再生钢纤维增韧超高性能混凝土的力学性能

采用来自于废旧轮胎的两种再生钢纤维制备含粗骨料的超高性能混凝土,并测定其抗压强度、劈裂抗拉强度、断裂能和静弹性模量等力学性能,空白组及普通钢纤维增韧超高性能混凝土作对比性能试验。结果显示,未附着橡胶颗粒的再生钢纤维使超高性能混凝土的抗压强度略微下降,降低幅度为3.91%,其余各类型钢纤维均有利于提高超高性能混凝土的力学性能;而附着橡胶颗粒的再生钢纤维显著提高了超高性能混凝土的断裂能,约为普通钢纤维增韧超高性能混凝土的4倍。此外,再生钢纤维对超高性能混凝土的劈裂抗拉强度和静弹性模量的提高效果均优于普通钢纤维。再生钢纤维,尤其是附着橡胶颗粒的再生钢纤维,可以作为一种增韧材料替代普通钢纤维应用到超高性能混凝土工程结构中。      

钢纤维对超高性能混凝土干燥收缩的影响

研究了在(20±2)℃、相对湿度为(50±5)%的环境中钢纤维体积掺量为0%、1%、2%和3%的超高性能混凝土(UHPC)的干燥收缩。结果表明:UHPC在前7d的干燥收缩发展速率较快,7d后发展速率逐渐减缓;但当钢纤维掺量超过2%后,钢纤维对干燥收缩的改善作用明显降低,相比钢纤维掺量为2%的UHPC,3%掺量UHPC的干燥收缩仅仅降低了1.5%。钢纤维高弹模及它与基体的界面粘结有效降低了混凝土的干燥收缩,但钢纤维掺量过多可导致多孔薄弱的界面区增加,从而使其对混凝土的收缩抑制作用减小。粉煤灰对超高性能混凝土干燥收缩的抑制作用大于矿粉。提出的新的数学拟合指数公式相比于文献中常用的ACI和王铁梦公式与实测结果吻合度更好。     

再生砂超高性能混凝土力学性能

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)因其优异的力学性能而广受关注。传统混凝土制备消耗了大量天然砂,导致天然砂供应短缺和价格上涨,增加了UHPC的制备成本,不利于UHPC保持稳定的力学性能。由建筑垃圾破碎生产的再生砂因其来源丰富、体量巨大、绿色环保,具有取代天然砂制备UHPC的潜力。为验证再生砂替代天然砂制备UHPC的可行性,本文研究了再生砂取代率、粒径和砂胶比等因素对UHPC的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：再生砂UHPC仍具有较好的力学性能,随着再生砂取代率增大,再生砂UHPC的抗压强度、弹性模量和抗拉强度均逐渐减小;再生砂粒径与砂胶比对力学性能的影响甚微,当砂胶比从0.6增大到0.9时,弹性模量仅下降5.5%。本文建立了考虑再生砂掺量的UHPC静弹性模量计算公式,提出了再生砂UHPC棱柱体抗压强度与弹性模量的经验公式。再生砂UHPC具有成本低、性能高、绿色环保等特点,通过对其基本力学性能的表征,并建立相应的计算公式,为后续再生砂UHPC的结构应用奠定了基础。     

钢纤维类型对超高性能混凝土高温爆裂性能的影响

为了探寻可以有效改善超高性能混凝土（Ultra-high-performance concrete,UHPC）抗火性能的钢纤维类型,本文试验测定了不同类型钢纤维（3种普通钢纤维和2种来自于废旧轮胎的再生钢纤维）增韧UHPC及空白组混凝土的从常温至800℃高温爆裂行为和断裂能。结果显示,未掺入任何钢纤维的空白组UHPC试件全都发生了严重高温爆裂,钢纤维可以显著减轻其高温爆裂但却不能避免爆裂的发生,而掺入端钩型普通工业钢纤维（长度为35 mm,直径为0.55 mm）的UHPC呈现出最优的抗高温爆裂性能,其次是掺入未附着橡胶颗粒（RSF）的再生钢纤维（RSFR）增韧UHPC。可见,钢纤维自身性能特征显著影响了钢纤维增韧UHPC的高温爆裂,相同掺量情况下混凝土单位体积内分布密度较大的钢纤维或者分布密度较小但可以显著增加混凝土断裂韧性（断裂能）的钢纤维比较适合应用于具有较高抗火要求的UHPC结构中。     

超高性能混凝土与普通混凝土的黏结抗冻性能

对147个超高性能混凝土与普通混凝土的100mm×100mm×100mm立方体黏结试件进行了冻融循环后的黏结性能研究,测量了冻融后试件的相对动弹性模量、质量损失率以及劈裂抗拉强度,研究了超高性能混凝土中的钢纤维掺量、普通混凝土的强度等级、黏结面形式、试件的浇筑方向等因素对黏结试件抗冻性能的影响。结果表明,冻融循环结束后,所有黏结试件中的超高性能混凝土部分都没有出现损伤,超高性能混凝土可以作为普通混凝土结构的理想外围护材料;随着冻融循环次数的增加,黏结试件的相对动弹性模量逐渐减小,质量损失率先降低后增加,黏结试件的劈裂抗拉强度线性下降;影响黏结试件冻融后劈裂抗拉强度下降速度的关键因素是超高性能混凝土中的钢纤维掺量和黏结面的形式。     

镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土的压敏性研究

镀铜钢纤维具有良好的电学性能、力学性能和电导率，而废弃陶瓷粉具有内养护作用和低碳属性。在镀铜钢纤维分散良好的情况下，两者的协同作用易在混凝土基体中形成良好且化学稳定的增强、增韧和导电网络。采用均匀筛入法分散镀铜钢纤维，制备了镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土并研究了其压敏性能。研究结果表明，在不同镀铜钢纤维掺量、不同加载幅值和不同加载速率下，镀铜钢纤维均可提高废弃陶瓷粉超高性能混凝土的压敏性能，2.50%(体积分数)的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土的电阻率变化率和应力/应变灵敏度相比于对照组分别提升了650.0%、614.3%和1 223.0%。相比纤维掺量和加载速率，加载幅值对压敏性能的影响最大。且由力-电模型表明，废弃陶瓷粉超高性能混凝土在循环荷载的电阻率变化率和应力/应变之间均服从指数函数关系，拟合度均在0.90以上。因此，通过测试镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土的电阻率即可实现混凝土结构的应力/应变监测。     

粗骨料对超高性能混凝土力学性能的影响及拟合分析

为探明粗骨料对超高性能混凝土(UHPC)力学性能的作用规律,分别采用河砂,河砂与4.75～9.5 mm碎石配制了两个系列不同粒径骨料的UHPC,试验研究了骨胶比(骨料与胶凝材料质量比,A/B)在0.6～1.2范围与石砂比(碎石与河砂的质量比,CS/RS)在1/4～1范围对UHPC工作性能与力学性能的影响.研究结果表明:...     

微波养护对掺矿渣超高性能混凝土力学性能的影响及机理

超高性能混凝土(UHPC)是继高强度、高性能混凝土之后新近发展起来的一类新型混凝土材料。UHPC自身具备超高强度及高耐久性等优点,使其在高层、超高层建筑、大跨度空间结构与恶劣腐蚀环境下的重大土木工程中有广阔应用前景。本工作从材料制备角度,通过矿物掺合料改变UHPC基本配合比并且采用效率更高的微波养护方式对试件进行养护。通过一系列实验,观察矿渣的使用和微波养护对UHPC力学性能的影响,并通过微观表征分析研究其影响机理。制备了10%、25%、50%、70%和90%矿渣取代基本配合比中水泥部分用量试件,采用3 d延迟微波养护制度养护,测试3 d及28 d强度,随后选取性能典型试件进行29Si NMR、27Al NMR和XRD分析。实验发现标准养护下UHPC强度随着矿渣掺入而降低,但微波养护通过加速矿渣水化反应加强了混凝土力学强度发展进程。该加强效应对早期性能发展的影响更显著,且随着矿渣掺量增加而增强。微观表征分析首先确定了微波养护对试样水化的加速作用,并促进了晶体产物和短链C-S-H的形成,达到进一步克服矿渣对UHPC强度发展的延迟作用。     

自密实高性能混凝土力学性能的研究与应用

以自密实高性能混凝土的配合比优化设计为基础,对自密实高性能混凝土的钢筋粘结锚固性能、受弯构件的抗弯、抗剪性能等进行了深入的试验研究。包括中强与高强自密实混凝土,共做了62个粘结强度拉拔试验、12根梁抗弯抗剪试验,研究结果为自密实混凝土结构的设计提供了参考。介绍了自密实高性能混凝土在3座高层建筑和1座厂房加固工程中的应用,总结了工程应用中的经验。     

超高性能混凝土装配整体式框架梁柱节点抗震性能研究

超高性能混凝土(ultra-high performance concretre,UHPC)是一种新型材料,具有抗拉、抗压强度高、开裂后应变硬化等特点,在装配式结构领域具有较为广阔的应用前景。为了明确UHPC在单轴循环荷载下的受力性能并提出适合的本构关系,通过大量的试验建立循环荷载下UHPC的本构模型,设计具有不同钢纤维掺量的棱柱体和狗骨直拉试件,开展不同加载制度的单轴压缩试验,分析试验结果以明确钢纤维掺量、养护方式和加载制度对UHPC单轴拉压力学性能的影响情况。试验结果表明,在受压方面,钢纤维体积含量为2%的UHPC峰值压应变明显高于钢纤维体积含量为1%和3%的UHPC峰值压应变。各UHPC试件的弹性模量明显大于普通混凝土的弹性模量。在受拉方面,UHPC呈现出一定的应变硬化现象,且达到峰值后拉应力下降较为缓慢,展现出一定的受拉延性。钢纤维体积含量和蒸养处理对UHPC试件的抗拉强度有明显的提高作用。最后,在试验数据的基础上,提出了UHPC受压和受拉的骨架曲线和滞回准则,并拟合了卸载(再加载)的计算公式,可用于有限元计算中UHPC的基本本构方程。

     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

Effect of loading rates on pullout behavior of high strength steel fibers embedded in ultra-high performance concrete

In this paper single fiber pull-out performance of high strength steel fibers embedded in ultra-high performance concrete (UHPC) is investigated. The research emphasis is placed on the experimental performance at various pullout rates to better understand the dynamic tensile behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC). Based on the knowledge that crack formation is strain rate sensitive, it is hypothesized that the formation of micro-splitting cracks and the damage of cement-based matrix in the fiber tunnel are mainly attributing to the rate sensitivity. Hereby, different pull-out mechanisms of straight and mechanically bonded fibers will be examined more closely. The experimental investigation considers four types of high strength steel fibers as follows: straight smooth brass-coated with a diameter of 0.2 mm and 0.38 mm, half end hooked with a diameter of 0.38 mm and twisted fibers with an equivalent diameter of 0.3 mm. Four different pull out loading rates were applied ranging from 0.025 mm/s to 25 mm/s. The loading rate effects on maximum fiber tensile stress, use of material, pullout energy, equivalent bond strength, and average bond strength are characterized and analyzed. The test results indicate that half-hooked fibers exhibit highest loading rate sensitivity of all fibers used in this research, which might be attributed to potential matrix split cracking. Furthermore, the effect of fiber embedment angles on the loading rate sensitivity of fiber pullout behavior is investigated. Three fiber embedment angles, 0°, 20°, and 45°, are considered. The results reveal that there is a correlation between fiber embedment angle and loading rate sensitivity of fiber pullout behavior.     

混杂纤维增强超高性能混凝土弯曲韧性与评价方法

为了研究混掺纤维对超高性能混凝土(UHPC)的增韧效果, 通过161个三点弯曲梁的断裂试验, 测定了4种纤维和不同掺量下各UHPC试件的载荷-裂口张开位移(CMOD)曲线和载荷-挠度曲线。将素UHPC峰值载荷对应的CMOD视为混杂纤维增强UHPC的初裂CMOD值, 基于载荷-CMOD曲线提出了等效断裂韧度的韧性评价方法, 该方法具有明确的物理含义, 可用于分析混掺纤维品种和掺量对UHPC断裂韧性的影响规律。研究发现:在小变形(小于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)时, UHPC韧性取决于钢纤维的掺率;粗合成纤维主要在中等变形和大变形阶段(大于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)发挥其增韧效用。      

Properties of strain hardening ultra high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC) under direct tensile loading

Enhanced matrix packing density and tailored fiber-to-matrix interface bond properties have led to the recent development of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC) with improved material tensile performance in terms of strength, ductility and energy absorption capacity. The objective of this research is to experimentally investigate and analyze the uniaxial tensile behavior of the new material. The paper reviews and categorizes a variety of tensile test setups used by other researchers and presents a revised tensile set up tailored to obtain reliable results with minimal preparation effort. The experimental investigation considers three types of steel fibers, each in three different volume fractions. Elastic, strain hardening and softening tensile parameters, such as first cracking stress and strain, elastic and strain hardening modulus, composite strength and energy dissipation capacity, of the UHP-FRCs are characterized, analyzed and linked to the crack pattern observed by microscopic analysis. Models are proposed for representing the tensile stress–strain response of the material.     

Effects of loading rate and notch-to-depth ratio of notched beams on flexural performance of ultra-high-performance concrete

This paper addresses the effects of loading rate and notch-to-depth ratio on flexural properties of ultra-high-performance concrete (UHPC) notched beam specimens, in order to enable use of standardized laboratory test data to predict flexural properties of UHPC structures that have different dimensions and are subjected to a range of loading rates. UHPC notched beams were tested in three-point bending to study the effects of three notch-to-depth ratios of 1/6, 1/3, and 1/2 at five loading rates of 0.05, 0.50, 1.25, 2.50, and 5.00 mm/min on flexural performance. Test results indicate that loading rate and notch-to-depth ratio have significant effects on flexural properties of the UHPC notched beams. The flexural strength is shown to increase with the loading rate and the notch-to-depth ratio. The fracture energy increases with the loading rate but decreases with the notch-to-depth ratio. The changes of flexural properties with the loading rate are also dependent on the notch-to-depth ratio. Regression analyses to correlate flexural properties associated with the loading rate and notch-to-depth ratio were conducted to obtain parameters for UHPC structures.     

正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展

为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明：开孔板(perfobond leiste, PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16%~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明：PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。

     

全玻璃纤维增强树脂筋混凝土电缆排管的抗弯试验

提出了采用全玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）筋混凝土电缆排管代替传统的钢筋混凝土电缆排管,该结构形式具有减少能耗的优点。通过对小尺寸和足尺GFRP筋混凝土电缆排管试件进行抗弯性能试验,研究其抗弯能力、变形及破坏特征等。试验结果表明,GFRP筋混凝土电缆排管具有与普通钢筋混凝土梁相似的力学特征,以混凝土开裂为分界点,位移-荷载曲线表现为双线性,排管侧面拉应力分布不均匀,部分区域出现了较高拉应力。提出了GFRP筋混凝土电缆排管的抗弯设计计算方法,理论计算结果与试验测试结果较为吻合。     

超高性能混凝土研究综述

为研究圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete with coarse aggregate filled steel tube, CA-UHPCFST)中长柱的偏心受压性能,考虑长径比和偏心距的影响,设计制作了7个圆形CA-UHPCFST中长柱试件,通过偏心受压试验,重点考察构件的破坏形态、荷载-变形关系曲线、侧向挠度分布曲线、荷载-应变关系曲线、延性和极限承载力。研究表明：圆形CA-UHPCFST中长柱在偏心受压下发生弯曲失稳破坏,其荷载-变形曲线经历了弹性段、弹塑性段和下降段;极限承载力随长径比和偏心距的增加而降低,延性系数随长径比的增加而减小,而随偏心距的增加呈先增加后减小的趋势。规范GB 50936−2014可较好地预测圆形CA-UHPCFST中长柱偏心受压极限承载力。研究成果可为钢管超高性能混凝土的进一步研究与推广应用提供参考。     

Effects of silica powder and cement type on durability of ultra high performance concrete (UHPC)

Ultra-high performance concrete (UHPC) achieves extraordinary strength characteristics through optimization of the particle packing density of the cementitious matrix. The dense matrix also promotes exceptional durability properties and is arguably the biggest benefit of the material. A durable concrete enables structures to last longer, reduces the cost of maintenance and helps achieve a significantly more sustainable infrastructure. To assess the durability of UHPC, the performance of several non-proprietary blends are investigated by assessing the materials' resistance to freeze-thaw cycles, ingress of chlorides as well as the presence and distribution of air voids. The main experimental variables are cement type and the quantity of silica powder, which varies from 0% to 25% of the cement weight. All mixes displayed negligible chloride ion penetration and high resistance to freeze-thaw with mass loss well below the limit in over 60 cycles of freeze-thaw. Analysis of the test data indicates that the silica powder content has little influence on performance.