纖維增強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纖維所形成的具有較高韌性的復合材料。隨著FRC材料的廣泛應用，改進纖維混凝士結(jié)構的設計方法，建立合理的FRC斷裂判據(jù)成為廣大科學工作者關注的問題。由于纖維混凝土體系的復雜性，國內(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、 纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)復合材料由于其優(yōu)異的性能，使FRP加固混凝土結(jié)構的研究和工程應用在近年來得到了迅速發(fā)展。眾多的工程實踐和試驗研究表明，F(xiàn)RP與混凝土的剝離是FRP加固混凝土結(jié)構破壞的主要形態(tài)之一，是決定加同成功與否和制約預期加固成效的關鍵因素。目前，關于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。這些試驗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、但與實際的FRP加固混凝土結(jié)構中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價?如何建立與FRP和混凝土粘結(jié)強度計算銜接的FRP和SFRC粘結(jié)強度的計算模式?目前還沒有試驗研究。 本文基于斷裂力學基本理論，研究了鋼纖維增強混凝土(steel fiber reinforced con

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

5、h-strength concrete，HFHSC)的斷裂性能。并利用切口三點彎曲梁粘貼FRP修正梁試驗方法研究了FRP片材與混凝土以及與SFRC的粘結(jié)性能。主要研究內(nèi)容如下： 1．通過13組共72個尺寸為100mm×l00min×515mm切口梁試件的三點彎曲試驗，研究了鋼纖維體積率(ρf)和鋼纖維類型對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及其對比組混凝土三點彎曲梁試件的裂縫開展是圍繞某一點轉(zhuǎn)動，當CMOD達到某一定值后，CTOD/CMOD趨于一定值，轉(zhuǎn)動因子r趨于穩(wěn)定，且隨著ρf的增加，r有減小的趨勢；鋼纖維類型對r影響不顯著?；炷恋膔值為1.001，SFRC的r值

7、為1.1234。基于對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立了與普通混凝土斷裂參數(shù)計算相銜接的SFRC斷裂參數(shù)計算模式和修正的SFRC斷裂參數(shù)計算模式。 2．通過26組共144個尺寸為100mm×100min×515mm切口梁試件的三點彎曲試驗，研究了pf、切口深度和鋼纖維類型等對SFHSC的斷裂韌度、斷裂能、臨界裂縫張開位移和轉(zhuǎn)動因子等的影響，探討了混凝土基體強度和試驗方法對上述斷裂參數(shù)的影響。結(jié)果表明：在高強混凝土(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SFHSC及其對比組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；不同混凝土基體強度影響鋼纖維效應的發(fā)揮，試驗方法對試驗結(jié)果的影響不顯著；對應于某一切口深度，銑削型SFHSC的轉(zhuǎn)動因子值

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

10、了聚丙烯纖維摻量(W<,f>)對PPHSC斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫張開位移影響。試驗結(jié)果表明：在試驗聚丙烯纖維摻量范圍內(nèi)，聚丙烯纖維的加入對HSC斷裂韌度影響不顯著，可以有限提高HSC的斷裂能，但是對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，PPHSC的CMOD<,C>和CTOD<,C>呈下降趨勢，CMOD<,C>和CT

11、OD<,C>增益比與W<,f>之間沒有相關性；試驗方法對PPHSC斷裂參數(shù)有不同程度的影響，尤其對G<,F>的影響最為顯著。聚丙烯纖維主要改善高強混凝土裂后行為。最后基于試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立了PPHSC斷裂參數(shù)的計算模式。 4．通過10組共55個尺寸為100mm×100mm×515mm切口梁試件的三點彎曲試驗，研究了鋼纖維和聚丙烯纖維混雜增強高強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。試驗結(jié)果表明：在試驗鋼纖維和

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；HFHSC斷裂參數(shù)隨ρf的增加都表現(xiàn)出良好的增加趨勢；鋼-PP纖維整體上表現(xiàn)了較好的正混雜效應，尤以斷裂能混雜效應最為顯著；鋼纖維在HFHSC斷裂性能改善方面起主導作用，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個尺寸為100mm×100mm×515mm的FRP片材加同切口三點彎曲切口混凝土梁的粘結(jié)試驗，研究了碳纖維增強聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)片材粘結(jié)厚度、粘結(jié)長度和混凝土強度等級等對加同梁峰值荷載、峰值撓度及CFRP與混凝土粘結(jié)性能、有效粘結(jié)長度和FRP粘結(jié)應力分布的影響，分析了玻璃纖維增強聚合物(glass fiber reinforced polymer,GFRP)粘結(jié)厚度對

14、加固梁峰值荷載和GFRP與混凝土粘結(jié)性能及粘結(jié)應力分布等的影響，同時，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，隨著CFRP厚度的增加，加固梁撓度呈減小的趨勢，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)長度等影響FRP與混凝土之間極限粘結(jié)力，其增強效應與FRP厚度為非線性關系；混凝土強度等級對CFRP與混凝土粘結(jié)性能影響不顯著；有效粘結(jié)長度與FRP剛度有關，CFRP粘結(jié)長度超過有效粘結(jié)長度后，其與混凝土的粘結(jié)性能不再提高。基于試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，提出了適用性較強的FRP片材與混凝土有效粘結(jié)長度和極限粘結(jié)力的計算公式，并結(jié)合前人試驗成果對本文計算公式進行了驗證，計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好。 6．通過16組共

16、80個尺寸為100mm×100mm×515mm的CFRP片材加固SFRC切口三點彎曲梁和對比組混凝土切口三點彎曲梁的粘結(jié)試驗，研究了ρf、CFRP粘結(jié)長度等對CFRP與SFRC粘結(jié)性能的影響。試驗結(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，CFRP與SFRC的極限粘結(jié)力和CFRP的粘結(jié)應力也有不同程度的提高；SFRC與CFRP之間也存