SHCC修复既有混凝土构件的界面粘结性能研究

论文摘要

工程结构由于各种原因产生劣化，致使耐久性不足而亟需修复。应变硬化水泥基复合材料（Strain Hardening Cementitious Composite，简称SHCC）具有应变硬化和多微缝开裂特征，其超高的韧性和良好的裂缝控制能力能够满足结构加固修复对裂缝宽度控制的要求。采用SHCC对既有混凝土结构进行加固修复，则可以避免出现采用脆性的水泥基材料来修复劣损结构，短期内修复材料却再次开裂或剥落的发生。目前国内外对SHCC修复既有混凝土结构界面粘结性能的研究还十分不足，本文通过试验研究和理论分析开展了以下研究工作：1．针对目前SHCC材料在国内尚未普及应用，其配合比、制作方法及试件形式尚未形成统一标准，本文利用普通外夹式试验机对龄期为28天的SHCC哑铃型试件进行单轴拉伸试验，对不同配合比SHCC的单轴拉伸性能进行了探讨，获得了各配合比SHCC的单轴拉伸应力—应变曲线。通过对比，C3配合比SHCC稳态开裂性能较好，极限拉应变可达到甚至超过3%，同时还具有成本低的优点，被确定用于后期试验中；然后对4组12个C3配合比SHCC试件进行了试验研究和深入分析，在引入名义初裂强度和名义初裂应变的基础上提出了SHCC的双线性简化模型。2．通过对59个SHCC与老混凝土Z型粘结试件进行试验研究，对不掺加界面剂的粘结试件的界面抗剪性能进行了考察。主要探讨了界面粗糙度对粘结界面抗剪强度的影响规律；通过回归分析，建立了抗剪强度与界面粗糙度之间的函数关系；同时通过测读粘结面两侧的相对位移，得到了粘结面的剪应力—滑移曲线。3．通过52个楔形劈裂粘结试件，对SHCC与老混凝土粘结界面的抗拉性能及断裂能进行了试验研究。主要探讨了界面粗糙度对粘结界面抗拉强度和断裂能的影响规律，建立了抗拉强度和断裂能与界面粗糙度的函数关系式。4．通过7根SHCC修复钢筋混凝土梁抗弯性能试验，考察了修复梁的破坏特征，揭示了修复梁发生界面粘结破坏的原因、过程及其破坏机理；并在此基础上，给出了界面粘结破坏承载力计算方法和防止界面粘结破坏发生的具体措施。5．通过7根SHCC修复钢筋混凝土梁和3根普通钢筋混凝土梁的抗弯性能试验，研究了SHCC修复钢筋混凝土梁的裂缝情况。主要考察了界面粗糙度、修复层厚度和混凝土强度等因素对修复梁纯弯段内裂缝间距和裂缝宽度发展的影响规律；分析了弯曲荷载作用下两种材料的裂缝发生、发展情况，揭示了修复梁的裂缝发展机理，并在此基础上，对原有钢筋混凝土梁的裂缝计算模型进行适当修正，建立了SHCC修复钢筋混凝土梁的实用裂缝计算模型，通过对比理论计算值和实测值，验证了所提出的计算模型具有较高的精度。6．通过SHCC修复钢筋混凝土梁的抗弯性能试验，考察了界面粗糙度、修复层厚度和混凝土强度等因素对修复梁刚度变化的影响规律；基于刚度解析法，建立了修复梁在正常使用阶段的刚度解析模型；利用最小刚度原则建立了修复梁跨中挠度计算公式，并将理论计算结果与试验构件跨中挠度实测值进行对比，结果表明，提出的刚度计算模型及其中参数的取值具有较高精度，可以作为工程设计的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 基本力学性能方面的研究
• 1.2.2 耐久性方面的研究
• 1.2.3 结构应用方面的研究
• 1.2.4 SHCC 作为修复加固材料的理论研究
• 1.3 本文研究目的与意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 2. SHCC 单轴拉伸性能研究
• 2.1 试验概况
• 2.1.1 试件设计
• 2.1.2 试验材料与配合比
• 2.1.3 流动扩展度试验
• 2.2 试件制作
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 试验过程
• 2.3.2 不同配合比 SHCC 的轴拉应力—应变曲线
• 2.3.3 不同配合比 SHCC 的多微缝开裂模式
• 2.3.4 不同配合比 SHCC 的单轴拉伸性能参数
• 2.4 C3配合比 SHCC 的进一步研究
• 2.4.1 试验结果
• 2.4.2 SHCC 单轴拉伸应力-应变曲线分析
• 2.4.3 SHCC 单轴拉伸应力-应变曲线简化模型
• 2.5 本章小结
• 3. SHCC 与老混凝土粘结试件界面抗剪性能研究
• 3.1 试验概况
• 3.1.1 材料性能
• 3.1.2 试件制作
• 3.1.3 试验过程
• 3.2 试验结果与分析
• 3.2.1 试验现象及破坏特征
• 3.2.2 粘结面抗剪强度试验结果及分析
• 3.2.3 粘结面剪应力-滑移曲线
• 3.3 本章小结
• 4. SHCC 与老混凝土粘结试件界面断裂能研究
• 4.1 试验概况
• 4.1.1 试件设计
• 4.1.2 原材料及配合比
• 4.1.3 粘结面处理
• 4.1.4 粘结试件成型
• 4.1.5 试验过程
• 4.2 试验结果与分析
• 4.2.1 试验现象
• 4.2.2 试验破坏荷载结果统计
• 4.2.3 粘结试件断裂能及软化曲线
• 4.3 与混凝土整体试件的结果对比
• 4.4 本章小结
• 5. SHCC 修复钢筋混凝土梁界面粘结破坏研究
• 5.1 试验设计
• 5.1.1 试件设计
• 5.1.2 材料性能
• 5.1.3 试件制作
• 5.2 试验方案及测试内容
• 5.2.1 加载方案
• 5.2.2 测试内容
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 试验现象及破坏模式
• 5.3.2 钢筋和受压区混凝土应变
• 5.3.3 特征荷载分析
• 5.4 SHCC 修复钢筋混凝土梁界面粘结破坏研究
• 5.4.1 试验梁破坏模式分析
• 5.4.2 界面粘结破坏特征分析
• 5.4.3 界面粘结破坏全过程
• 5.4.4 界面粘结破坏机理
• 5.4.5 界面粘结破坏承载力
• 5.4.6 防止发生界面粘结破坏的措施
• 5.5 本章小结
• 6. SHCC 修复钢筋混凝土梁的裂缝研究
• 6.1 试验结果与分析
• 6.1.1 试验梁裂缝发展特点
• 6.1.2 平均裂缝宽度与最大裂缝宽度关系
• 6.2 SHCC 修复钢筋混凝土梁裂缝实用计算模型
• 6.2.1 钢筋混凝土梁裂缝研究基本理论
• 6.2.2 SHCC 修复钢筋混凝土梁裂缝性能影响因素分析
• 6.2.3 SHCC 修复钢筋混凝土梁平均裂缝间距计算模型
• 6.2.4 SHCC 修复钢筋混凝土梁裂缝宽度计算模型
• 6.2.5 计算模型的验证
• 6.3 本章小结
• 7. SHCC 修复钢筋混凝土梁的刚度研究
• 7.1 试验结果与分析
• 7.1.1 试验梁荷载-挠度曲线
• 7.1.2 修复梁截面刚度变化的规律
• 7.2 SHCC 修复钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算模型
• 7.2.1 钢筋混凝土梁刚度计算基础理论
• 7.2.2 SHCC 修复钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算模型
• 7.2.3 公式的验证
• 7.3 本章小结
• 8. 结论与展望
• 8.1 本文的主要结论
• 8.2 本文主要创新点
• 8.3 开展进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文