钢纤维特性对UHPC轴拉性能与弯拉性能的影响及对比研究

为定量地研究钢纤维特征参数对超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）受拉性能的影响规律,现对同一纤维体积掺量（2%）下不同纤维长径比（59~100）、不同纤维类型（端钩型与平直型）及无钢纤维的UHPC试件分别开展了轴拉试验与四点弯拉试验。通过选取拉伸全曲线上的初裂点、峰值点及其他几个特征点,定量地分析了UHPC拉伸过程中的轴拉性能与弯拉性能,并对2种拉伸试验下的初裂强度与峰值强度进行了对比与分析,最后利用ABAQUS软件对2种拉伸全曲线进行了有限元倒推分析。研究结果表明：①随着一定范围内的纤维长径比的增加,与轴拉试验相比,UHPC试件的拉伸强度和拉伸韧性在弯拉试验中提升得更明显;②无论是端钩型还是平直型纤维试件,轴拉应变达到3 000×10^-6时的应力均高于7 MPa,且大弯拉变形状态下的强度均仍为弯拉初裂强度的1.17~2.43倍;③有无钢纤维对UHPC轴拉性能与弯拉性能均具有不同程度的裂后增强效果,其中后者优于前者;④在UHPC结构设计中可用考虑尺寸效应修正后的弯拉初裂强度来估算轴拉初裂强度,且扣除纤维取向的影响后,基于ABAQUS有限元软件倒推输入的三折线轴拉本构与实测的轴拉本构基本相符。     

橡胶粉改性混凝土力学性能分析

通过室内试验,测定不同橡胶粉掺量时混凝土不同龄期的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和折压比等力学性能指标。试验结果表明,龄期越长抗压强度和劈裂抗拉强度越大,但随着橡胶粉掺量的增多前后期抗压强度、劈裂抗拉强度间的差值逐渐减小;橡胶粉掺量越大,混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度越小,但折压比越大,表明增大橡胶粉掺量虽然降低了混凝土强度,但提高了混凝土弯曲韧性。     

UHPC直剪性能试验与直剪承载力计算方法

针对超高性能混凝土（UHPC）直剪性能研究较为缺乏的现状,开展24个“Z”形UHPC整体浇筑试件和24个“Z”形UHPC平接缝试件（用高压水凿毛先浇界面）的直剪试验,以得到钢纤维特性以及浇筑方式对UHPC （直剪）初裂强度、峰值强度、破坏模式以及直剪承载力的影响;并基于试验结果及UHPC细观本构模型开展了UHPC直剪承载力的理论分析研究。结果表明：无纤维UHPC整体试件和钢纤维掺量未超过3.0%的平接缝试件直剪破坏模式均为脆性破坏,纤维掺量达到2.5%的整体试件具备剪切延性破坏的特征;纤维掺量达到2.5%的平接缝试件界面处新老UHPC结合紧密;整体界面和平接缝界面直剪的初裂强度与峰值强度均随纤维掺量增加而显著增加,且峰值强度随纤维掺量几乎呈线性变化;纤维形状与长径比对整体界面初裂强度和峰值强度的影响不大,对平接缝界面则长纤维优于短纤维,异形纤维优于平直形纤维;整体界面和平接缝界面直剪的峰裂比（峰值强度与初裂强度之比）为103.5%~166.7%,整体界面峰裂比均显著大于纤维掺量相同的平接缝界面,2种界面的峰裂比均随钢纤维掺量增加而增加。建立了平接缝界面与整体界面直剪峰值强度之比η（简称直剪强度比）与纤维特征参数λ_f之间的高精度拟合公式。此外,还分别提出了高精度的UHPC整体界面和平接缝界面的直剪承载力计算公式。     

玻璃纤维对沥青混合料路用性能的影响

通过单轴拉伸试验、半圆弯拉试验和冻融劈裂试验等,考察了纤维类型和埋深与沥青的黏结作用,并分析了玻璃纤维掺量对基质沥青/改性沥青混合料高温稳定性、低温性能、中温抗裂性能和水稳定性的影响。结果表明,玻璃纤维与基质沥青/改性沥青的黏结强度高于玄武岩纤维和钢纤维,且改性沥青与纤维的黏结效果优于基质沥青。相同玻璃纤维掺量时,改性沥青混合料的稳定度、马歇尔模数、破坏拉伸应变、劈裂抗拉强度、断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变都要高于基质沥青混合料,流值和破坏劲度模量都小于基质沥青混合料;改性沥青混合料有相较基质沥青混合料更好的高温稳定性、低温抵抗变形能力和中温抗裂性能。适量玻璃纤维的掺加有利于提高基质沥青/改性沥青混合料的劈裂强度,玻璃纤维-改性沥青混合料的水稳定性高于玻璃纤维-基质沥青混合料。玻璃纤维掺量为0.30%的改性沥青混合料具有最佳的路用性能。     

配套使用电感试验和抗折试验对钢纤维混凝土力学特性及纤维分布的研究

纤维在混凝土中的含量和方向对钢纤维混凝土(SFRC)的力学性能有很大的影响,因此研究钢纤维在基体中的分布至关重要。本文对不同纤维含量(30,45和60 kg/m3)的传统钢纤维混凝土(CSFRC)和自密实钢纤维混凝土(SFRSCC)进行抗压、抗折和电感试验,分析钢纤维掺量对混凝土抗压强度、剩余抗折强度及纤维分布的影响规律。结果表明,钢纤维对混凝土抗压强度没有明显提高作用;荷载强度达到峰值之前,混凝土剩余抗折强度与钢纤维掺量成正比,且自密实钢纤维混凝土(SFRSCC)裂后性能更好;纤维含量对其分布没有明显影响。此外,本文通过电感试验验证了纤维含量和电感值的关系,结果表明,钢纤维对混凝土抗压强度没有明显提高作用;荷载强度达到峰值之前,混凝土剩余抗折强度与钢纤维掺量成正比,且SFRSCC裂后性能更好;而纤维掺量对其分布没有明显影响。     

橡胶混凝土的力学特性试验研究

为探讨混凝土在掺入不同橡胶粒径及掺量下的力学性能,以橡胶颗粒等体积取代C25混凝土内的细骨料,制成三种不同颗粒粒径的橡胶混凝土,并分别对其抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度以及拉压比进行试验研究。结果表明:橡胶混凝土的抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度及劈裂抗拉强度的变化均随着橡胶颗粒掺量的增加呈不同程度的减小,其中抗压强度的减小程度尤为明显;三种橡胶颗粒混凝土的拉压比变化均随着橡胶颗粒掺量的增加呈非线性变化,但拉压比有所增大;在混凝土路面中掺入适量的橡胶颗粒,能有效增强其韧性。     

掺粉煤灰可显著减少水泥稳定碎石的裂缝

通过大量的室内试验,包括无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、干缩性能、温缩性能等试验,分析研究了掺加粉煤灰水泥稳定碎石的抗裂性能;经过试验路及实践推广应用,提出了各级公路水泥稳定碎石掺加粉煤灰组成比例的推荐值。     

钢纤维对再生粗骨料水泥混凝土力学性能影响研究

通过对3种类型(铣削型、波纹型、端钩型)钢纤维再生粗骨料混凝土的力学性能试验,探讨体积分数分别为0、0.5%、1%、1.5%对再生粗骨料水泥混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗折强度及抗冲击性能的影响。试验结果表明:钢纤维掺入使再生粗骨料水泥混凝土的力学性能明显增强,端钩型钢纤维对再生粗骨料混凝土的性能影响最大;钢纤维掺量对劈拉强度和抗折强度影响显著,对抗压强度影响较小,同时能提高抗冲击性能,当钢纤维掺量为1%时,再生粗骨料混凝土的初裂冲击次数能提高将近300%。该研究对同类再生粗骨料混凝土中添加钢纤维后的力学性能研究具有一定参考和借鉴意义。     

玄武岩纤维再生混凝土路用性能研究

为研究废旧水泥路面再生骨料对混凝土路用性能影响,基于试验探究再生骨料取代率对混凝土强度及耐磨性能影响。根据再生混凝土初步试验结果,进一步掺加玄武岩纤维,探讨玄武岩纤维掺量对再生混凝土抗压、抗折强度及抗裂性能影响。结果表明,随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土抗压、抗折强度及耐磨性能均不断降低。在混凝土中掺加适量的玄武岩纤维有利于提高再生混凝土抗压强度、抗折强度,极大程度改善再生混凝土抗裂性能。     

硅灰改性橡胶混凝土路用性能研究

为减少环境污染及改善水泥混凝土路面的韧性,研究了硅灰改性橡胶混凝土的路用性能。通过密度、抗折强度、抗压强度及劈裂强度试验,研究了掺硅灰的橡胶混凝土基本力学性能及物性的变化规律,试验分析了混凝土的冲击韧性;采用噪声仪及超声波仪研究了橡胶混凝土的减振降噪效果。试验研究表明,硅灰的掺加,提高了普通混凝土的抗折强度、抗压强度及劈裂强度;随着橡胶颗粒体积掺量的增加,橡胶混凝土的密度、抗折强度、抗压强度、劈裂强度与压折比逐渐降低;橡胶颗粒的掺加提高了混凝土的冲击韧性,噪声水平有所下降;随着橡胶掺量的增加,混凝土的阻尼降噪效果越明显;当橡胶颗粒体积掺量不超过30%粗集料时,可获得路用性能较优的橡胶混凝土路面材料。     

螺旋箍筋约束高强混凝土柱轴心受压性能试验研究

为探究螺旋箍筋约束高强混凝土柱的轴心受压性能,开展了42根螺旋箍筋约束高强混凝土圆柱的轴压试验,研究了混凝土标准立方体抗压强度(58.0~90.6 MPa)、箍筋屈服强度(480~1 219 MPa)、体积配箍率(1.00%~1.60%)与箍筋间距(45~80 mm)对螺旋箍筋约束混凝土柱受压承载力和变形能力的影响。试验结果表明:箍筋约束混凝土在达到峰值压应力时,约束箍筋可能达不到屈服;约束箍筋的强度和体积配箍率相同时,随着高强混凝土强度的增高,约束混凝土达到峰值压应力时箍筋的拉应变减小;混凝土轴心抗压强度、箍筋屈服强度相同时,随着体积配箍率的提高,约束混凝土峰值压应变增大,相应的横向应变也随之增大,箍筋拉应变也增大。基于试验结果,考察了峰值压应力下箍筋拉应变与体积配箍率、混凝土强度、箍筋屈服强度和箍筋间距之间的关系,建立了峰值压应力下约束箍筋拉应变计算公式。拟合得到了约束混凝土峰值压应力f_cc、峰值压应变ε_cc、下降段曲线的特征参数(峰值压应力后85%峰值应力下的轴向压应变ε_c85、50%峰值压应力的轴向压应变ε_c50)的计算公式。给出了考虑体积配箍率、混凝土轴心抗压强度、箍筋间距和箍筋屈服强度影响的箍筋约束高强混凝土的轴心受压应力-应变关系模型。     

钢纤维对超高性能混凝土施工及力学性能的影响研究

为探讨不同钢纤维掺量、长径比及形状对超高性能混凝土的施工及力学性能的影响,首先通过室内试验设计并制备了10组不同钢纤维的超高性能混凝土试件,然后分别对各试件依次进行扩展度、抗压强度及抗折强度测试,得出以下结论:①随着钢纤维掺量的增大,超高性能混凝土的扩展度逐渐减小,抗压强度则逐渐增大,而抗折强度呈先增后减变化;②随着长径比的增大,超高性能混凝土的扩张度逐渐减小,抗压强度和抗折强度则逐渐增大;③钢纤维形状对超高性能混凝土的扩展度、抗折强度和抗折强度均有一定的影响。因此,在工程应用中需根据实际施工需求选择合适的钢纤维掺量、长径比及钢纤维形状。     

U形UHPC永久模板RC无腹筋组合梁抗剪性能试验

为了研究UHPC永久模板RC无腹筋组合梁的抗剪性能,以UHPC永久模板的厚度和界面条件为试验参数,分别开展了UHPC材料力学性能与UHPC永久模板RC无腹筋组合梁四点加载试验。由于组合梁的抗剪性能与UHPC的基本力学性能密切相关,因此首先对UHPC的抗拉与抗压性能进行了试验研究。UHPC的力学性能试验结果表明,UHPC在单轴单调荷载作用下具有一定程度的应变硬化特征,其拉伸极限强度为4.87 MPa,极限拉应变为0.6%。在材料试验结果的基础上,通过考虑UHPC永久模板厚度与界面方式这2种试验参数,分别设计了1根RC参照梁,1根UHPC参照梁,以及2种UHPC/RC界面类型（光滑与均布剪力键）、3种永久模板厚度（15,20,25 mm）、共计6根U形UHPC永久模板RC无腹筋组合梁。在对这8根梁分别进行四点加载破坏试验的基础上,分析了UHPC永久模板不同厚度与界面类型对组合梁抗剪承载力的影响。结果表明：组合梁的抗剪承载力及其变形能力较相同尺寸及配筋的RC无腹筋梁至少提高了103.7%和117.7%;且无论何种界面类型下,抗剪承载力随着UHPC永久模板厚度的增加而增加;界面为均布剪力键的UHPC永久模板较光滑界面能提供更高的抗剪承载力与变形能力。最终,基于修正桁架模型理论,分析了UHPC永久模板与RC无腹筋梁的抗剪承载力及其抗剪构成,提出了UHPC永久模板RC无腹筋组合梁的抗剪承载力计算公式,且公式计算值与试验值吻合较好。     

不同配比和养护条件对超高性能混凝土微观结构的影响

为了优化超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete,UHPC）制备方法,采用宏观力学试验与微观电镜技术相结合的方法,探讨不同配合比和养护条件对UHPC内部微观结构的影响。基于硅砂骨料的致密堆积级配,设计21个变量组,共制作了63个立方体试件,开展UHPC流动度试验、轴压试验和扫描电镜试验,分析水胶比、砂胶率、钢纤维掺量、消泡剂掺量、养护方法、龄期等因素对UHPC工作性能、抗压性能及其微观结构的影响规律以揭示UHPC的增强机制。研究结果表明：凝胶与骨料界面过渡区（ITZ）是UHPC内部的薄弱环节,提高ITZ的密实度和强度是增强UHPC的关键;UHPC的流动度随着水胶比的提高显著增大,但其抗压强度随着水胶比的提高先增大后降低;过高的砂胶率不利于UHPC工作性能,同时会造成其抗压强度下降;掺入消泡剂可以有效提高UHPC的表观质量,但可能会降低UHPC的工作性能和抗压强度;掺入2.5%的钢纤维能大幅提高UHPC的抗压强度,并明显改善其脆性特征,但会降低工作性能;高温养护能显著激发微硅粉和矿渣的火山灰效应,使UHPC的4 d抗压强度比常温养护提高约50%,有明显的早强优势,但存在后期强度下降的可能。     

不同轴拉性能的超高性能混凝土圆环约束收缩性能

开展2种不同轴拉性能（高应变强化型和应变软化型）的超高性能混凝土（UHPC）的圆环约束收缩性能研究。首先对高应变强化型UHPC及应变软化型UHPC进行单轴拉伸试验及声发射实时损伤定位试验，得到不同龄期时（2，7，28，80 d） UHPC的轴拉应力-应变曲线及其拉伸损伤演化机制。随后对2种UHPC进行圆环约束试验，得到UHPC内钢环的压缩应变-龄期曲线。最后基于高应变强化型UHPC及应变软化型UHPC的轴拉性能（应变强化与否）、抗拉强度发展规律及拉伸损伤演化机制，分析2种UHPC的圆环约束收缩机理。研究结果表明：高应变强化型UHPC的内钢环压缩应变-龄期曲线出现大量幅值小于10×10^-6的锯齿形波动，对应产生的微裂纹宽度小于0.01 mm，与裂缝测宽仪（精度为0.01 mm）在UHPC圆环试件上始终未检测到微裂纹的结论相一致；应变软化型UHPC的内钢环压缩应变随着龄期出现了4次较明显的瞬时突变（28×10^-6，53×10^-6，41×10^-6，18×10^-6），且裂缝测宽仪在UHPC表面检测到了4条微裂缝（0.035，0.050，0.040，0.020 mm），由于拉伸软化特性，后续在其他荷载作用下会导致裂缝持续扩展；高应变强化型UHPC的应变强化特性使其在约束状态下产生的拉应力以多点分布微裂纹（宽度小于0.01 mm）的形式逐步小幅释放，应变软化型UHPC在约束作用下产生的拉应力通过多缝开裂（宽度小于0.05 mm）的方式瞬时部分释放。     

UHPC构件受拉性能的细观力学解析方法

超高性能混凝土（Ultra-high-performance Concrete,UHPC）的受拉性能直接影响结构的抗裂性和耐久性,是结构设计中重要的力学指标之一。为研究UHPC构件在弯拉荷载作用下产生宏观裂缝前的受拉力学特性,以钢纤维与水泥基的协作受力特性为切入点,考虑钢纤维分布方向的随机性服从正态分布,建立了钢纤维受拉作用下的细观力学模型。该模型将钢纤维力作为由水泥基加载的被动力进行分析,在充分考虑水泥基材料特点的基础上,发展了UHPC构件受拉作用下宏观裂缝出现前弹性和拔出2个阶段的力学行为预测模型;开展了UHPC试件的纯弯曲试验,标定了材料受弯全过程中的关键力学指标,重点关注理论预测的弹性和拔出2个阶段的力学行为,并与预测模型计算结果进行对比;采用文献中钢纤维增强混凝土的试验结果进一步印证细观力学模型的适用性。理论分析及试验结果表明：建立的细观力学模型可准确描述出现宏观裂缝前受拉UHPC构件内部钢纤维的抗拉力学行为;预测模型计算的理论值与UHPC构件受拉作用下弹性和拔出2个阶段的力学指标试验结果吻合良好;常规钢纤维掺量的UHPC受拉性能由其内部钢纤维主导,理论计算时忽略受拉状态下水泥基对UHPC轴力的贡献不仅可以简化计算,而且可将其视为工程应用时的安全储备;建议的双折线拉伸本构中弹性与拔出2个阶段的极限应变分别为180×10^-6,1 042×10^-6。     

玄武岩纤维长度对喷射混凝土力学性能影响规律研究

为研究不同长度玄武岩纤维（BF）喷射混凝土力学性能随龄期发展的规律，设置相同掺量、不同长度纤维工况，比较喷射混凝土不同龄期基础力学性能试验结果，探究玄武岩纤维混凝土强度发展规律。研究结果表明： 1）3种长度（6、16、50 mm）BF掺入对喷射混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均有所提高，前期随龄期增长快，后期增长较慢，长度变化对强度提升效果影响存在差异。2）综合评价，抗压强度排序为BF-16＞BF-50＞BF-6。3）经曲线拟合分析可知，BF混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度近似满足公式y=a×xb的关系。4）3种长度（6、16、50 mm）BF掺入后，混凝土抗剪强度随龄期发展存在明显的阶段性特征，BF对喷射混凝土抗剪强度起负作用。5）弯曲韧性试验中，BF喷射混凝土初裂荷载有所提升，但不存在明显裂后韧性。6）BF长度对混凝土初裂荷载发展不存在明显优劣规律，综合考虑BF-16为最优长度。     

振动成型法水泥稳定碎石最优级配的设计

采用灰色关联分析方法,对不同级配的水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量、抗弯拉回弹模量、干缩抗裂系数、温缩抗裂系数等路用性能指标进行综合评价分析,进而确定最优的混合料级配,为水泥稳定碎石的级配设计提供依据。