高温条件下钢纤维混凝土动态抗压性能试验研究

应用分离式霍普金森压杆和电阻式高温加热炉对不同纤维掺量(1%,2%)的钢纤维混凝土试件进行了不同温度条件下(20℃,200℃,400℃,600℃,800℃)的动态压缩试验,获得了不同温度条件下该种材料的动态应力-应变曲线,得到了相应的动态抗压强度和峰值应变。试验结果表明,钢纤维混凝土具有明显的应变率强化效应和温度损伤效应。在各试验温度下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着应变率的增大而提高;同一加载速率下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着试验温度的升高大幅度降低;相比于普通混凝土,钢纤维混凝土的抗冲击性能显著提高。     

玄武岩纤维特征参数对混凝土单轴受拉性能的影响

考虑玄武岩纤维体积分数和长径比两个主要因素,通过直接拉伸试验,研究玄武岩纤维对混凝土轴心受拉破坏形态、应力-应变全曲线、受拉荷载变形性能和韧性的影响。结果表明：玄武岩纤维增强混凝土单轴受拉破坏呈明显的塑性特征,玄武岩纤维显著增强了混凝土在轴心受拉荷载作用下的韧性;与普通混凝土(NC)相比,随着玄武岩纤维增强因子的提高,轴心受拉应力-应变全曲线特征点和断裂能均呈先增大后减小的趋势;基于轴心受拉应力-应变全曲线分析,提出关于纤维体积分数和长径比的玄武岩纤维混凝土轴心受拉应力-应变本构模型,可供玄武岩纤维混凝土结构和构件的非线性分析和工程设计参考。对比分析拉压比、折压比和单轴拉伸破坏断裂能3种韧性指标,发现断裂能可以准确评价玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)受拉韧性,BFRC韧性较NC最大提升率为43.0%。     

CFRP-火灾后混凝土界面快速剥离试验

该文完成了72个快速荷载下CFRP加固火灾后混凝土试件单面剪切试验,基于Dai模型对界面应变分布进行拟合,并探讨了混凝土强度、应变率和过火温度三种因素对界面剪切黏结强度、应变分布、黏结剪应力、界面黏结滑移关系和界面断裂能等黏结性能参数的影响。试验表明:界面剪切黏结强度、峰值剪应力和界面断裂能随着混凝土强度和应变率的提高而提高,但随着过火温度的升高而下降,在500℃以后下降尤为显著,过火温度为700℃的试件界面平均峰值剪应力相比于常温试件下降33.0%,界面断裂能下降83.8%;有效粘结长度随着混凝土强度和应变率的提高略有减小,但随着过火温度的升高而显著增大。常温试件的有效粘结长度在70 mm～90 mm之间,而过火温度为700℃的试件有效粘结长度达165 mm左右。     

钢纤维对水泥基复合材料抗起裂特性的影响

通过不同钢纤维体积分数及不同试件尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究了普通乱向及定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗起裂特性。利用试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析了钢纤维对水泥基复合材料断裂性能的影响,并基于线性相关系数陡降法计算了起裂韧度。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度明显高于普通乱向钢纤维增强水泥基复合材料;起裂韧度随钢纤维体积分数的增加而逐渐增大,当钢纤维体积分数达到0.9%左右时,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度值趋于稳定;在本试件高度范围内(40~100mm),起裂韧度随试件尺寸增加而逐渐增大,且定向钢纤维增强水泥基复合材料的增长趋势较为平缓。此外,从裂缝尖端夹杂改变其应力强度因子的角度解释了钢纤维的掺入及定向对起裂韧度的提高作用。     

极地低温下冻融作用对混凝土断裂性能的影响

为研究混凝土在极地及严寒地区经历冻融循环作用后的耐久性能变化情况,该文通过慢冻法开展了84个三点弯曲梁的冻融循环及加载试验。试验以冻融循环下限温度(低至-80℃)、冻融循环次数、混凝土强度、混凝土类型为研究变量,对比分析了冻融循环前后混凝土基本力学性能和关键断裂参数的变化规律。研究结果表明：随着循环下限温度的降低以及循环次数的增加,混凝土的基本力学性能以及起裂韧度和断裂能均呈下降趋势,但失稳韧度以及特征长度则呈相反趋势,表明混凝土在经历冻融循环后阻裂的能力下降,但混凝土变形性能有明显改善;随着混凝土强度的提高,抗冻耐久性能有一定程度的提升;海水海砂混凝土经受冻融循环后断裂性能不低于普通混凝土;提出冻融损伤累积量的概念,可利用其反映断裂参数的变化情况和不同冻融工况的定量化比较。     

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。     

BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力试验与理论

通过11根玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验,研究了钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积分数和BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯破坏形态及其承载力的影响。结果表明,BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的破坏模式可分为受压破坏、受拉破坏和平衡破坏3种;钢纤维混凝土层厚度和钢纤维体积分数的变化对于BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力具有一定程度的影响,当BFRP筋配筋率为0.77%时,掺加体积分数为1.0%钢纤维的梁受弯承载力较无钢纤维梁提高了22.7%,在受拉区0.57倍截面高度内掺加1.0vol%钢纤维的梁受弯承载力达到全截面钢纤维混凝土梁受弯承载力的86.7%;增大BFRP筋配筋量可显著提高BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力,BFRP筋配筋率为1.65%的试验梁受弯承载力较配筋率为0.56%的试验梁提高了39.4%。针对不同的破坏模式,提出了BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力和平衡配筋率的计算方法,并结合安全配筋率的概念对试验梁的破坏模式进行了预测,试验结果与分析结果吻合良好。     

同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度及拉伸强度

考虑钢纤维高强混凝土试件细观非均质性对宏观断裂的影响机制,将钢纤维掺量、长度、直径及钢纤维抗拉强度等细观层面的钢纤维特征参数,引入钢纤维高强混凝土宏观断裂模型的虚拟裂缝扩展量的具体计算公式,从而发展了考虑钢纤维特性的可同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度的模型及方法。采用变化参数为钢纤维掺量和混凝土水灰比的三点弯曲试件,基于所提模型,同时确定了钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度,确定值与试验拉伸强度值以及尺寸效应模型计算的断裂韧度吻合良好。基于测试数据离散性为钢纤维高强混凝土固有属性的事实,采用确定的断裂韧度及拉伸强度,建立起钢纤维高强混凝土塑性——准脆性——线弹性不同结构断裂模式的±20%全曲线,其可涵盖实验室条件下的所有试验数据。该文所提模型及方法适用于钢纤维高强混凝土及高强混凝土,可为钢纤维高强混凝土等复合材料真实断裂韧度与拉伸强度的确定,及个性化结构断裂破坏的预测等关键科技问题提供依据。     

低温下混凝土劈裂拉伸破坏及尺寸效应试验研究

混凝土材料在低温环境下应用广泛，但是目前对混凝土低温力学性能的研究仍不够充分。为了探讨混凝土材料的低温抗拉性能及尺寸效应规律，设计了边长为100 mm、150 mm和300 mm的立方体混凝土试块，分别在四个温度（T=20℃、-30℃、-60℃和-90℃）下进行了劈裂抗拉强度试验，得到了相应的破坏模式、荷载-位移曲线以及劈裂抗拉强度。试验结果表明：在低温劈裂拉伸荷载作用下，混凝土中的骨料颗粒破坏比常温下更为严重；随着温度降低，混凝土材料的劈裂抗拉强度较常温下显著提高；低温下混凝土的劈裂抗拉强度随其尺寸增大而下降，存在明显的尺寸效应现象，且随着温度降低，尺寸效应行为更显著；另外，经典的Type-2尺寸效应律可以较好地描述试验得到的低温条件下混凝土劈裂抗拉强度的尺寸效应规律。     

新拌超高性能纤维增强混凝土流动性能对其抗压强度的影响

钢纤维掺入能提高超高性能纤维增强混凝土(Ultra-high performance fiber reinforced concrete,UHPFRC)的抗压强度,但削弱新拌浆体的流动性能,降低了对抗压强度的增强效果,且影响UHPFRC的工作性能。为研究这种不利影响,以钢纤维体积分数和长径比为变量,进行了A、B两组试验。A组固定水胶比为0.18,不控制流动性能,主要研究钢纤维对流动性能和抗压强度的影响。试验结果表明,新拌UHPFRC流动性能随钢纤维的体积分数、长径比增加而下降;当钢纤维体积率超过一定值(2.00vol%)时,流动性能明显下降,抗压强度增强效果也相应下降。通过X-ray CT扫描发现钢纤维掺入减弱浆体的自密实能力,导致硬化后的基体内部孔隙尺寸增大和孔隙率增加,进而削弱抗压强度。综合考虑钢纤维掺入对抗压强度的正、负效应,提出了抗压强度的半经验预测公式。B组改变水胶比,控制扩展度为240 mm,对比A组研究流动性能控制后,钢纤维体积分数和长径比对抗压强度的影响规律。结果表明,钢纤维体积分数较大时,增大水胶比,保持一定流动性能,能有效提高纤维的增强效果;钢纤维体积分数较小时,在满足流动性能要求的前提下,减小水胶比,可以进一步提高抗压强度。在UHPFRC配合比设计时,应考虑钢纤维对流动性能的不利影响,以提高纤维的增强效应并保证其良好的工作性能。      

聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土高温性能

通过对聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土(混杂纤维/高强混凝土)试块的高温试验, 研究不同目标温度后混凝土表观特征、高温爆裂、质量损失及力学性能。结果表明: 高强混凝土在600 ℃时发生爆裂, 混杂纤维/高强混凝土直至800 ℃未出现爆裂, 混杂纤维有效抑制了高强混凝土的高温爆裂。混杂纤维/高强混凝土的质量损失随所受温度的升高而增大, 其抗压强度、抗折强度随温度的升高而降低, 并且400 ℃以后显著降低。相同温度下, 混杂纤维的加入提高了高强混凝土高温后强度。通过对试验结果的统计分析, 分别建立了混杂纤维混凝土质量损失、抗压强度和抗折强度随温度变化的关系式。     

低温热管传热特性的实验研究

搭建了一套低温热管传热性能测试实验台,基于一种新型矩形内翅片低温热管,首次在-60℃至-40℃的温度下探究了冷凝温度和加热功率对热管稳态等温特性的影响,以及蒸发段和冷凝段长度变化对蒸发传热系数、总热阻值和当量导热系数的影响。研究结果表明:相同工况下,热管的轴向温差随着冷凝温度的降低而减小,随着加热功率的增大而增大;蒸发段长度越大,加热功率越高,蒸发传热系数越大;冷凝段长度越小热管热阻值越低,蒸发段长度越小热阻值越大;当量导热系数随冷凝段长度的减少而增大,随蒸发段长度的减少而减小。     

冷却工艺对20CrMnTi组织转变与硬度的影响

探索合理的轧后冷却工艺制度对降低热轧齿轮钢棒材冷后硬度具有重要的指导意义.本文通过热模拟试验机进行冷却工艺试验,研究了单道次变形后不同冷却速度和不同终冷温度对齿轮钢20CrMnTi组织转变与硬度的影响.研究结果表明：在快冷速(10, 50 ℃/s)条件下,再结晶晶粒长大受到抑制,奥氏体晶粒细化,晶界面积增大,铁素体形核质点增多; 当终冷温度升高时,高温区铁素体相变时间增加,冷后组织中铁素体体积分数增大,硬度值降低.在终冷温度850 ℃时铁素体体积分数达到最大值58%,硬度值相应降低为264HV.在慢冷速(0.1 ℃/s)条件下,再结晶晶粒长大明显,铁素体形核质点减少,但随着终冷温度降低,两相区中C元素扩散时间延长,铁素体形核长大时间增加,冷后组织中铁素体体积分数增大,硬度值降低.在终冷温度760 ℃时铁素体体积分数达到最大值48%,相应硬度降低为最小值240HV.在1 ℃/s条件下,终冷温度对铁素体体积分数及硬度影响较小,铁素体体积分数和硬度分别在34%±4%和(282±5)HV范围内波动.     

聚丙烯-钢纤维/混凝土柱大偏心受压承载力计算

对270个聚丙烯纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.1vol%、0.2vol%、0.3vol%、0.4vol%、0.5vol%、钢纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.5vol%、1vol%、1.5vol%、2vol%的聚丙烯-钢纤维/混凝土试块进行立方体抗压试验、轴心抗压试验和劈裂抗拉试验,基于复合材料力学理论,考虑纤维的取向系数、长度有效系数和界面黏结系数,对其建立强度预测模型并进行机制分析,同时选取掺量分别为0vol%、0.1vol%、0.3vol%的聚丙烯纤维、掺量分别为0vol%、1.5vol%的钢纤维制作6根聚丙烯-钢纤维/混凝土柱,对其进行大偏心受压试验,在强度预测模型的基础上进行承载力计算,提出聚丙烯-钢纤维/混凝土承载力计算方法。结果表明:钢纤维对聚丙烯-钢纤维/混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均有提高;聚丙烯纤维可提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的劈裂抗拉强度,但不能提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的抗压强度;聚丙烯-钢混杂纤维加入混凝土柱可有效提高其极限承载力。      

钢纤维再生粗骨料混凝土受压声发射特性与损伤演化

为了探究钢纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%)对C30再生粗骨料混凝土(质量分数取代率0、100%)基本力学性能的影响，结合声发射特征参数和应力-应变曲线来描述钢纤维再生粗骨料混凝土在轴心受压过程中的损伤演化规律。试验结果表明，通过对声发射损伤定位、撞击计数与能量计数分析，可实现钢纤维再生粗骨料混凝土轴心受压破坏从累计损伤到微裂缝演变，再到宏观裂缝扩展的全过程动态监测，不同钢纤维掺量再生粗骨料混凝土与普通混凝土试件在加载过程中损伤点的密集集中位置与试件最终破坏位置相符；基于声发射累计撞击计数建立的混凝土损伤模型可用于分析钢纤维再生粗骨料混凝土的损伤演化规律。     

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。     

基于裂纹长度测定求解混凝土拉伸软化关系

采用外贴应变片方法测定弯曲荷载下裂纹长度的发展,得到荷载及相应弯曲裂纹长度关系(P-a);然后应用粘性裂纹模型,通过比较理论计算的梁的承载力与试验获得的相应裂纹长度时的承载力得到混凝土材料拉应力-裂纹宽度(s-w)关系,并进而得到材料的开裂强度、抗拉强度、断裂能和脆性特征长度等断裂力学参数。基于上述方法,求解3个强度等级的快硬混凝土抗拉软化关系。结果表明,随着混凝土强度的升高裂纹粘聚应力逐渐增大,混凝土材料的开裂强度、抗拉强度、断裂能均逐渐增大;同时,特征长度逐渐减小,说明强度越高混凝土材料越脆。所得到的s-w关系,可用于分析相关混凝土结构的断裂。     

纤维自密实混凝土断裂能试验研究

通过14组56根带切口自密实混凝土梁三点弯曲试验,研究不同掺量的钢纤维、聚丙烯腈纤维、钢纤维与聚丙烯腈纤维组成的混杂纤维对自密实混凝土断裂能的影响规律。试验中制作了未掺纤维且强度相近的自密实混凝土伴随试件,用以对比并计算断裂能增益比。结果表明:钢纤维能显著提高自密实混凝土的断裂能,随着钢纤维掺量的增加,其断裂能呈线性增加;聚丙烯腈纤维有利于自密实混凝土断裂能的提高,但影响较小,且非线性增加;在钢纤维体积率不变情况下,聚丙烯腈纤维有利于混杂纤维自密实混凝土断裂能的提高,但也非线性增加。在分析试验结果的基础上,提出了以混凝土抗压强度、骨料最大粒径、纤维影响系数为主要因素的纤维自密实混凝土断裂能计算模型,经过对比表明,计算模型具有良好精度。     

考虑温度影响的混凝土微观断裂模型

该文以各组分体积不变为准则建立了考虑温度影响的混凝土三相微观断裂球体模型。将混凝土组成简化为骨料,水及水泥浆体,并以模型中各层模拟;认为高温下混凝土的断裂为模型中间层水汽蒸发逸出的结果。通过气体状态方程分析了模型内部气压随温度的变化,并研究了骨料和水泥浆体层的应力状态。分析了含圆盘形裂纹的混凝土的可释放弹性能和表面能,并根据Griffith断裂准则给出了混凝土断裂韧性随温度的变化规律。对该文模型进行数值模拟,并与相关试验结果对比,结果证明了该文模型能够有效地计算高温下和高温后混凝土的断裂韧性。同时分析发现:随着温度的升高,混凝土可释放弹性能增大而开裂时的裂纹初始长度将减小。     

钢纤维混凝土压-剪复合性能及损伤本构关系EI北大核心CSCD

为研究钢纤维混凝土的压-剪复合受力性能及损伤模型,以钢纤维体积率、压应力比为参数,完成了60个钢纤维混凝土试件的直剪和压-剪试验,分析了各参数对剪切强度和峰值剪切位移的影响,推导了钢纤维混凝土在压-剪复合受力下的损伤全曲线模型,分析了损伤演化规律,提出了压-剪强度计算式。结果表明:剪切强度和峰值剪切位移均随压应力比的增大而增大。随着钢纤维体积率的增加,剪切强度呈现先增后减的趋势,峰值剪切位移规律不明显。压应力比的增大显著减缓了损伤发展;提出的损伤本构模型和压-剪强度公式计算结果与试验值吻合较好。