冲击荷载作用下混杂纤维混凝土能量耗散与破碎分形研究

为了研究聚丙烯纤维含量和长径比对混凝土劈裂强度以及分形维数的影响，首先通过在含钢混凝土中添加不同含量和长径比的聚丙烯纤维制作混杂纤维混凝土试样，再利用分离式霍普金森压杆对试样进行高应变率动态劈裂力学试验。实验以相同冲击气压(0.2 MPa)对直径65 mm,高35 mm的10组试件进行测试。研究结果表明：聚丙烯纤维体积掺量为0.05%、0.1%时，长径比在3 000～9 000区间，混杂纤维混凝土的动态劈裂强度与能耗随掺量和长径比的增加有明显上升；在掺量为0.15%时，混杂纤维混凝土的动态劈裂强度与能耗均有所降低。各实验组中混杂纤维混凝土的分形维数均在2.3～2.6之间且小于普通混凝土，说明混杂纤维的添加可使混凝土的韧性、阻裂性能提升。     

不同损伤源对玄武岩纤维增强混凝土孔隙结构变化特征的影响

为了研究玄武岩纤维增强混凝土在高温和力学两种损伤源下的孔隙结构变化特征，采用核磁共振(NMR)和扫描电镜(SEM)技术，观察试件T₂谱分布、孔径分布、孔洞和裂隙发育情况。结果表明，高温作用后基准混凝土、短玄武岩纤维增强混凝土、长玄武岩纤维增强混凝土均呈微孔数量不断减小、介孔数量不断增加的趋势。通过对比发现，长玄武岩纤维增强混凝土T₂谱主峰孔隙数量最多，孔径分布最大。以长玄武岩纤维增强混凝土为例，研究在高温和力学两种损伤源下玄武岩纤维增强混凝土的孔隙结构变化特征。发现弛豫时间在0.1~10 ms内高温损伤下玄武岩纤维增强混凝土的孔隙数量大于力学损伤下的孔隙数量，且随着温度升高，T₂谱主峰向右偏移，随着荷载增加，T₂谱主峰几乎不发生变化，表明温度升高更能加剧损伤，每级温度作用下新生孔径不断增大。T₂谱主峰幅值和孔径分布随温度升高不断增大，随荷载增加出现先减小后增大的现象，表明高温作用对混凝土直接构成损伤，而力学作用使混凝土先密实再产生损伤，SEM观察得到了相同的结论。      

结构型纤维对混凝土弯曲韧性和裂缝表面形态的影响

为了研究结构型聚丙烯纤维、结构型钢纤维及混杂纤维(包括结构型聚丙烯纤维和结构型钢纤维)对混凝土弯曲韧性及裂缝表面形态的影响,参照RILEM TC 162-TDF[10]标准进行混凝土开口梁的三点弯曲试验。利用激光扫描仪对每个试件裂缝表面形态进行信息采集。基于裂缝表面信息,计算了四种裂缝表面粗糙程度参数(即裂缝粗糙度(R_N)、分形维数(D)、z坐标正态分布的标准差(σ_z)和裂缝曲折度(τ)),并比较分析了裂缝表面粗糙程度参数与弯曲韧性参数之间的相关性。研究表明:随着纤维掺量的增多,混凝土弯曲韧性和裂缝表面粗糙程度均随之增大。与结构型聚丙烯纤维和结构型钢纤维相比,混杂纤维在提高混凝土弯曲韧性和增大混凝土裂缝表面粗糙度方面均展现出正混杂效应。与分形维数D、z坐标正态分布标准差σ_z和裂缝曲折度τ相比,裂缝粗糙度R_N与纤维增强混凝土梁弯曲韧性参数的相关性最为显著,且存在指数函数关系。基于该函数关系,可借助纤维增强混凝土梁的弯曲试验快速估测裂缝表面的粗糙程度。      

混杂纤维对大掺量矿物掺合料混凝土干燥收缩的影响

通过测定混凝土的长期干燥收缩值,研究了单掺聚丙烯(polypropylene,PP)纤维、聚酯纤维和钢纤维及其混杂技巧对大掺量矿物掺合料混凝土干燥收缩的影响.结果表明,大掺量矿物掺合料混凝土的干燥收缩比较大,纤维及混杂技巧有利于降低其干燥收缩,纤维的弹性模量越高,其抑制干燥收缩的效果越好;(0.05%PP纤维 0.05%聚酯纤维)的有机纤维混杂效果优于(0.1%PP纤维 0.7%钢纤维)和(0.1%聚酯纤维 0.7%钢纤维)的有机与无机纤维混杂;混杂纤维对混凝土干燥收缩的抑制效果与纤维之间的搭配有关.综合分析表明,(PP纤维 聚酯纤维)的二元混杂技术具有良好的工程应用价值.     

玄武岩/聚丙烯纤维水泥砂浆的力学性能与抗裂性

研究了玄武岩纤维、聚丙烯纤维单独和混杂掺加对水泥砂浆工作性、力学性能和抗裂性的影响.结果表明,在掺率为0.075%～0.20%(体积分数)的范围内,单独掺加玄武岩纤维和聚丙烯纤维均可以不同程度地提高水泥砂浆的抗折强度和早期抗压强度,而对28d抗压强度均有不利影响;在体积掺率相同的情况下,掺加玄武岩纤维的砂浆比掺加聚丙烯纤维的砂浆具有更好的力学性能;玄武岩纤维与聚丙烯纤维以适当比例混杂掺加时,可以得到较掺加单一种类纤维更好的效果;混杂纤维可以有效地改善水泥砂浆的韧性,提高水泥砂浆的抗裂性能.     

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。      

玄武岩—聚丙烯粗纤维混凝土管承载力试验研究

为改善素混凝土管易开裂、延性差等缺陷，基于纤维混凝土良好的抗裂性和耐久性，选用聚丙烯粗纤维和玄武岩纤维，设计了无纤维、单掺玄武岩纤维、单掺聚丙烯粗纤维及混掺玄武岩-聚丙烯粗纤维的四组混凝土管节，通过三点试验对比分析管节的开裂破坏形态、荷载-位移曲线和承载力，并建立纤维混凝土管节三点试验的数值模型，进一步探究聚丙烯粗纤维与玄武岩纤维对素混凝土管破坏形态和承载力的影响。结果表明，聚丙烯粗纤维可有效地改善混凝土管的破坏形态，提高混凝土管节的抗裂性能与承载能力，相比于无纤维管节，混掺玄武岩-聚丙烯粗纤维管B2P4的承载力提升了46.26%,效果最佳。此外，各组管节数值模拟结果与试验结果较为一致，承载力误差控制在5%以内，表明模拟合理。通过试验和数值模拟，获得提升混凝土管节抗裂性能和承载力的玄武岩-聚丙烯粗纤维的最佳掺量。     

短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验与分析

为了研究短切玄武岩纤维掺量变化对混凝土基本力学性能的影响,对6种不同体积掺量的短切玄武岩纤维混凝土(BFRC)分别进行立方体抗压、轴心抗压、劈裂抗拉、抗折试验;基于试验结果,通过BP(Back Propagation)神经网路强度预测模型的构建,对附加纤维掺量的混凝土进行强度训练及预测。试验实测数据表明:掺入短切玄武岩纤维对混凝土早期抗压强度的发展有着延缓作用;当纤维掺量为0.1%时,抗压强度达到峰值。随着纤维掺量的增加,劈拉强度增幅较大,抗折强度保持上升趋势。通过BP神经网络的训练及发展趋势预测,结果表明:当纤维体积掺量为0.1%时,抗压强度达到最大值;劈拉强度与抗折强度则随着纤维掺量的增加而持续增大。基于试验数据及预测结果,得出短切玄武岩纤维的最佳体积掺量。     

碱激发对粉煤灰混凝土强度及微观结构的影响

为探究常温条件碱激发对粉煤灰混凝土强度及其微观结构的影响,本研究利用1.2模数钠水玻璃激发不同掺量粉煤灰配制混凝土试件,通过抗压强度试验、核磁共振试验和红外光谱试验,结合分形理论研究其宏观力学性能与微观孔隙结构与物质组成的变化规律。研究发现：适量钠水玻璃有助于N-A-S-H凝胶生成,使微观结构更加致密、提高混凝土早期抗压强度。碱当量4%、粉煤灰替代率40%的微观孔隙结构最优,28 d龄期抗压强度达46.45 MPa。基于分形理论建立核磁共振和红外光谱与其分形维数的关系,将碱激发粉煤灰混凝土微观特征量化。进一步,通过灰关联熵分析发现红外光谱分形维数D_S和0～0.02μm区间的孔隙是影响抗压强度的主要因素。此外,建立了GM(1,3)混凝土抗压强度预测模型,来反映碱激发粉煤灰混凝土的微观孔结构和化学生成物对其抗压强度的影响,为提高粉煤灰在混凝土中的利用率提供理论支撑。     

纤维对开裂后混凝土渗透性及裂缝恢复的影响

通过劈裂试验和渗透试验,研究了结构型钢纤维、聚丙烯粗纤维和聚丙烯细纤维对开裂后混凝土的裂缝恢复率、劈裂韧性和渗透系数的影响。研究结果表明:钢纤维和聚丙烯粗纤维的掺入可限制裂缝扩展,使混凝土由脆性破坏转为韧性破坏,提高开裂混凝土在卸载后裂缝的恢复作用,显著减小开裂后混凝土的渗透系数。钢纤维掺量越高,裂缝恢复和渗透性降低越明显,钢纤维掺量由25kg/m~3增加至55kg/m3时,渗透系数减小了87%。钢纤维和聚丙烯粗纤维的掺入具有较好的正混杂效应,当裂缝宽度为150μm时卸载,单掺25kg/m~3钢纤维和4kg/m~3聚丙烯粗纤维与单掺35kg/m~3钢纤维相比,渗透系数减小了60%。而聚丙烯细纤维对开裂混凝土的裂缝恢复和渗透性影响较小。     

玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性的影响

为促进废弃煤矸石在寒冷地区的建材资源化利用,研究了煤矸石陶粒作为粗骨料对混凝土抗冻性能的影响,探究了玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性能提升的效果。试验共设计了4种类型混凝土,纤维体积掺量分别为0%,0.1%,0.2%和0.3%。采用快速冻融循环试验,比较了纤维掺入对基体动弹性模量的影响规律,同时,利用图像识别技术引入分形维数定量表征试件冻融损伤程度。之后,开展了毛细吸水试验,对比了冻融损伤后基体的累积吸水量和毛细吸水系数的变化规律。结果表明,玄武岩纤维的加入能显著提高煤矸石陶粒混凝土的抗冻性能。随着纤维掺量的增加,煤矸石陶粒混凝土的动弹性模量损失率降低,基体表面冻融剥蚀明显缓解,引入分形维数可以定量地分析煤矸石陶粒混凝土外观形貌的变化规律。冻融损伤后,基体毛细吸水能力显著提高,而在相同的冻融循环下,基体的毛细吸水能力随着玄武岩纤维掺量的增加而降低。     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m~3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。     

纤维对混凝土裂缝宽度、曲折度及渗透性的影响

为研究不同纤维（钢纤维（SF）、聚丙烯长纤维（Macro-PP）、聚丙烯短纤维（Micro-PP））对荷载作用下带裂缝混凝土渗透性能的影响,通过劈裂试验引入不同宽度的结构裂缝（50~200 μm）,比较不同纤维对卸载后混凝土裂缝宽度及曲折度的影响。利用自主研发的渗透装置,分析了不同纤维类型、掺量及混杂方式对荷载作用下不同裂缝宽度混凝土渗透性的影响。研究发现:单掺55 kg/m3 SF比25 kg/m3渗透系数降低95.7%。与单掺SF相比,SF和Macro-PP的掺入具有正混杂效应;Micro-PP与SF混杂体系中渗透系数基本无变化,研究表明Micro-PP对结构裂缝间桥接作用甚微,对渗透性的作用不明显。SF和Macro-PP可有效限制裂缝的扩展,增大表面曲折度,降低开裂后混凝土的渗透性。      

单面盐冻条件下基于孔结构的玄武岩纤维混凝土抗压强度模型

通过单面冻融循环试验,研究不同玄武岩纤维掺量、冻融次数对混凝土抗冻性能和微观孔结构的影响;采用灰熵法分析微观孔结构参数对冻后混凝土抗压强度的影响规律;拟合得到不同冻融循环次数下玄武岩纤维贡献率公式;建立基于气孔比表面积、孔体积、玄武岩纤维贡献率的复合因素抗压强度模型。结果表明:不同纤维掺量下试件的抗压强度随冻融循环次数的增加逐渐减小,试件的含气量、气孔平均弦长和气孔间距系数随冻融次数的增加逐渐增大,试件的气孔比表面积随冻融次数的增加呈下降趋势。在本试验条件下纤维掺量为0.2%(体积分数)时混凝土抗冻性能最优。由灰熵分析可知,气孔比表面积和孔径小于100μm的孔体积与抗压强度的关联度较高。复合因素抗压强度模型与气孔比表面积、孔体积、玄武岩纤维贡献率之间回归效果显著,可预测单面冻融循环后玄武岩纤维混凝土抗压强度与孔结构的定量关系,评估寒冷地区玄武岩纤维混凝土的耐久性。     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能.结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36％～213.85％;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2 kg/m3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11％.     

纤维种类和长度对混凝土力学强度和耐久性能的影响研究

纤维掺入混凝土会改变混凝土的孔隙结构和空隙率,影响混凝土的耐久性能。为研究不同纤维种类对混凝土力学性能和抗渗性能、抗冻性能的影响,该文选取3种长度（11.5 mm、16 mm和20 mm）的聚丙烯纤维、3种长度（11 mm、15 mm和20 mm）的聚乙烯醇纤维,通过力学试验和耐久性试验,得到以下结论 ：1）纤维的掺入提高了混凝土的抗压强度,较未掺纤维的混凝土高3.7%～11.4%。不同纤维类型和长度对抗压强度的影响较小。2）掺入纤维后,纤维混凝土的相对渗透系数较未掺纤维的普通混凝土高42.3%～186.4%。纤维长度越长,对混凝土抗渗性能的改善效果越显著。3）聚乙烯醇纤维对混凝土抗冻性改善效果优于聚丙烯纤维。     

冻融循环作用下纤维混凝土的性能演变规律

为研究冻融循环作用对混凝土工作性能的影响,在混凝土中分别掺入含量为0、0.5%、1%、2%、3%的玄武岩纤维来改善混凝土的工作性能(坍落度、含气量和渗透性)。通过试验得出:(1)在相同的循环次数下,随着纤维掺量的增加,混凝土的坍落度、含气量和渗透性逐渐减少,但过量的纤维掺量对混凝土的工作性能效果不明显。(2)在相同的纤维掺量下,混凝土的坍落度、含气量和渗透性随着冻融循环次数的增加而逐渐增加,并且增加速率随着循环次数的增加而急剧增加。因此,玄武岩纤维对混凝土的抗冻性有着明显的提高,并且玄武岩纤维的最佳掺量为2%。     

玄武岩纤维混凝土在冻融环境下的力学性能研究

为了研究玄武岩纤维混凝土在西北寒冷地区盐冻作用下,性能是否满足工程要求,对此,该文对玄武岩纤维混凝土在冻融循环作用下的力学性能进行研究,研究结果表明以下3点：1）在75次冻融循环前,素混凝土和纤维掺入量分别为0.04%、0.08%和0.12%玄武岩纤维混凝土的质量损失率均增长缓慢,在75次冻融循环后,其质量损失率快速增大。2）在50次冻融循环前,素混凝土和不同掺量玄武岩纤维混凝土的相对动弹性模量变化较小,在50次冻融循环后,其相对动弹性模量快速变小。3）在相同冻融次数条件下,素混凝土质量损失率最大,而相对动弹性模量最小,纤维掺入量为0.12%玄武岩纤维混凝土质量损失率最小,而相对动弹性模量最大。以上研究可供类似混凝土工程参考。     

玄武岩纤维对喷射混凝土力学性能及微观结构的影响机制

通过力学性能实验研究了玄武岩纤维（BF）对玄武岩纤维/喷射混凝土（BF/SC）基本力学性能及韧性的影响规律,同时借助扫描SEM及核磁共振（NMR）实验对BF/SC的微观结构进行研究。结果表明:添加BF可以显著提高BF/SC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度;相较于素SC,掺量为3 kg/m3及7.5 kg/m3的BF/SC抗弯试块韧性较好,其能量吸收能力分别为素SC的2.42倍和2.69倍。BF在SC内部具有较好的分散性,与SC基体界面粘结性较好。适量BF有效地抑制了大体积孔隙的生成,其中掺量为3 kg/m3的BF/SC大孔径孔隙占比仅为0.25%,但过多BF掺入会导致纤维结团及孔隙率增加,因此在本文实验条件下纤维掺量为3 kg/m3时BF/SC性能最好。      

玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响

为研究玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响,以纤维长度及纤维体积掺率为变化参数,对纤维长度分别为12mm和30mm,纤维体积掺率分别为0.1%和0.2%的4根纤维混凝土梁和1根对比梁进行静载试验,试验中对纤维混凝土梁开裂荷载、裂缝宽度以及挠度进行监测。结果表明:与普通钢筋混凝土梁对比,玄武岩纤维混凝土梁的开裂荷载显著增大,且裂缝宽度发展更为缓慢,相同荷载作用下的裂缝宽度和跨中挠度显著减小,其主要原因是玄武岩纤维改善了混凝土梁的抗裂和阻裂性能,提高了梁的整体刚度。