玄武岩纤维增强混凝土动、静态力学性能研究

论文摘要

混凝土材料具有很高的抗压强度、较大的刚度和较好的长期耐久性,是目前工程中应用最广泛的材料之一。但混凝土凝结时收缩率大、抗拉强度低、极限延伸率小以及抗冲击性能差等缺点,均影响着混凝土作为功能材料在工程中的进一步应用。实践表明,混凝土中掺入一定量的纤维材料可以缓解混凝土的上述缺点。本论文在比较混凝土各种纤维性能及分析各种纤维混凝土特点的基础上,研究了玄武岩纤维增强混凝土的性能。通过开展不同掺量和不同加载速率下的玄武岩纤维增强混凝土的准静态抗压强度实验和动态压缩实验,分析纤维对混凝土的增强增韧效应和应变率效应,并探讨纤维增强混凝土材料的机理,建立玄武岩纤维增强混凝土材料的本构模型。通过玄武岩纤维混凝土的准静态抗压强度实验和动态压缩实验,本文得到如下的结论:(1)进行不同掺量的玄武岩纤维增强混凝土准静态抗压强度实验。结果表明玄武岩纤维对混凝土的抗压强度增强效果不明显。掺量为0.1%和0.2%的纤维增强混凝土试件抗压强度与素混凝土的抗压强度相差不大,甚至当掺量增为0.4%时,其强度反而下降。(2)准静态抗压强度实验表明,虽然随着玄武岩纤维的掺入不能有效地提高混凝土基体的抗压强度,但混凝土的破坏形态具有明显的不同,素混凝土的破坏呈圆锥形开裂方式,破坏较为严重,完整性较差;而纤维增强混凝土破坏时均沿着一条主裂缝开裂,并同时产生多条次裂纹。随着纤维掺量越大,破坏时主裂缝越不明显,产生的次裂纹越多。(3)进行不同纤维掺量的玄武岩纤维增强混凝土的冲击实验。结果显示纤维的掺入对于提高混凝土的动态抗压强度仍旧有限。(4)通过对动态压缩实验曲线数据的研究与整理,得出混凝土材料具有明显的应变率相关性:即随着应变率的提高,动态抗压强度提高明显。采用动态增强系数DIF分析,纤维混凝土在高应变率下的DIF要高于素混凝土,说明纤维混凝土对于应变率的更加敏感。(5)基于实验数据曲线,采用改进的ZWT本构模型对三种不同应变率的实验曲线进行拟合,得到的拟合结果与实际数据吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 纤维水泥基复合材料的发展概况
• 1.3 常用纤维增强材料简介
• 1.4 玄武岩纤维混凝土研究和应用现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 玄武岩纤维混凝土准静态力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 原材料及其配合比设计
• 2.3 试件制作
• 2.4 试验方法及其实验装置
• 2.5 实验结果及分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 玄武岩纤维增强混凝土的动态力学性能实验
• 3.1 引言
• 3.2 试件制作
• 3.3 SHPB 简介及其工作原理
• 3.4 SHPB 实验的相关技术
• 3.4.1 应力应变均匀性问题
• 3.4.2 惯性效应引起的波的弥散
• 3.4.3 波形整形技术
• 3.4.4 混凝土试样直接贴应变片测量
• 3.5 SHPB 试验装置介绍
• 3.5.1 试验装置
• 3.5.2 相关参数及说明
• 3.6 试验操作过程
• 3.7 实验结果与分析
• 3.7.1 试验结果
• 3.7.2 试件破坏形态分析
• 3.7.3 纤维的增强增韧效应分析
• 3.7.4 冲击强度与应变率的变化规律
• 3.7.5 动态增强因子与应变率的关系
• 3.7.6 峰值应变与应变率的关系
• 3.8 本章小结
• 第四章 纤维增强混凝土作用机理探讨
• 4.1 引言
• 4.2 纤维混凝土阻裂机制
• 4.3 纤维层间理论
• 4.4 复合材料理论
• 4.5 本章小结
• 第五章 玄武岩纤维混凝土动态本构模型
• 5.1 引言
• 5.2 动态本构模型简介
• 5.2.1 HJC 动态本构模型
• 5.2.2 Eibl-Schmidt 模型
• 5.2.3 朱-王-唐本构模型
• 5.3 本构曲线的拟合
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 本文的主要研究工作与总结
• 6.2 研究工作的展望
• 参考文献
• 个人简历及学术论文发表
• 致谢