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层布式钢纤维混凝土基本性能与应用研究

2020-11-28阅读(501)

层布式钢纤维混凝土基本性能与应用研究

论文摘要

如何在保证路面混凝土强度的同时提高其耐久性能已成为工程界十分关注的热点问题。目前,通过合理地选择材料,将高强高弹模钢纤维与低弹模合成纤维混凝土混杂或与柔性混凝土组合,使它们在不同层次和受荷阶段相互取长补短,发挥“正混杂效应”来增强混凝土,是解决这一问题的重要研究方向之一。本文立足于层布式钢纤维混凝土的结构形式,在大量试验和理论研究的基础上,就层布式钢纤维混凝土（LSFRC,Layered Steel Fiber Reinforced Concrete）、层布式混杂纤维混凝土（LHFRC,Layered Hybrid Fiber Reinforced Concrete）和层布式钢纤维柔性混凝土（LSFFC,Layered Steel Fiber Flexible Concrete）三种不同结构形式,进行了各项性能和路面设计研究。其主要研究工作和获得的重要成果如下:1.讨论了LSFRC材料性能对弯拉强度的影响,获得了钢纤维的力学参数、几何参数和钢纤维与基体的粘结状态对LSFRC弯拉强度的影响规律,指出钢纤维体积率是提高弯拉强度最主要的因素（体积率由1.0%增加至2.0%时,弯拉强度提高率可达28.42%）。2.在对LSFRC、LHFRC和LSFFC的抗压性能、抗拉性能和弯拉性能试验研究的基础上,得出层布式钢纤维混凝土结构形式对素混凝土的抗压强度和抗拉强度的提高率在5%左右;极限压应变提高率在30%左右;弯拉强度提高率在40%左右;LSFRC、LHFRC和LSFFC的弯曲韧性指数,I10分别是素混凝土的5.47、7.04和10.32倍。3.根据混凝土弯拉试件的裂缝开展过程、破坏特点和断面扫描电镜照片,在分析LSFRC、LHFRC增强机理的基础上,得出层布式钢纤维混凝土试件的破坏属于塑性破坏。其弯拉试件从受荷到破坏经历了微观裂缝产生、裂缝稳定扩展、裂缝贯通和构件破坏四个阶段。4.在系统试验和理论分析的基础上,研究了LSFRC和LHFRC的概率分布规律,获得了不同失效概率下的疲劳寿命和双对数疲劳方程;研究了LSFRC和LHFRC的损伤规律;获得了层布式钢纤维混凝土结构疲劳变形曲线的影响规律。5.在系统试验和理论分析的基础上,研究了层布式钢纤维混凝土结构主要的耐久性能指标（孔隙率、干缩性能、抗渗性能、抗冻性能、抗冲击性能和耐磨性能等）;分析了其耐久性增强机理;得出结论:LHFRC的孔隙率比素混凝土（C,Plain Concrete）低43.9%,且小直径孔所占比例多,孔隙分布更均匀;龄期180天时,LHFRC的干缩率比C的降低了26.9%;LHFRC的渗水高度比C降低了21.3%;75次冻融循环后,LHFRC的抗压强度仅降低了1.9%,相对动弹性模量降低了19.1%,质量基本上没有损失;LSFRC的抗冲击韧性比C的提高了127.85%;LSFFC的单位面积磨损量比C的提高了26.31%。6.构建了LSFRC梁的弯拉本构模型;给出了LSFRC梁模拟结果和破坏特征;比较了LSFRC与C的荷载-挠度曲线和受力特征;得出了层布式钢纤维能有效提高混凝土后期延性的结论;模拟分析了不同参数下层布式钢纤维混凝土的力学特性。7.构建了LSFRC、LHFRC和LSFFC复合路面板的有限元计算模型;研究了路面板板长、板厚、钢纤维体积率和基体混凝土弹性模量在行车荷载、温度作用下的变化规律;得出了荷载应力随板厚的增加而降低（板厚每增加2cm,LHFRC和LSFFC路面板的荷载应力降低最大幅度约6%）、温度应力随着板厚的增加表现为先增加后降低的结论。8.给出了LSFRC、LHFRC和LSFFC复合路面板设计的主要思路;编制了不同路面板长在不同交通等级下的最小板厚表。得出结论:层布式钢纤维混凝土结构能有效降低普通混凝土路面板板厚;在相同条件下,采用LSFFC路面板更经济。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题来源
  • 1.2 问题提出的背景
  • 1.3 国内外发展与研究现状
  • 1.3.1 钢纤维混凝土的发展与研究现状
  • 1.3.2 合成/混杂纤维混凝土的发展与研究现状
  • 1.3.3 柔性混凝土的发展与研究现状
  • 1.3.4 路面结构的发展与研究现状
  • 1.4 本文的主要工作
  • 1.4.1 研究内容
  • 1.4.2 创新点
  • 第2章 材料性能研究
  • 2.1 钢纤维的力学参数
  • 2.2 钢纤维的几何参数
  • 2.3 钢纤维的体积率和长径比
  • 2.3.1 试验设计
  • 2.3.2 试验结果与分析
  • 2.4 钢纤维与基体界面的粘结状态
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 LSFRC和LHFRC基本力学性能研究
  • 3.1 试验设计
  • 3.1.1 试验材料
  • 3.1.2 混凝土配合比
  • 3.1.3 试件制作
  • 3.2 抗压性能
  • 3.2.1 立方体抗压强度试验
  • 3.2.2 棱柱体轴心抗压强度试验
  • 3.3 抗拉性能
  • 3.3.1 试验方法
  • 3.3.2 试验结果与分析
  • 3.4 弯拉性能
  • 3.4.1 弯拉强度试验
  • 3.4.2 弯拉弹性模量试验
  • 3.4.3 初裂强度和弯曲韧性试验
  • 3.5 增强机理分析
  • 3.5.1 基本原理
  • 3.5.2 机理分析
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 LSFRC和LHFRC弯拉疲劳性能研究
  • 4.1 弯拉疲劳试验
  • 4.1.1 试验设计
  • 4.1.2 试验结果
  • 4.2 疲劳寿命分析与疲劳方程
  • 4.2.1 威布尔分布理论
  • 4.2.2 疲劳寿命分析
  • 4.2.3 疲劳方程
  • 4.3 疲劳损伤规律
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 LSFRC和LHFRC耐久性能研究
  • 5.1 试验设计
  • 5.1.1 试验材料
  • 5.1.2 混凝土配合比
  • 5.1.3 试件制作
  • 5.2 孔隙率试验
  • 5.2.1 试验方法
  • 5.2.2 试验结果与分析
  • 5.3 干缩试验
  • 5.3.1 试验方法
  • 5.3.2 试验结果与分析
  • 5.4 抗渗试验
  • 5.4.1 试验方法
  • 5.4.2 试验结果与分析
  • 5.5 抗冻试验
  • 5.5.1 试验方法
  • 5.5.2 试验结果与分析
  • 5.6 增强机理分析
  • 5.7 本章小结
  • 第6章 LSFFC基本性能研究
  • 6.1 试验设计
  • 6.1.1 试验材料
  • 6.1.2 混凝土配合比
  • 6.1.3 试件制作
  • 6.2 抗压性能
  • 6.2.1 立方体抗压强度试验
  • 6.2.2 棱柱体轴心抗压强度试验
  • 6.2.3 棱柱体轴心抗压弹性模量试验
  • 6.3 弯拉性能
  • 6.3.1 试验方法
  • 6.3.2 试验结果与分析
  • 6.4 耐久性能
  • 6.4.1 抗冲击性试验
  • 6.4.2 耐磨性试验
  • 6.5 本章小结
  • 第7章 LSFRC梁有限元模拟分析
  • 7.1 概述
  • 7.2 模型的建立
  • 7.2.1 计算单元
  • 7.2.2 混凝土本构模型
  • 7.2.3 层布式钢纤维本构模型
  • 7.2.4 边界条件
  • 7.2.5 非线性方程的求解
  • 7.3 模拟计算结果分析
  • 7.3.1 荷载-挠度曲线
  • 7.3.2 梁跨中截面应力
  • 7.4 不同参数下LSFRC的力学特性
  • 7.5 本章小结
  • 第8章 层布式钢纤维混凝土复合路面设计研究
  • 8.1 概述
  • 8.1.1 基本假设
  • 8.1.2 计算参数
  • 8.2 路面荷载应力有限元分析
  • 8.2.1 有限元模型
  • 8.2.2 模型验证
  • 8.2.3 影响参数分析
  • 8.3 路面温度应力有限元分析
  • 8.3.1 有限元模型
  • 8.3.2 模型验证
  • 8.3.3 影响参数分析
  • 8.4 路面板厚设计
  • 8.4.1 设计标准
  • 8.4.2 设计步骤
  • 8.4.3 设计参数
  • 8.4.4 最小板厚
  • 8.5 本章小结
  • 第9章 总结与展望
  • 9.1 总结
  • 9.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 参加的科研项目和发表的学术论文

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