基于单根钢纤维拉拔试验的ＵＨＰＣ拉伸应变硬化.docx

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1、一、论文选题依据(包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等)1.1 选题背景超韧性纤维增强水泥基复合材料ECC(engineeredcementitiouscomposite)是经系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料ECC理论研究始于1992年，最早是用聚乙烯纤维PE(POIyethyIene)增强。1997年1i和Kanda等开始将PVA用于ECC,制成了聚乙烯醇PVA(Po1yViny1A1CohO1)纤维增强水泥基复合材料。采用基于微观力学的材料设计方法、纤维体积掺量仅为2%的ECC,其单轴拉伸荷载下最大应变大于3

2、%使用掺量适中的短纤维能满足不同的施工要求，包括自密实ECC和喷射ECC。目前，通过挤压成型已经生产出了ECC结构构件。在增强结构的安全性、耐久性及可持续性方面，ECC有很大的优势。为满足抗震的需要，ECC高性能材料被推广使用。BiI1ingtOn指出，使用ECC的结构除了具有抗坍塌能力，还具有高损伤承受能力，遭受地震破坏后的残余裂缝宽度很小，这样能大大减少地震后的修补费用。且ECC在冲击荷载下的抗碎裂特性已经通过试验得到证实。Maa1ej等通过试验证实，经高速射弹冲击作用的ECC板损伤小，整体性好，呈多缝分布开裂,能量耗散力强。ECC的大规模应用工作已经展开。工程应用实例有：日本北海道斜拉索

3、桥的钢/ECC复合桥面板；2003年广岛县Mitaka大坝的修复；2005年美国MiChigan用ECC连接板用于桥面板以代替传统的伸缩缝等。超高性能混凝土UHPC(UItrahighperformanceConCrete)是一种高强度、低孔隙率的超高强水泥基材料，最初由1arrard和SedranM提出该概念。一般认为其抗压强度不低于技。MPaoRiChard等研制成功的活性粉末混凝土RPC(reactivepowderConCrete)”其实就属于超高性能混凝土。虽然问世的时间不长，但因其良好的力学性能和优异的耐久性，已经在工程建设领域得到应用。世界上第一座以RPC为材料建造的步行桥位于气

4、候条件恶劣的加拿大SherbroOke市，在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀与冻融循环作用下，该桥至今使用状态良好，这是普通水泥基材料无法实现的。因此，以RPC制备原理为基础的UHPC材料的研究与应用，是当今水泥基材料发展的主要方向之一。单纯的超高抗压强度往往伴随着“超高脆性”，并不意味着“超高性能”。UHPC真正的价值体现在与钢纤维之间的高粘结强度，能够充分发挥与利用钢纤维抗拉强度从而发展出全面力学性能优良的超高性能(纤维增强)混凝土(UHPC/UHPFRC)t13这要依靠加入短纤维来实现，钢纤维按形状大致可分为平直钢纤维和异形钢纤维两种，目前异形钢纤维种类繁多，有压棱形、波纹形、弯钩形、大头形

5、等。异形钢纤维对混凝土增强、增韧效果显著。界面粘结是发挥钢纤维对混凝土增强、增韧效果的关键。改进和优化钢纤维的外形对提高钢纤维对混凝土的增强效应具有十分明显的作用刈。在今后相当长一段时间内，中国仍处于大建设时期，随着对节能减排、可持续发展要求的不断提高,对混凝土性能的要求也将越来越高，因此UHPC具有广阔的应用前景,闻。这两种类型的混凝土在结构应用中有各自的优点，UHPC材料为重要结构提供了足够的抗压强度保证。EeC材料有利于防止由于吸收大量能量而产生的灾难性的结构坍塌，当结构的失效模式与拉力相关时尤为明显。然而，这两种材料各自力学性能的优势是无法兼容的。高强混凝土本身是极其脆弱的基质涧，尽管

6、这一限制可以往基质中加入短纤维来缓解，但当结构产生很小的裂缝后，由于承载力的下降，结构通常表现为拉伸应变软化行为。另一方面，具有超高韧性的EeC混凝土抗压强度一般是UHPC混凝土的1/4T/2。由此可见，把两者的力学性能优点相结合，提出一种高强度高韧性混凝土(HSHDC)，以确保在大荷载或大位移情况下，保证关键结构的安全，这将是未来高性能混凝土研究的一个重要方向。所以有必要通过单根钢纤维拉拔试验，研究纤维-UHPC基质间的协调性，以实现其应变硬化行为，为后续高强高韧性混凝土的研究打下基础。1.2 单根钢纤维拉拔试验国内外研究现状对单根钢纤维拉拔试验研究目前主要分为三类，第一类是基于基体的变化对

7、单根纤维拉伸试验的研究，主要研究成果有：王志等M采用单根纤维直接拉拉的方法，在不同温度以及不同水灰比条件下，对钢纤维与水泥砂浆粘结性能进行了试验研究。结果表明，随着温度的升高和水灰比的增大，钢纤维与水混砂浆的粘结性能呈下降趋势。陈沛然等,研究界面对钢纤维混凝土的宏观力学性能具有较大影响，尤其是钢纤维与混凝土基体间的界面层。文中分别建立混凝土基体和水泥砂浆基体的单丝拉拔模型，考虑了基体强度变化和骨料对单丝拉拔性能的影响。结果表明：基体强度越高，单丝拉拔试件的峰值荷载和界面最大黏结强度越大,而试件的拉拔韧度则越小。基体强度的变化对单丝拉拔损伤破坏过程影响甚微。与水泥砂浆基体相比，混凝土基体的单丝拉

8、拔试件对基体的变化更为敏感。Yazici,H等.基于单纤维拔出研究了配合比，养护条件，钢纤维的长径比，嵌入长度和纤维类型对渗浇钢纤维混凝土（S1FCON）基质的影响。测试结果表明，纤维类型、嵌入纤维长度，养护条件，纤维末端条件、基体强度对纤维-基体粘结有很大的影响。增加纤维的直径和提高养护条件可增加纤维-基体粘结。Naaman等介绍了一种横截面为多边形和沿其长度扭曲的新型钢纤维。以单纤维拔出水泥基质的拉拔试验来研究纤维的粘结性能。基于下列参数，对一系列拉拔试验的结果进行描述和分析：1）纤维横截面的形状，即三角形或方形截面，2）每单位长度的纤维等效的加强筋的数量，3）基质的抗压强度（从10到50

9、MPa）和纤维的拉伸强度，4）纤维嵌入的长度。也提供对比了光滑带钩钢纤维。结果表明，新的纤维对促进高性能纤维增强水泥复合材料的强度和韧性发展起了关键作用。第二类是基于纤维的变化对单根纤维拉伸试验的研究，主要研究成果有：Krasnikovs,A等通过大量的实验，得到了三种类型（平直，末端弯钩，波浪）钢纤维嵌入到钢纤维增强高性能混凝土在不同深度、不同角度下获得拔出力和拔出纤维长度的关系。创建混凝土结构断裂模型，基于实验研究用单纤维拔出法对材料的断裂过程进行了建模。解释模型使我们能够预测钢纤维混凝土的非线性力学行为。Choi,WC等3使用高性能复合纤维改善了水泥基复合材料的力学性能并建立了一种设计方

10、法，采用回归系数来表示设计参数对三种类型纤维（碳纤维、聚丙烯纤维、扭转钢帘线）的界面性能。每种类型的纤维的参数包括水胶比和纤维嵌入长度。通过试验数据校准数值分析方程分析的结果，并据此提出了设计系数。成功验证所建模型，并提出了拉拔每个纤维类型的特点。MihaShi,H等对一种新型纤维增强水泥基复合材料（FRCC）提出了用两种类型的随机分布短纤维（钢帘线与聚乙烯纤维）合理桥联裂纹面，形成混杂纤维增强的方法。对这个新开发的水泥复合材料的增韧机制进行了实验研究。重点放在钢帘线在裂纹面上的桥联机制，进行了单根纤维嵌在水泥基基质的拉拔试验解释了考虑倾斜角，表面性能和纤维的长度，包括基体的力学性能影响的增韧

11、机制。黄俊等对纤维增强复合材料中界面的脱粘和纤维的拔出行为进行了研究，通过纤维间距考虑纤维之间的相互影响，改变脱粘段的剪切强度和粘结段的临界能量释放率，推导出了纤维拉拔荷载和纤维脱粘长度之间的变化关系，当纤维间距较大时，纤维之间的相互影响相对较小，但当纤维间距较小时，由于临近纤维的影响，使得在相同脱粘长度的情况下，纤维拉拔荷载和纤维拔出端位移有减小的趋势，改变复合材料板层的厚度，由于影响了基体的变形，界面的脱粘和纤维的拔出行为也受到了相应的影响。田丰等研究了单根弓形钢纤维自轻骨料混凝土基体拔出全过程；利用自制模具，通过试验得到不同埋深弓形钢纤维自轻骨料混凝土基体中拔出全过程的荷载一位移关系曲线

12、；分析说明了弓形钢纤维最大拔出荷载成因与平直钢纤维的不同点；对试验数据进行分析，得到弓形钢纤维最大荷载一埋深关系曲线。赵丽军等通过单根纤维拉伸试验，分析4种类型钢纤维随着水泥砂浆基体强度变化引起的拉拔力位移曲线，得到最大拉拔力及基体剥落情况。WiI1e等囱通过钢纤维从UHPC中的拔出试验，测试不同尺寸形状纤维拔出力与滑移量关系，计算纤维中的拉应力、等效剪切粘结强度，分析纤维的效率。试验对比了5种纤维在拔出过程中纤维最大拉应力：平直纤维为00MPa,高强端钩和扭转纤维达到2150MPa-2900MPa,接近或达到纤维的抗拉强度（T1、H2纤维拉断）。纤维拔出的等效剪切粘结强度（脱粘时剪切应力）：

13、平直纤维为IOMPa左右，异形纤维则达到了42MPa-47MPa,比平直纤维提高4倍多。纤维脱粘后的拔出过程，平直纤维和异形纤维的剪切应力还继续增长或维持在较高水平，均呈现较高的机械性粘结强度。第三类是对单根纤维拉伸试验建立模型的研究，主要研究成果有：PrUdenCi。,1等针对现有的梁板的测试方法或其在结构设计中的应用有可变性问题以及现有的钢纤维混凝土的弯曲性能的模型在纤维基质相互作用不能完全获得开裂截面。建立了单纤维在张力区的拉拔试验模型，测量荷载一位移关系，获得纤维组和需要涵盖所有纤维几何形状排列的广泛测试之间的相互作用。从弯曲梁测试推断提出了纤维桥联裂缝区域的平均拔出效应。通过比较一系

14、列纤维体积分数的喷射和铸造钢纤维混凝土预测荷载一位移响应，模型连同其验证了有效性。GeOrgiadi-Stefanidi,K等”论述了带钩钢纤维嵌入在高强水泥基质的数值模型。考虑物理模型中存在的非线性问题，用精确的三维几何模型的方法首先研究了纤维的拉拔情况。将带钩钢纤维实验测试结果与数值模型的结果进行比较。然后，研究了不同几何形状的纤维对荷载-位移曲线的影响。许碧莞等根据弓形钢纤维弯钩端变形情况对单根纤维拔出能量进行推导；应用概率统计方法综合评估了断裂面上各纤维的能量贡献，建立了相应的断裂能模型.试验验证表明，模型预测精度良好，且该断裂能模型与各细观参数，如纤维长度、弯钩端几何形状参数和水泥基

15、体强度等密切相关，因此该模型不仅能用于预测弓形钢纤维增强水泥基材料的断裂能，还能用于该类材料的优化设计研究。钢纤维的基本性能主要有：（1）钢纤维的类型及特征参数为满足钢纤维的增强效果和施工性能，通常采用钢纤维长度为15-6Onm1,直径或等效直径为0.2-1.2mm,长径比为30T00,纤维的体积掺量为0.5M2%。（2）钢纤维的主要性能钢纤维的性能主要包括抗拉强度、粘结强度和弯折性能。为了保证钢纤维混凝土的质量,钢纤维应具备一定的抗拉强度。由于普通钢纤维混凝土主要是因钢纤维拔出而破坏，并不是因钢纤维拉断而破坏，因此钢纤维的抗拉强度一般能满足使用要求，而其与混凝土基体界面的粘结强度是影响钢纤维

16、混凝土性能的主要因素。粘结强度为钢纤维和基体界面间单位面积的粘结力。钢纤维的粘结强度包括两方面内容：两种不同材料间的粘着力钢纤维与基体表面的机械咬合力。提高钢纤维在混凝土中的粘结强度也应从这两方面入手。粘结强度除与基体的性能有关外，就钢纤维本身而言，与钢纤维的外形和截面形状有关。1.3 研究意义综上，目前国内外对单根钢纤维拉拔的研究主要集中在普通和高强混凝土中，当用平直钢纤维进行单根拉拔试验结果为应变软化行为。对UHPC基质中的单根钢纤维拉拔研究非常少。Wi11eK等研究表明可通过提高基质颗粒堆积，增加细颗粒的分散度来增强纤维-基质界面性能。短纤维增强水泥基材料，按照抗拉响应可分为应变软化和应变硬化两个类型。但是，UHPC是应变软化还是应变硬化，以及抗拉强度和应变能力的高低，取决于纤维类型、纤维体积掺量、纤维尺寸与形状和UHPC的基体强度。使用平直短小钢纤维，单轴受拉往往需要纤维体积掺量达到4%飞乐才能产生应变硬化行为，并且应变能力较难超过0.2%，对于如何提高纤维效率