高结构耐久性。本文对标准立方体和4组不同高厚比UHTCC棱柱体试件的压缩性能进行了试验研究,得到了受压应力-应变全曲线。结果表明,UHTCC抗压性能的尺寸效应规律有别于普通混凝土。抗压峰值应变(名义应变)与真实应变关系紧密,具有近似的比例关系;高厚比大于1时,高厚比对UHTCC棱柱体强度影响不大,有别于普通混凝土棱柱体试验结果;高厚比对UHTCC棱柱体峰值应变有较大影响,在一定程度上反映了环箍效应的作用。最后,在试验结果与分析的基础上提出了一个适用于不同高厚比的UHTCC压缩应力-应变模型。     

锈蚀钢筋混凝土梁截面协同工作系数研究

本文将锈蚀钢筋混凝土梁视为由锈蚀钢筋和混凝土组成的组合梁,以锈蚀钢筋与混凝土之间的变形协调条件为依据,引入反映锈蚀钢筋混凝土力学性能的本构关系和锈蚀钢筋和混凝土之间的黏结-滑移本构关系,推导出以纵向受拉钢筋拉力表达的锈蚀梁非线性微分方程。通过求解该微分方程,给出了考虑黏结滑移的锈蚀梁非线性解析解和截面协同工作系数理论表达式,使锈蚀钢筋黏结强度降低系数与截面协同工作系数之间得到了统一。文中还对影响截面协同工作系数的因素,即锈蚀量特征值、荷载作用形式及截面位置进行了讨论,并与试验归纳总结的截面协同工作系数进行了比较分析,说明了该理论表达式的合理性。     

冻融环境下变形钢筋与混凝土间黏结应力计算模型

为研究冻融作用对钢筋混凝土无箍筋试件黏结强度的影响,引入相应的损伤变量对Hsieh-Ting-Chen四参数混凝土破坏准则进行修正,确定冻融损伤下的混凝土破坏准则,建立冻融环境下黏结失效的理论计算模型。通过对钢筋肋间混凝土在挤压力、摩擦力等作用下的受力分析,给出冻融环境下变形钢筋与混凝土之间极限黏结应力的计算方法及锥面斜角、摩擦因数等参数的取值,详细阐述了极限黏结应力的求解思路。利用已有文献试验结果对该理论计算模型进行验证,结果表明冻融次数在一定范围内计算值与试验值吻合较好,模型精度较高。     

负载锈蚀钢筋混凝土梁变形 性能试验研究

通过对不同负荷条件下锈蚀梁的承载力试验,探讨了持荷大小与试件内钢筋锈蚀程度间的关系,分析了钢筋锈蚀率大小对混凝土梁变形性能的影响规律。研究结果表明：负载作用对钢筋锈蚀有促进作用;混凝土强度的后期增长能有效地弥补锈蚀对梁变形造成的不利影响;混凝土强度相近时,随钢筋锈蚀程度增加,锈蚀梁跨中挠度增大,挠度计算时应考虑粘结性能退化引起的抗弯刚度降低的影响。     

提高海工混凝土结构耐久性寿命成套技术及推广应用——获2011年度国家科学技术进步奖二等奖

处于海水环境中的海工混凝土结构,因氯盐腐蚀引起钢筋锈蚀、混凝土结构破坏是威胁我国乃至世界混凝土结构安全使用寿命的首要病害.长期以来,如何攻克海工混凝土结构耐久性技术难题、提高海工混凝土     

受腐蚀钢筋混凝土梁截面延性研究

研究了受腐蚀钢筋混凝土梁的延性特性，分析了受腐蚀梁截面曲率延性系数随钢筋锈蚀率及混凝土劣化系数的演变规律，推导了钢筋与混凝土间粘结退化时受腐蚀梁截面曲率延性计算模型。研究表明，拉压区钢筋在锈蚀初期将导致受腐蚀梁截面曲率延性的提高，但随着钢筋锈蚀率的提高，钢筋与混凝土粘结性能逐渐退化，截面曲率延性系数逐渐降低；混凝土力学性能的劣化作为影响受腐蚀构件延性特性另一主要因素，在受腐蚀钢筋混凝土构件的受力研究中不容忽略。为受腐蚀钢筋混凝土构件受力研究及可靠度评价提供了理论依据。     

基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型

本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂试验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型,考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷,裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况,利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋的膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型.分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素,认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土结构耐久性的提升.理论模型计算结果与试验数据的对比表明,本文模型可用于混凝土亮中钢筋锈蚀胀裂的预测.     

含水率及加载速率对纤维增韧喷射混凝土弯曲韧性的影响

试验中观察到含水率及加载速率对钢纤维、粗合成纤维增韧喷射混凝土弯曲韧性测试中的脆断概率影 响显著,为此,研究了这2 个试验条件对弯曲韧性测试的影响. 试件在(20依2)益、(60依5)% 相对湿度条件下分 别干燥0,16,24 及72 h,获得不同程度的干湿状态;然后按照ASTM C1609 及CECS 13 的三分点加载,以 0. 05 mm/ min加载速率测试弯曲韧性. 对于干燥时间分别为24 和72 h 的试件,以0. 05,0. 10 及0. 20 mm/ min 加 载速率分别测试其弯曲韧性. 结果表明,随着含水率降低,第一峰值弯曲强度明显降低;未经干燥的水饱和试件 弯韧试验中均发生脆断,但经干燥非饱和试件的特定挠度下残余弯曲强度、弯曲韧性T100,2. 0 随含水率降低而呈 现降低趋势. 纤维增韧喷射混凝土第一峰值强度、残余弯曲强度、弯曲韧性随加载速率提高而增大;配合比相同 时,相对含水率较高,上述抗弯性能随加载速率提高而增大的趋势更为明显;其原因可以解释为受孔隙中自由 水Stefan 效应引发黏聚力作用.     

UHTCC三点弯曲梁裂纹扩展的数值模拟研究

为了探究超高韧性水泥基复合材料(简称UHTCC)断裂性能,选取三点弯曲梁作为研究对象,应用ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM)分析模块,模拟分析了加载条件下三点弯曲梁的裂纹扩展过程和规律,并进行了UHTCC力学参数敏感性分析。根据数值模拟结果,分析了三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载、起裂韧度、临界等效裂缝长度、失稳断裂韧度等指标。结果表明,数值模拟结果与物理试验结果总体一致,UHTCC比普通混凝土具有很好的抗开裂能力和延性;在弹性模量、抗拉强度、断裂能参数原值的基础上,分别提高30%和降低30%。分析了3个力学参数对三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载及其对应的裂缝张开位移影响程度。参数敏感性分析结果表明,弹性模量愈小,抗拉强度愈大,材料断裂失稳延性愈明显,而断裂能对断裂失稳延展性影响不明显。研究成果为UHTCC的材料设计、推广应用以及相应的结构分析等具有参考价值。     

基于MCFT理论的超高韧性水泥基复合材料简支梁抗剪性能研究

简要介绍了全新的抗剪分析方法——修正压力场理论(MCFT),并将该理论应用于超高韧性水泥基复合材料梁抗剪性能研究分析中。在此基础上建立了钢筋增强超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)梁在弯剪复合作用下的截面分析模型;根据计算模型编制了程序,并利用该程序对UHTCC材料梁进行抗剪承载力的理论计算;同时对UHTCC梁试件进行加载试验,并将理论值与试验值进行了对比,结果显示两者较为吻合,表明MCFT理论能够较好地分析超高韧性水泥基复合材料梁的抗剪性能。进一步研究表明:UHTCC材料简支梁中的箍筋一般能够达到屈服状态,能够承担裂缝间的应力;MCFT理论计算值能反映箍筋受力的实际情况,该理论可用于对UHTCC材料梁抗剪承载力的理论计算。     

基于统计回归的钢筋与再生混凝土粘结强度分析

为了研究钢筋与再生混凝土粘结强度,在有关钢筋与再生混凝土粘结性能试验数据统计的基础上,分析了再生混凝土抗压强度、保护层厚度、钢筋锚固长度和钢筋直径等参数对其粘结强度的影响规律;利用最小二乘法统计回归得到了钢筋与再生混凝土粘结强度的计算公式,并用该公式对钢筋再生混凝土试验数据进行了验算和对比。研究表明:随着再生混凝土抗压强度和再生混凝土保护层相对厚度的增大,钢筋与再生混凝土粘结强度呈增大趋势;钢筋与再生混凝土粘结强度随着钢筋锚固长度的增大而减小;钢筋直径钢筋直径为10 mm钢筋与再生混凝土的粘结强度略大于其他钢筋直径的粘结强度。文中提出的钢筋与再生混凝土粘结强度计算模型的计算值与基于拉拔试验实测值较为接近,预测结果较为合理。     

UHTCC/RC复合梁剪切性能试验研究

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)以其多重细密稳态开裂模式在宏观上展现出拉应变硬化特征,具有优异的裂缝控制能力,可用作修补材料。采用UHTCC替代部分受拉区混凝土对有腹筋UHTCC/RC复合梁进行了剪切性能研究。试验变量为UHTCC层厚度。结果表明:不同UHTCC层厚度的UHTCC/RC复合梁,其抗剪承载力均明显高于RC对比梁;即便配置较密集的箍筋,仍然无法阻止界面剥离,但可以避免界面剥离产生的荷载抖降;UHTCC能够限制和分散上层混凝土中的裂缝。最后,给出了UHTCC/RC复合梁在实际应用中的建议。     

非晶合金纤维增强水泥砂浆性能试验研究

以钢纤维为对比,研究了不同掺量的非晶合金纤维对水泥砂浆流动性、抗压和抗折强度的影响,提出了预测非晶合金纤维混凝土抗折强度的经验公式,并采用扫描电子显微镜观察纤维与基体的粘结状态。结果表明:与钢纤维相比,非晶合金纤维显著提高了砂浆的力学性能。1.0%掺量下非晶合金纤维增强砂浆28 d抗压强度和抗折强度与未掺纤维试样相比分别增加了28.6%和51.9%,与相同掺量下钢纤维增强砂浆相比分别增加了9.9%和14.5%。非晶合金纤维抗拉强度高,抗腐蚀性能强,在砂浆中分散均匀,与砂浆基体粘结良好,在较低掺量下即可有效提高砂浆的抗压和抗折强度,增加砂浆的韧性。     

钢筋-地聚合物混凝土黏结性能研究

地聚合物混凝土是一种绿色低碳的新型建筑材料,因其耐高温、高早强、低反应热等特点,近十年受到了国际学术界和工程界的广泛关注。在与普通混凝土进行对比的基础上,通过钢筋拉拔试验研究了地聚物混凝土与钢筋的黏结性能,探讨了黏结长度等参数对黏结性能的影响。研究表明:与普通混凝土相比,地聚合物混凝土可以更好地传递钢筋的应力;传递相同的荷载,地聚合物混凝土比普通混凝土需要更小的混凝土保护层厚度和黏结长度;钢筋在地聚合物混凝土中的锚固性能具有加载速率敏感性,随着加载速率的提高,地聚合物混凝土与钢筋的黏结强度、破坏能耗均显著提高,但该敏感性随着黏结长度的增大而减弱。在分析试验数据基础上,提出了地聚合物混凝土与钢筋黏结强度的表达式,并提出了地聚合物混凝土结构设计建议。