纖維增強(qiáng)與加固混凝土斷裂與粘結(jié)性能.pdf

1、纖維混凝土(Fiber Reinforced Concrete，F(xiàn)RC)是在混凝土基體中均勻摻入亂向分布的短細(xì)纖維所形成的具有較高韌性的復(fù)合材料。隨著FRC材料的廣泛應(yīng)用，改進(jìn)纖維混凝士結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，建立合理的FRC斷裂判據(jù)成為廣大科學(xué)工作者關(guān)注的問題。由于纖維混凝土體系的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外在纖維混凝土斷裂性能方面的研究還不很系統(tǒng)，得到的結(jié)論著別較大，尤其是隨著混雜纖維混凝土影響因素的增加，混雜纖維混凝土斷裂性能的研究還沒有一致的結(jié)論。

2、 纖維增強(qiáng)聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能，使FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究和工程應(yīng)用在近年來得到了迅速發(fā)展。眾多的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，F(xiàn)RP與混凝土的剝離是FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要形態(tài)之一，是決定加同成功與否和制約預(yù)期加固成效的關(guān)鍵因素。目前，關(guān)于FRP與混凝土粘結(jié)性能的研究方法大多是采用單剪或雙剪試驗(yàn)。這些試驗(yàn)方法雖然可以在一定程度上反映FRP與混凝土的粘結(jié)特性，

3、但與實(shí)際的FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)中FRP受力狀況并不一致。 在混凝士基體中加入少量的纖維改善混凝土自身的特性，在本質(zhì)上表現(xiàn)為提高了混凝土基體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，從而可以改善其與FRP之間的粘結(jié)性能。但是這種改善作用如何評(píng)價(jià)?如何建立與FRP和混凝土粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算銜接的FRP和SFRC粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算模式?目前還沒有試驗(yàn)研究。 本文基于斷裂力學(xué)基本理論，研究了鋼纖維增強(qiáng)混凝土(steel fiber reinforced con

4、crete，SFRC)、鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土(steel fiber reinforced high-strength concrete，SFHSC)、聚丙烯纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土(polypropylene fiber reinforced high-strength concrete，PPHSC)和鋼纖維-聚丙烯纖維混雜增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土(hybrid steel and polypropylene fiber reinforced hig

5、h-strength concrete，HFHSC)的斷裂性能。并利用切口三點(diǎn)彎曲梁粘貼FRP修正梁試驗(yàn)方法研究了FRP片材與混凝土以及與SFRC的粘結(jié)性能。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．通過13組共72個(gè)尺寸為100mm×l00min×515mm切口梁試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了鋼纖維體積率(ρf)和鋼纖維類型對(duì)SFRC斷裂韌度(K<,IC>)、斷裂能(G<,F>)、臨界裂縫張開位移(CMOD<,C>、CTOD<,C>)和轉(zhuǎn)動(dòng)因子r等

6、的影響。結(jié)果表明：鋼纖維的加入可以顯著改善混凝土基體的斷裂性能，且隨著ρf的增加，SFRC斷裂性能均有不同程度的提高；與銑削型和剪切波紋型鋼纖維相比，切斷弓型鋼纖維可以極大地改善SFRC的斷裂性能。SFRC及其對(duì)比組混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的裂縫開展是圍繞某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)CMOD達(dá)到某一定值后，CTOD/CMOD趨于一定值，轉(zhuǎn)動(dòng)因子r趨于穩(wěn)定，且隨著ρf的增加，r有減小的趨勢(shì)；鋼纖維類型對(duì)r影響不顯著。混凝土的r值為1.001，SFRC的r值

7、為1.1234?；趯?duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立了與普通混凝土斷裂參數(shù)計(jì)算相銜接的SFRC斷裂參數(shù)計(jì)算模式和修正的SFRC斷裂參數(shù)計(jì)算模式。 2．通過26組共144個(gè)尺寸為100mm×100min×515mm切口梁試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了pf、切口深度和鋼纖維類型等對(duì)SFHSC的斷裂韌度、斷裂能、臨界裂縫張開位移和轉(zhuǎn)動(dòng)因子等的影響，探討了混凝土基體強(qiáng)度和試驗(yàn)方法對(duì)上述斷裂參數(shù)的影響。結(jié)果表明：在高強(qiáng)混凝土(high-streng

8、thconcrete，HSC)中加入鋼纖維可以極大地改善HSC的斷裂性能，且隨著ρf的增加，SFHSC斷裂性能有較大幅度的提高，尤其斷裂能的提高最為顯著；切口深度變化對(duì)SFHSC及其對(duì)比組HSC的K<,IC>和G<,F>影響沒有共同特征；切斷弓型鋼纖維與銑削型和剪切波紋型鋼纖維相比，可以極大地改善SFHSC的斷裂性能；不同混凝土基體強(qiáng)度影響鋼纖維效應(yīng)的發(fā)揮，試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著；對(duì)應(yīng)于某一切口深度，銑削型SFHSC的轉(zhuǎn)動(dòng)因子值

9、趨于一定值，且r與ρf之間沒有相關(guān)性，但隨切口深度的增加略有增加；在試驗(yàn)ρf范圍內(nèi)，銑削型SFHSC的r為0.5013。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立了與普通混凝土斷裂參數(shù)計(jì)算相銜接的適用于不同強(qiáng)度的鋼纖維增強(qiáng)混凝土斷裂參數(shù)的計(jì)算模式和改進(jìn)的計(jì)算模式；計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)的計(jì)算模式可以偏安全地通過混凝土斷裂參數(shù)預(yù)測(cè)鋼纖維增強(qiáng)混凝士的斷裂參數(shù)。 3．通過8組共44個(gè)尺寸為100mm×100mm×515mm切口梁試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究

10、了聚丙烯纖維摻量(W<,f>)對(duì)PPHSC斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫張開位移影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)聚丙烯纖維摻量范圍內(nèi)，聚丙烯纖維的加入對(duì)HSC斷裂韌度影響不顯著，可以有限提高HSC的斷裂能，但是對(duì)裂縫張開位移的改善作用有限。PPHSC的K<,IC>及其增益比與W<,f>之間沒有相關(guān)性，但隨著W<,f>的增加，G<,F>及其增益比均表現(xiàn)了良好的增加趨勢(shì)，PPHSC的CMOD<,C>和CTOD<,C>呈下降趨勢(shì)，CMOD<,C>和CT

11、OD<,C>增益比與W<,f>之間沒有相關(guān)性；試驗(yàn)方法對(duì)PPHSC斷裂參數(shù)有不同程度的影響，尤其對(duì)G<,F>的影響最為顯著。聚丙烯纖維主要改善高強(qiáng)混凝土裂后行為。最后基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立了PPHSC斷裂參數(shù)的計(jì)算模式。 4．通過10組共55個(gè)尺寸為100mm×100mm×515mm切口梁試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了鋼纖維和聚丙烯纖維混雜增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的斷裂特性和鋼纖維與聚丙烯纖維的纖維混雜效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)鋼纖維和

12、PP纖維混雜條件下，HFHSC的K<,IC>及其增益比變化與W<,f>沒有相關(guān)性，但隨著W<,f>的增加，HFHSC的G<,F>、CMOD<,C>和CTOD<,C>及其增益比均表現(xiàn)了良好的增加趨勢(shì)；HFHSC斷裂參數(shù)隨ρf的增加都表現(xiàn)出良好的增加趨勢(shì)；鋼-PP纖維整體上表現(xiàn)了較好的正混雜效應(yīng)，尤以斷裂能混雜效應(yīng)最為顯著；鋼纖維在HFHSC斷裂性能改善方面起主導(dǎo)作用，聚丙烯纖維在改善HFHSC斷裂性能方面有局限性。 5．通過18組

13、共90個(gè)尺寸為100mm×100mm×515mm的FRP片材加同切口三點(diǎn)彎曲切口混凝土梁的粘結(jié)試驗(yàn)，研究了碳纖維增強(qiáng)聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)片材粘結(jié)厚度、粘結(jié)長(zhǎng)度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)等對(duì)加同梁峰值荷載、峰值撓度及CFRP與混凝土粘結(jié)性能、有效粘結(jié)長(zhǎng)度和FRP粘結(jié)應(yīng)力分布的影響，分析了玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(glass fiber reinforced polymer,GFRP)粘結(jié)厚度對(duì)

14、加固梁峰值荷載和GFRP與混凝土粘結(jié)性能及粘結(jié)應(yīng)力分布等的影響，同時(shí)，并利用CFRP和GFRP片材的混雜，研究了混雜片材(hybrid fiber reinforced polymer, HFRP)與混凝土之間的粘結(jié)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著FRP粘結(jié)厚度的增加，加固梁的峰值荷載有不同程度的提高；加固梁撓度與FRP的材性密切相關(guān)，隨著CFRP厚度的增加，加固梁撓度呈減小的趨勢(shì)，但GFRP粘結(jié)厚度的增加可以不同程度提高加固梁撓度；FRP片材

15、剛度、粘結(jié)寬度和粘結(jié)長(zhǎng)度等影響FRP與混凝土之間極限粘結(jié)力，其增強(qiáng)效應(yīng)與FRP厚度為非線性關(guān)系；混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)CFRP與混凝土粘結(jié)性能影響不顯著；有效粘結(jié)長(zhǎng)度與FRP剛度有關(guān)，CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度超過有效粘結(jié)長(zhǎng)度后，其與混凝土的粘結(jié)性能不再提高。基于試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了適用性較強(qiáng)的FRP片材與混凝土有效粘結(jié)長(zhǎng)度和極限粘結(jié)力的計(jì)算公式，并結(jié)合前人試驗(yàn)成果對(duì)本文計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。 6．通過16組共

16、80個(gè)尺寸為100mm×100mm×515mm的CFRP片材加固SFRC切口三點(diǎn)彎曲梁和對(duì)比組混凝土切口三點(diǎn)彎曲梁的粘結(jié)試驗(yàn)，研究了ρf、CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度等對(duì)CFRP與SFRC粘結(jié)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維的加入可以在一定程度上改善混凝土基體與CFRP的粘結(jié)性能，且隨著ρf的增加，加固SFRC梁承載能力和峰值荷載均表現(xiàn)了良好的增加趨勢(shì)，CFRP與SFRC的極限粘結(jié)力和CFRP的粘結(jié)應(yīng)力也有不同程度的提高；SFRC與CFRP之間也存