粗骨料与钢纤维对超高性能混凝土单轴拉伸性能的影响

为了提高含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)的单轴拉伸性能,采用单轴拉伸试验和图像分析技术分别研究了粗骨料掺量、颗粒粒径对含粗骨料UHPC单轴拉伸性能和钢纤维在UHPC体系中分散性能的影响规律。结果表明,随着粗骨料掺量及颗粒粒径的增大,钢纤维在UHPC体系中的分散系数和取向系数显著降低,含粗骨料UHPC的单轴拉伸初裂强度、裂后强度和耗能也随之减小。根据粗骨料颗粒最大粒径与钢纤维体积分数、直径间的匹配关系式(Dmax=3df/(Vf)0.5),采用纤维混杂可以充分发挥多尺度纤维与具有不同粒径分布的骨料间的分级匹配关系;粗骨料体积分数和颗粒最大粒径分别为10%和10mm时,采用平直钢纤维(直径0.12mm、长度10mm、体积掺量1.2%)和端钩钢纤维(直径0.35 mm、长度20mm、体积掺量1.8%)混杂实现了含粗骨料UHPC的单轴拉伸性能的提升,其裂后强度和耗能分别为8.69 MPa和11.10J。     

纤维增强水泥基复合材料的动力拉伸性能研究

采用分离式霍普金森杆对聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PRCC)、基体材料、不同相对掺量的钢纤维和PVA纤维混合增强水泥基复合材料(HFRCC)进行了四种不同应变率下的动态劈拉试验,通过对材料的劈拉强度、能量吸收和破坏形态等方面的对比分析,探讨了三种材料的动力拉伸性能,结果表明材料表现出应变率敏感性,随着应变率的提高,动态劈拉强度和能量吸收能力相应增加。HFRCC对基体材料的劈拉强度提高可达到34%,而PRCC材料提高约20%。PVA纤维对材料的耗能能力的影响比钢纤维具有更强的应变率敏感性。钢纤维掺量占总纤维掺量25%的HFRCC材料耗能能力比PRCC略低5%,而钢纤维掺量达到总纤维掺量的62.5%时,HFRCC材料的耗能能力比PRCC的耗能能力显著提高。HFRCC在动态劈拉强度和能量吸收能力方面更加均衡,具有更好抵抗冲击的能力。     

钢管钢纤维高强混凝土抗冲击压缩性能的试验研究与数值模拟

遮弹层的建成及优化对防护工程的发展尤为重要。钢管钢纤维高强混凝土蜂窝遮弹层是一种具有高强抗力的新型遮弹层,文章对其组成构件钢管钢纤维高强混凝土进行霍普金森压杆(SHPB)动态力学性能试验,并借助动力有限元分析软件LSDYNA进行数值模拟。冲击压缩试验中,试件的钢纤维掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%,钢管壁厚分别为2mm、3mm。结果表明钢管钢纤维高强混凝土具有应变率强化效应,应变率越高,试件的动态抗压强度越大。当气压为1.0 MPa时,壁厚3mm、钢纤维掺量1.5%的试件强度达258.3 MPa。与钢纤维高强混凝土相比,钢管钢纤维高强混凝土的抗冲击压缩性能更好,动态抗压强度最大增幅达35.4%,且具备承受多次冲击压缩作用的能力。数值模拟与试验结果吻合度高,表明数值模拟方法具有可行性。     

钢纤维地质聚合物混凝土冲击力学性能研究EI北大核心CSCD

通过控制粉煤灰、矿渣用量制备基准强度分别为C50、C60和C70的普通地质聚合物混凝土试件,再掺入不同体积量(0.3%, 0.6%, 0.9%和1.2%)的钢纤维制备出钢纤维地质聚合物混凝土试件。采用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对试件在不同冲击气压(对应不同应变率)下的抗冲击性能进行研究,探讨钢纤维掺量、应变率及混凝土基准强度对试件动态抗压强度和韧性指数的影响;采用ABAQUS软件进行数值模拟,对模拟与试验结果加以分析和验证;建立钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型。结果表明:各组试件的动态抗压强度随着应变率、混凝土基准强度地提高逐渐增大,而钢纤维掺量仅对强度较低地质聚合物混凝土产生较大影响;应变率的提高使试件完整性逐渐变差,而随着钢纤维掺量与混凝土基准强度的提高,试件完整性逐渐变好,冲击耗能与韧性逐渐增加;数值分析与试验结果吻合较好,验证了结果的可靠性;钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型计算结果与试验结果整体吻合较好,可用于预测冲击荷载下钢纤维地质聚合物混凝土的力学性能。     

纳米二氧化硅改性超高韧性水泥基复合材料冲击压缩试验研究

该文采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆装置,研究了纳米改性后的UHTCC（ultra high toughness cementitious composites）在高速冲击压缩应力状态下的力学响应,并与常规UHTCC材料、钢纤维混凝土进行了对比。试验得到了各组材料在准静态和动态共计4组应变率（2.36×10-5 s-1、120 s-1、160 s-1、200 s-1）下的准静态压缩强度及冲击压缩应力-应变曲线,并计算了各组试件的耗能能力。为了进一步优化材料的抗冲击性能,该文还研究了纳米改性后的UHTCC基体中钢纤维和PVA纤维的混杂效果。试验结果表明:5组材料均具有应变率敏感性,峰值应力和耗能能力随着应变率的增大而上升;经过纳米改性后的UHTCC材料冲击压缩力学强度及耗能能力明显提高;在冲击荷载下,钢纤维和PVA纤维产生正混杂效应,提高钢纤维掺量可以强化UHTCC的抗冲击能力;应变率的大小和钢纤维的掺量之间的关系影响了动态峰值应力的提升。     

全轻纤维混凝土的SHPB冲击强度与耗能效应

以LC30全轻页岩陶粒混凝土为基准,对聚丙烯纤维、钢纤维和多壁碳纳米管不同组合掺入方式,分别进行了静力和分离式Hopkinson压杆(SHPB)冲击试验,利用HJC模型和LS-DYNA软件对素混凝土和钢纤维混凝土的动态应力-应变曲线进行了数值模拟。结果表明:全轻纤维混凝土不仅具有应变率效应和临界值,而且还具有强度效应和能量效应;并随应变率提高,其动态峰值应力和峰值应变、总能耗随之增大,且动态应力增长系数与应变率的对数具有显著相关性,但纤维掺入方式具有明显的差异性。其中,单掺时以聚丙烯纤维为最好,双掺时差异不大,三掺时为最好。数值模拟与试验曲线相近,但峰值应力较大和下降段差异较大,表明HJC模型对全轻混凝土及其纤维混凝土具有一定的局限性。     

钢纤维无粗集料超高强混凝土的抗侵彻性能研究

通过在无粗集料超高强混凝土中加入体积掺量为3%的钢纤维来对其增韧改性,得到钢纤维无粗集料超高强混凝土。为了研究不同强度等级的含钢纤维无粗集料超高强混凝土材料的抗侵彻性能,采用动力有限元程序分析子弹侵彻钢纤维无粗集料超高强混凝土,得到了子弹的速度时间历程曲线和靶体的动态破坏过程。结果表明,在相同的侵彻初速度下,随着混凝土强度等级的提高,子弹的剩余速度明显降低,材料破坏程度明显减弱。在配合比相同而养护条件不同的情况下,人工海水养护制备的混凝土材料比淡水养护而成的抗侵彻性能更强。     

温度对PVA/ECC动态压缩性能影响

为研究不同温度、不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量和不同应变率对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)动态压缩性能的影响,采用直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),对高温浸水冷却后的PVA/ECC进行了冲击压缩试验,结果表明：当温度≥250℃,PVA/ECC试件冲击破坏后的整体性变差,应力-应变曲线更趋于扁平,其动态峰值应变提高不明显但动态峰值应力、冲击韧度显著降低,且高温对较大纤维体积掺量PVA/ECC动态峰值应力、冲击韧度的劣化效应更明显;温度≤150℃时,增大PVA纤维体积掺量,PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高,但当温度≥250℃时,增大PVA纤维体积掺量,PVA/ECC动态峰值应变增大,而冲击韧度的提高幅度显著降低且动态峰值应力下降;高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应,但温度≥150℃后,其抗压强度的应变率敏感性有所降低。     

不同方法测试的超高性能混凝土抗拉强度

通过16组不同钢纤维掺量超高性能混凝土(UHPC)轴心抗拉强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的试验,并结合各单位试验数据的统计分析,开展不同试验方法下UHPC抗拉强度的研究。结果表明,不同UHPC抗拉强度均随钢纤维掺量的增加而提高,但强度提高幅度各不相同,其中劈拉强度增幅较大;相同钢纤维掺量时,UHPC的抗折强度和劈拉强度相近,且远大于轴拉强度。UHPC轴拉强度和抗折强度的比值与钢纤维混凝土和普通混凝土的抗拉强度之间的比值较接近,而劈拉强度相关的其他2个比值则相差较大。建议以抗折强度试验作为工程实践中UHPC抗拉强度的间接测试方法。     

UHPC三轴受压力学性能研究

为了研究三轴受压下UHPC的受力性能,以围压大小和钢纤维掺量为试验参数,进行20组UHPC试件常规三轴试验,分析UHPC的破坏形态、应力-应变曲线、峰值应力和应变等力学性能。结果表明：围压和钢纤维掺量均为零的试件破坏时呈劈裂破坏,其他试件则呈剪切破坏;围压和钢纤维掺量对应力-应变曲线弹性模量和弹性段曲线形状影响较小;随着围压增大,峰值应力和应变呈不断增大趋势;随着钢纤维掺量增大,峰值应力和轴向峰值应变呈先增大后不变和先增大后减小趋势,环向峰值应变则呈增大趋势。通过对UHPC八面体正应力-体积应变和剪应力-剪应变关系进行分析,基于Drucker-Prager二参数准则,建立了UHPC八面体破坏准则计算方法。     

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。      

Effects of coarser fine aggregate on tensile properties of ultra high performance concrete

This experimental research investigates the mechanical properties and shrinkage of ultra high performance concrete (UHPC) incorporating coarser fine aggregates with maximum particle size of 5 mm. To adequately design UHPC mixtures using various sizes of solid constituents, particle packing theory was adopted. UHPC mixtures containing either dolomite or basalt, and four fiber volume fractions up to two volume percent were investigated. Uniaxial tension test was performed to evaluate the first cracking tensile strength, ultimate tensile strength, tensile strain capacity and cracking pattern. The UHPC mixtures with dolomite and steel fibers with more than one volume percent achieved more than 150 MPa of compressive strength at the age of 56 days, and showed strain hardening behavior and limited decrease in tensile strength compared to typical UHPC without coarser fine aggregates. The experimental results highlight the potential of dolomite used as coarser fine aggregate in UHPC.     

Influence of Shock Pre‐Compression Stress and Tensile Strain Rate on the Spall Behaviour of Mild Steel

Abstract: A series of plate‐impact spall experiments were conducted to investigate the influence of shock pre‐compression stress and tensile strain rates on the dynamic tensile fracture (or spall) behaviour of shocked mild steel. The shock pre‐compression stress amplitude and tensile strain rate were controlled independently to ensure that only one single‐loading parameter varied for each experiment. A push–pull type velocity interferometer system for any reflector (VISAR) was used to measure the free surface velocity profiles of samples. It is observed from experimental results that the influence of shock pre‐compression stress amplitude on the spall strength is less significant in the range attained in these experiments, whereas with increasing tensile strain rate, an evident 65% increase of spall strength is determined in the present tensile strain rate range of 10⁴ to 10⁶ s^?1. VISAR data are compared with finite‐difference calculations employing a modified damage function model with a percolation–relaxation function, and a good agreement between the calculation and the experiments was obtained. Preliminary simulation results also revealed that a critical damage exists, which physically corresponds to the critical intervoid ligament distance for triggering the onset of void coalescence, and may be regarded as a material parameter for describing the dynamic tensile fracture and independent of the loading conditions.     

超高性能混凝土圆环约束收缩试验研究

以约束水平、环境条件（密闭或干燥）和钢纤维等为参数,开展了超高性能混凝土（UHPC）圆环约束收缩试验。研究了钢环应变随龄期的发展规律;分析了各参数对圆环约束下的残余应力与各关键龄期的力学性能的影响;采用了拉应力水平和应力松弛率来评价UHPC的开裂性能。为配合圆环收缩试验,开展了自由收缩与基本力学性能试验。试验表明,未掺钢纤维的UHPC早期开裂风险大,在14 d前均发生开裂,裂缝平均宽度大于0.25 mm,含钢纤维试件均未开裂。不同约束程度对拉应力水平与应力松弛率的影响均显著,降低约束程度能有效降低开裂风险。与自由收缩测试结果不同,圆环约束UHPC在密闭条件下后期的开裂风险会高于环向干燥条件。建议以密闭条件下14 d的抗裂性能作为控制指标评价圆环约束下UHPC的开裂性能。     

含粗骨料超高性能混凝土力学性能研究及机理分析

为探索含粗骨料超高性能混凝土的各项力学性能,研究了粗骨料体积掺量(0kg/m~3、280kg/m~3、400kg/m~3、480kg/m~3、560kg/m~3)、纤维掺量(2%、2.5%)以及纤维形态(平直型、端钩型)对超高性能混凝土抗压强度、弹性模量以及四点弯曲强度的影响,并引入纤维取向系数和纤维有效长度,探索粗骨料掺量对弯曲强度影响的微观机理。结果表明,粗骨料体积掺量对含粗骨料超高性能混凝土抗压强度的影响不大(0.4%~4.5%);对弹性模量的提高效果显著,最高可提高7.8%;对抗弯强度具有不利影响,并且随着粗骨料掺量增大,纤维取向系数下降,纤维有效长度减小,负面影响扩大。当粗骨料体积掺量为560kg/m~3时,弯曲强度下降了21.2%。增加纤维掺量或者掺入端钩型纤维可提高弯曲强度,掺入端钩型钢纤维可显著增大纤维有效长度,从而大幅度提高弯曲强度。     

Compressive stress–strain behavior of steel fiber reinforced-recycled aggregate concrete

The use of recycled aggregate from construction and demolition waste (CDW) as replacement of fine and coarse natural aggregate has increased in recent years in order to reduce the high consumption of natural resources by the civil construction sector. In this work, an experimental investigation was carried out to investigate the influence of steel fiber reinforcement on the stress–strain behavior of concrete made with CDW aggregates. In addition, the flexural strength and splitting tensile strength of the mixtures were also determined. Natural coarse and fine aggregates were replaced by recycled coarse aggregate (RCA) and recycled fine aggregate (RFA) at two levels, 0% and 25%, by volume. Hooked end steel fibers with 35 mm of length and aspect ratio of 65 were used as reinforcement in a volume fraction of 0.75%. The research results show that the addition of steel fiber and recycled aggregate increased the mechanical strength and modified the fracture process relative to that of the reference concrete. The stress–strain behavior of recycled aggregate concrete was affected by the recycled aggregate and presented a more brittle behavior than the reference one. With the addition of steel fiber the toughness, measured by the slope of the descending branch of the stress–strain curve, of the recycled concretes was increased and their behavior under compression becomes similar to that of the fiber-reinforced natural aggregate concrete.     

多因素对再生混凝土力学性能及抗冻性的影响

为研究不同因素、不同水平对再生混凝土力学性能的作用。该文通过正交试验研究钢纤维掺量、再生粗骨料掺量和粉煤灰掺量对再生混凝土力学性能(抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度)的影响,确定各因素对再生混凝土力学性能的影响程度,并加以量化表征,并提出多因素共同作用下再生混凝土力学性能的多元非线性回归模型且进行验证。在此基础上,该文进一步研究再生混凝土的抗冻性。结果表明:再生混凝土的力学性能随钢纤维掺量的增加而提高;随粉煤灰掺量增加而降低;再生粗骨料掺量对再生混凝土的力学性能影响较小。钢纤维的掺入可提高再生粗骨料的掺量。再生混凝土力学性能的实测值与通过建立的回归模型得到的计算值的最大误差在6.5%以内。此外,钢纤维的掺入和减少再生粗骨料的掺量均可以提高再生混凝土的抗冻性。     

超高性能混凝土拉伸力学行为的研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高比强度、突出韧性和优异耐久性的水泥基材料,其韧性立足于高强基体和高强纤维之间的高效协同机制基础之上,往往通过拉伸力学行为加以表征。从试验方法、基体和纤维三个角度综述了UHPC拉伸力学行为的研究进展情况,指出UHPC拉伸力学行为宜采用狗骨头状试件进行测试,具有明显的尺寸效应且受加载速率影响;合理优化材料组成、尺寸和分布是提高UHPC拉伸性能的有效途径;纤维种类对UHPC拉伸性能的影响最为显著,提高纤维增强因子和调控纤维分布有利于拉伸性能的提升。最后,从工程应用角度,提出了UHPC拉伸力学行为需要进一步加强研究的建议。