（材料学专业论文）轻质高强混凝土脆性机理与改性研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ow u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed o c t o r sd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nb r i t t l e n e s sm e c h a n i s ma n dm o d i f i c a t i o n o fh i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h tc o n c r e t e p h d c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： m a j o r ： j i a n gc o n g s h e n g p r o f h us h u g u a n g m a t e r i a l ss c i e n c e w u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y w u h a n4 3 0 0 7 0 ，h u b e i ，p r c h i n a n o v e m b e r , 2 0 1 0 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 巫帐狸蛸 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。套够导师。： 日期加m ，f 矽 r 、j 。；- c 砥 i l ：人寸f 盘v t f ， 0 t 。 砧搏 - k r 小 v ，、 0 j i v 材料科学基础理论研究与应用技术开发的主要目标。 论文依托国家自然科学基金项目“高强轻集料混凝土的脆性特征及其增韧技 术( 编号：5 0 2 7 2 0 4 5 ) 9 9 9 运用细观力学原理与分析方法，对轻集料混凝土的断 裂力学行为进行了数值模拟分析与试验验证，探明了轻集料混凝土中的脆性机 理。在此基础上，提出轻质高强混凝土韧化设计方法，系统研究了高韧性轻质 高强混凝土的配比优化设计方法，掌握了高韧性轻质高强混凝土的配比关键技 术参数及其系统增韧技术，并将研究成果成功应用于实际工程。 论文开展的主要工作和取得的重要成果有： 依据轻集料混凝土组成与结构特点，利用蒙特卡罗方法研究提出了轻集料 混凝土随机集料分布物理模型，结合轻集料的几何形态和级配分析计算，构建 出可供有限元计算与分析的轻集料混凝土数值模型，确定了混凝土细观单元体 尺度与断裂性质的关系以及有限元单元体网格划分方法，分析设定了各种应力 作用条件下的材料破坏准则，探讨了轻集料水泥石界面层性能对混凝土断裂力 学行为的影响，提出了轻集料混凝土断裂行为的细观非线性有限元分析方法， 构建出轻集料混凝土断裂行为数值模拟分析模型。 利用细观非线性有限元模型实现了轻集料混凝土的准静态断裂过程数值模 拟，分别对单轴拉伸、单轴压缩、三点弯曲应力作用下轻集料混凝土的断裂行 为进行了细观力学分析，得到了不同应力作用下轻集料混凝土的应力应变曲线， 获得了不同加载时刻轻集料混凝土内部应力分布状态，探明了轻集料混凝土中 裂缝产生、扩展规律，并实时原位观测了轻集料混凝土从加载开始到最终破坏 全过程的裂纹扩展和变形状态，探明了轻集料混凝土的脆性断裂破坏机理。 基于轻集料混凝土脆性断裂行为的细观力学分析结果，提出了轻集料混凝 土裂缝扩展路径曲化、界面韧化的轻质高强混凝土增韧设计原理、方法，提出 了利用高强高韧性颗粒物质取代轻集料制备高韧性轻质高强混凝土的技术方 武汉理工大学博士学位论文 法，系统研究了普通集料取代率、普通集料级配设计对混凝土力学性能、密度 与韧性指数的影响，确定了最佳的材料制备参数，实验表明在普通集料取代轻 集料3 0 以上的情况下，轻质混凝土的延性指数可提高4 0 以上，大大改善了 轻质高强和混凝土的脆性。开发了轻集料聚合物浸渍与界面增韧剂复合增韧轻 集料水泥石界面改性技术，显著改善了轻集料混凝土的脆性。 探讨了水胶比、轻集料的体积率、胶凝材料组成主要因素对轻质高强混凝 土强度、密度与韧性的影响规律，掌握了协调强度、密度与脆性的混凝土配比 优化设计方法，系统研究了纤维、聚合物增韧技术对于轻质高强混凝土韧性的 影响规律，开发了适于轻质高强混凝土的纤维与聚合物增韧技术。 综合应用以上集成技术，研制开发出高韧性轻质高强混凝土，总结提出了 高韧性轻质高强混凝土应用成套关键技术，成功将其应用于钢箱梁桥面铺装工 程与预应力混凝土桥梁工程，并取得显著的经济与社会效益。 关键词：轻集料；轻质混凝土；脆性机理；断裂行为；增韧技术 i i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t c o n c r e t ei st h em o s tw i d e l yu s e dc o n s t r u c t i o nm a t e r i a la n d i t si n t r i n s i c d i s a d v a n t a g e sa r eh e a v yd e a dw e i g h ta n dp r o m i n e n tb r i t t l e n e s s 1 1 1 ei m p r o v e m e n t i nb r i t t l e n e s so fc o n c r e t ew i t hl i g h t w e i g h ta n dh i 曲s t r e n g t hi so ft h em o s te f f i c i e n t r o u t e st oi n c r e a s et h eu s ee f f e c t i v e n e s s ，r e d u c et h ed e a dl o a do fs t r u c t u r e s a n d c o n s e r v ec o n s t r u c t i o nr e s o u r c ea n de n e r g y , i ti sa l s ot h em a i n t a r g e tf o rt h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to fc o n c r e t em a t e r i a l s u n d e rt h es u p p o r to fn s f c ( n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u d a t i o no fc h i n a ) g r a n t ，n l eb r i t t l e n e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt o u g h e n i n gt e c h n o l o g yo fh i g hs t r e n g t h l i g h tw e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( l w a c ) ”( 5 0 2 7 2 0 4 5 ) 1 1 h ef r a c t u r a lm e c h a n i c a l b e h a v i o ro fl w a ci s n u m e r i c a l l ym o d e l e da n de x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e db y m e s o m e c h a n i c sa n dt h eb r i t t l e n e s sm e c h a n i s mi s e x p l o r e d b a s e do nt h i s ，t h e t o u g h e n i n gm e t h o do fl w a ci sp u tf o r w a r da n dt h em i xd e s i g ni ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d ，f r o mw h i r ，k e yp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da n dt h er e s e a r c ho u t c o m ei s a p p l i e d t os o m ep r o j e c t s t h ep r i m a r yr e s e a r c hc a r r i e do u ta n dr e s u l t so b t a i n e da r ea 8f o l l o w s ： b a s e do nt h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fl w a c ，m o m ec a r l om e t h o di s e m p l o y e dt op u tf o r w a r dt h er a n d o ma g g r e g a t ed i s t r i b u t i o nm o d e lo fl w a c ；t h e m o d e lo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sc o n s t r u c t e db a s e do nt h eg e o m e t r ya n d g r a d i n go fl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ( l w a ) ，f r o mw h i c h ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e s o u n i td i m e n s i o na n df r a c t u r ep r o p e r t yo f c o n c r e t e ，a n dt h em e s h i n go ff e me l e m e n t s ； 砀ef a i l u r ec r i t e r i au n d e rv a r i o u ss t r e s sl e v e l sa r ea n a l y z e d 。a n dt h ei n f l u e n c eo f l w a c e m e n ti n t e r f a c eo nt h ef r a c t u r a lm e c h a n i c a lb e h a v i o r ；t h em e s on o n 1 i n e a r f e mo ft h ef r a c t u r a lm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fl w a ci sp u tf o r w a r da n dt h em o d e l f o rn u m e r i c a la n a l y s i si sc o n s t r u c t e d q u a s i s t a t i c f r a c t u r e p r o c e s so fl w a ci sn u m e r i c a l l ym o d e l e db ym e s o n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e l ；t h ef r a c t u r eb e h a v i o ro fl w a ci s i n v e s t i g a t e db y u n i a x i a l e x t e n s i o n ，c o m p r e s s i o n ，t h r e e - p o i n t f l e x u r a l e x p e r i m e n t s a n dt h e 武汉理工大学博士学位论文 c o r r e s p o n d i n gs t r e s s s t r a i n c b r v e sa n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t h i nc o n c r e t ea r e o b t a i n e d t h ec r a c kg e n e r a t i o n , p r o p a g a t i o nw i t h i nl w ai sc l a r i f i e da n dm o n i t o r e d i ns i t uf r o mt h es t a r to fl o a d i n gt ot o t a lf a i l u r e ，f r o mw h i c h ，t h eb r i t t l ef a i l u r e m e c h a n i s mi sd e m y s t i f i e d b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，t h et o u g h e n i n gm e t h o db yw i n d i n gt h ec r a c k p r o p a g a t i o np a t ha n dt o u g h e n i n gt h ei n t e r f a c ei sp u tf o r w a r d ，a n dt h er e p l a c e m e n to f l w a b yh i g hs t r e n g t h ，h i g hf l e x i b i l i t ym a t e r i a lt op r e p a r eh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ei s p u tf o r w a r d t h ee f f e c to fr e p l a c e m e n tr a t i o ，c o n v e n t i o n a lm i xd e s i g nm e t h o do n m e c h a n i c a lp r o p e r t y , d e n s i t ya n dt o u g h e n i n gi n d e xo fc o n c r e t ei si n v e s t i g a t e da n d t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d r e s u l t si n d i c a t et h a tw i t har e p l a c e m e n tr a t i o o f a b o v e3 0 ，t h ed u c t i l i t yi n d e xo fl i g h t w e i g h tc o n c r e t ei si n c r e a s e db y4 0 t h e c o m b i n a t i o no fp o l y m e ri m p r e g n a t i o na n di n t e r f a c et o u g h e n i n gt oi m p r o v et h e l w a c e m e n tp a s t ei n t e r f a c ei sp u tf o r w a r da n dt h eb r i t t l e n e s so fc o n c r e t ei sg r e a t l y i m p r o v e d t h ee f f e c to fw b ，l w av o l u m ea n dt h ec o m p o s i t i o no fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s o ns t r e n g t h ，d e n s i t ya n dt o u g h e n i n go fc o n c r e t ei ss t u d i e da n dt h em i xd e s i g n m e t h o db yo p t i m i z i n gs t r e n g t h ，d e n s i t ya n db r i t t l e n e s si sm a s t e r e d ；t h ee f f e c to f f i b r e ，p o l y m e rt o u g h e n i n go nt h et o u g h e n i n go fl i g h t w e i g h tc o n c r e t e c o n c r e t eo fh i g l ls t r e n g t h ，t o u g h n e s sa n dl i g h tw e i g h ti s d e v e l o p e db yt h e i n t e g r a t i o no ft h ea b o v et e c h n i q u e s a n di t s a p p l i c a t i o nk e yt e c h n o l o g i e s a l e s u m m a r i z e d i th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt os e v e r a lp r o j e c t so ft h ep a v i n go f s t e e lb o xb r i d g ea n dp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g e sw i t hn o t i c e a b l ee c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，l i g h t w e i g h tc o n c r e t e ，b r i t t l e n e s sm e c h a n i s m ， f r a c t u r eb e h a v i o r , t o u g h e n i n gt e c h n o l o g y i i 1 4 存在的主要问题一1 4 1 5 研究目标和研究内容15 第2 章轻集料混凝土断裂行为数值分析模型的构建1 7 2 1 轻集料的脆性1 7 2 2 荷载作用下轻集料混凝土的内力分析1 8 2 3 轻集料与水泥石的界面：。1 9 2 4 轻集料混凝土断裂行为数值分析模型建立2 0 2 4 1 随机骨料结构模型设计2 0 2 4 2 断裂行为有限元分析方法2 6 2 4 3 轻集料水泥石界面层的影响2 7 第3 章轻质高强混凝土断裂行为的数值分析3 1 3 1 单轴拉伸作用下混凝土的断裂行为数值分析3 1 3 2 单轴压缩作用下混凝土的断裂行为数值分析3 5 3 3 三点弯曲作用下混凝土的断裂行为数值分析3 8 3 4 轻集料混凝土细观断裂的试验研究4 2 3 4 1 样品制备与试验方法4 2 3 4 2 试验结果与分析4 3 第4 章轻质高强混凝土的韧化设计原理与方法。4 6 4 1 裂缝在混凝土中的扩展模式4 6 4 2 轻集料混凝土韧化设计原理与方法4 7 4 3 裂缝扩展路径曲化增韧设计4 9 武汉理工大学博士学位论文 4 3 1 原材料4 9 4 3 2 试验方法5 0 4 3 3 试验方案设计5 2 4 3 4 实验结果与分析5 2 4 4 轻集料混凝土界面区韧化设计5 6 4 4 1 界面韧化工艺5 6 4 4 2 轻集料聚合物浸渍增韧5 7 4 4 3 界面增韧剂的组成优化设计及其制备5 8 4 4 4 试验结果与分析5 9 第5 章高韧性轻质高强混凝土的配比设计与优化。6 l 5 1 混凝土强度、密度与脆性的关系6 1 5 2 高韧性轻质高强混凝土的配比设计一6 2 5 2 1 主要原材料。6 2 5 2 2 结果与分析6 3 5 3 轻质高强混凝土的增韧技术k 6 6 5 3 1 纤维增韧6 6 5 3 2 聚合物增韧技术7 1 第6 章高韧性轻质高强混凝土的应用及其关键技术7 5 6 1 钢桥桥面铺装工程的应用7 5 6 1 1 技术应用背景7 5 6 1 | 2 工程概况7 7 6 1 3 技术方案与效果j 7 7 6 2 预应力混凝土桥梁结构工程的应用8 6 6 2 1 技术应用背景8 6 6 2 2 工程概况8 7 6 2 3 技术应用与效果- 8 8 第7 章结论与展望9 1 7 1 结论9 1 7 2 展望9 4 参考文献9 5 、 攻读博士期间发表论文、参加科研项目及获奖情况1 0 1 1 i l i ：谢1 0 3 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 混凝土具有原料来源广泛、制备工艺简便、成型加工容易、成本低廉、力 学性能优良等特点，被广泛应用于民用建筑、桥梁、隧道、水利水电、地下空 间等各类建筑工程，是当今世界用量最大、用途最广的人- r _ $ u 备建筑材料。据 统计，近年来我国混凝土年产量已超过7 0 亿吨，占世界总产量的4 5 以上【1 捌。 一方面，国民经济建设需要大宗混凝土建筑材料，另一方面，混凝土材料 又是资源与能源消耗最多的建筑材料，制备数十亿吨混凝土需要使用大量水泥、 天然砂石集料，长期巨大的混凝土生产与应用量已给环境造成沉重的负荷，影 响到经济社会的可持续发展。 面对社会经济快速发展对混凝土的巨大需求与混凝土业发展给环境造成的 负荷日益沉重的矛盾，国家正在从制造业环境保护、混凝土制备技术升级等各 个方面采取措施以寻求混凝土产业的可持续发展措施，如在混凝土技术层面， 国家正在组织开展以节能、降耗、利废和高效为宗旨的环境友好型建筑材料的 基础研究，如通过水泥生产过程的技术改进或在水泥和混凝土中掺用辅料以实 现节能降耗的目的，通过水泥混凝土服役行为的基础研究开发延长混凝土工程 的服役寿命技术等等。 此外，针对混凝土材料自重大而提出的减重技术也是一条非常有效的节约 资源和能源措施。有专家指出，轻质高强化是混凝土材料的重要发展方向【3 1 。研 究表明【4 】，混凝土材料自重大，是结构截面大、钢筋配置高的根本原因，若混凝 土自重能够减轻1 0 0 旷2 0 ，建造同样面积的建筑仅混凝土方量即可节省1 0 以 上，节约钢筋用量5 左右。显然，减重是实现节材、节资的一条非常有效的途 径。 混凝土材料是由颗粒状粗细集料、水泥、水以及化学减水剂和矿物外加剂 按特定比例复合制各而成并经过胶凝、硬化过程得到的一种建筑材料。根据其 组成，混凝土材料的减重措施主要有引入气泡、使用轻质集料、填充泡沫等轻 质物料等，但加气混凝土与泡沫混凝土的强度较低，只能用于民用建筑的围护 武汉理工大学博士学位论文 结构，难以作为主体结构材料使用。 轻质集料包括天然和人工制备的轻集料，是一种多孔材料，根据用途不同 分为结构型、保温型与结构保温型三类。其中，结构轻集料具有高强、吸水率 小的特点，将其引入混凝土中既可有效降低自重，又可避免混凝土强度明显降 低，因此被认为是最有效的混凝土减重技术路线。除此之外，使用轻集料还可 利用轻集料多孔的特点而赋予混凝土保温、吸音等功能特点。正因为如此，使 用轻集料全部替代普通集料制备的密度等级小于1 9 5 0 k g m 3 的轻集料混凝土已 在结构工程得到了较为广泛的使用，尤其是对于具有较大比例结构恒载的高层 建筑、大跨径桥梁以及海洋工程等意义显得更为重要。 然而，轻集料混凝土的脆性突出、工作性能难于调控以及强度相对较低等 问题制约了轻集料混凝土在结构工程的应用。因此对轻集料混凝土的脆性破坏 特征及其增韧技术展开深入和系统的研究无疑具有重要的科学意义与工程应用 价值。 1 2 轻集料混凝土的脆性 1 2 1 混凝土材料的脆性 图1 1 【3 】列出了水泥、混凝土、玻璃、陶瓷、钢等材料的弯曲强度与断裂能。 一般把g f = 1 0 0 0 j , v 1 2 作为区分韧性与脆性材料的阀值，由图可见水泥、混凝土、 玻璃与陶瓷均属于脆性材料范畴，就抗弯强度而言，水泥与混凝土是图中所示 l o o 1 - 2 l 移3f m p 囊 图1 - 1常用工程材料的断裂能与抗弯强度比较 2 蚺 ” 戢 锨 舢 ， l ， ， ， ， 武汉理工大学博士学位论文 各类材料中最小的。 混凝土是一种极复杂的非均质多相体，主要由水泥水化产物、少量气孔和 未水化的水泥熟料颗粒以及砂石集料组成。水泥水化产物包括晶体( c a ( o h ) 2 、 钙矾石晶体，体积百分比约2 7 ) 、结晶度差的c s h 凝胶( 体积百分比约占7 2 ) 及无定形相，其中水泥凝胶最基本的结构单元是硅氧四面体( 如图1 2 、图1 3 ) ， 无论硅氧四面体本身或是它们之间，硅和氧都是以共价键的形式结合的，而钙 等金属离子与硅氧四面体的结合则主要为离子键形式【3 】。众所周知，共价键和离 子键的断裂需要很高的能量，而要使硬化水泥浆体发生断裂就必须克服共价键 和离子键的键能，故这也是混凝土材料具有较高强度的本质原因。但是，与金 属材料相比，金属材料中的原子排列更为紧密，易引起位错的移动，故具有良 好的延性，而混凝土中组成离子键和共价键的原子相互之间有较多空隙，难以 引起位错的移动，且共价键有方向性，故离子键和共价键在断裂时几乎不产生 任何变形，在宏观性能上，这种组成特性和微观结构表现为材料的强度高、延 伸率小、脆性大。因此，脆性是混凝土材料的固有特点。脆性大小主要与材料 在破坏过程中裂缝的引发和扩展速率有关，裂缝由引发到迅速扩展的间隔时间 越短，材料的脆性特征就越明显。 硅赢于 o 辑氟子 钙最子 图1 2 硅氧四面体图1 3 硅酸盐结构二维示意图 混凝土是一种原材料组成、结构极其复杂( 大多情况下是有机、无机非金 属与金属材料组成相复合，气、液、固相三相共存) ，制备过程不确定因素较多， 使用环境和受力状态多变的工程材料。受原材料和制备条件的影响，混凝土内 部存在着不同程度的结构缺陷。在外部荷载的作用下，混凝土微裂缝经过扩展、 贯通直至连续，最终造成混凝土发生破坏，整个过程呈现脆性破坏的特征。混 凝土脆性断裂，不仅使材料的高强效能不能得到充分发挥，而且还会带来灾难 性的工程事故。因此，关于混凝土断裂机理、断裂行为及其增韧技术的研究一 武汉理工大学博士学位论文 直是本领域的研究难点与热点。 在材料组成与结构上，混凝土具有多尺度属性。例如，所用集料属于宏观尺 度，集料与水泥石的界面层属于细观尺度，以及水泥水化产物诸如c s h 凝胶 物质属于微观尺度。相应研究各种尺度上的力学问题时所采用的力学理论与方 法各不相同，宏观力学性能研究采用断裂力学理论与方法，细观断裂力学采用 细观力学理论与方法。 早在上世纪中期，国际上对于混凝土断裂力学的研究就比较活跃。采用格 里菲斯经典断裂力学模型模拟分析混凝土的脆性破坏过程是最常用的混凝土断 裂力学分析方法，断裂力学分析是结构设计的基础。随着细观力学的发展，国 际上一些学者开始应用细观力学的理论在细观尺度上研究分析混凝土的断裂破 坏特征，利用细观力学分析应力作用下裂缝产生与扩展行为以及材料内部应力 分布与发展等等比较有效，因此得到混凝土材料断裂行为研究者的青睐。 1 2 2 混凝土脆性表征方法 关于混凝土脆性大小的评价也一直是相关研究的重点，各研究团队相继提 出了混凝土脆性大小的评测体系。如美国、日本、挪威混凝土协会、。a s t m 以 及中国等都相继提出了不同的混凝土韧性评测指标，如折压比、断裂韧性指数、 弯曲韧性指数等，其各有特点。对于不同的评测指标，采用了不同的试验方法 和不同的评测指标参数，这些方法并不统一。当前比较常用的韧性评测方法主 要有： ( 1 ) 折压比或弯压比：是最常用和最为简便的表征混凝土材料韧性大小的参 数，通过测试试件( 一般采用1 0 0 m m 1 0 0 m m x 4 0 0 m m ) 的同龄期抗压强度与抗 折强度，计算出抗折强度或抗弯强度与抗压强度之比来表征混凝土的脆性大小。 折压比或弯压比越大表明混凝土的韧性越好，反之越差，其优点是简便、直观， 但是没有从本质上反映材料韧性的实质，而且对于脆性比较突出的材料，难以 比较精确地反映各种技术措施之间的差异。 ( 2 ) 能量法【3 】：即材料受力至破坏时吸收能量的能力用荷载变形曲线所围面 积为参数来表示，具体有以下几个方法： o a c i 提出的韧度指数法【5 】：这是a c i5 4 4 委员会提出的一种韧性评测方法， 是一种无量纲指数法，用能量来表征混凝土在某一特征点后增韧作用特性。采 4 i i 武汉理工大学博士学位论文 用1 0 0 m mx 1 0 0 m m x 3 5 0 m m 的抗折试件，其跨度为3 0 0 m m ，采用三分点加荷， 如图1 - 4 所示，当跨中挠度6 = 1 1 6 0 ，即蹄1 9 m m 时，韧度指数t i 用韧度与初 裂韧度的比值表示，即： z 上：尘旦( 1 - 1 ) 4 式中： a初裂点。 a 1 从零点到初裂点时荷载位移曲线下的面积。； a 2 从初裂点到挠度为1 9 m m 时荷载一位移下的面积。 图1 4a c i5 4 4 提出的的韧度指数法 s c i 提出的韧度指数法【6 】：1 9 8 3 年，j c is f r c 委员会提出采用弯曲韧度 系数o b 表示混凝土的韧性，如图1 5 所示。实际上，挠度为t b 时6 的折算平均 抗折强度( n r a m 2 ) 即为弯曲韧度系数6 b 。这种方法的优点是应用方便，可与 抗折强度比较，并与初裂点的位置无关。而该法的缺点在于基准挠度t b 取值问 题，若取值过大，测试时间相应增大，若取值过小，与最大荷载时挠度相近， 则难以充分反映钢纤维对混凝土的增韧效果。 5 武汉理工大学博士学位论文 鑫i m m 图1 - 5j c is f r c 委员会韧度指数法 ( 量) a s t mc 1 0 1 8 韧度指数法【7 】：该方法是目前应用最为广泛的一种方法。即 采用理想弹塑性体作为材料韧性的参考标准，终点挠度的选取为初裂点挠度6 的倍数( 3 0 ，5 5 ，1 5 5 ) 。 相比之下，a s t mc 1 0 1 8 韧度指数评测方法的最大不足是所有的韧性指标都 依赖于初裂挠度值。但实际情况中，混凝土的初裂挠度是很难准确测定的，实 验结果存在较大的人为性，该方法中的韧度指数是采用试件吸收能量相对值来 评价混凝土的韧性的，该值与工程设计中承载力设计值或强度指标等联系不大， 且能量吸收值大小有一定的尺寸效应，这给设计参数的选取和工程质量的检测 造成困难。 日本j s c e 方法 8 】：采用三分点梁进行试验，试件尺寸为 l o o m m 1 0 0 m m x 3 5 0 m m ，梁跨度为3 0 0 r a m 。用挠度为u 1 5 0 时荷载挠度曲线下 的面积表示韧性，而韧度因子由加载到挠度为u 1 5 0 时的平均强度值来表示，如 图1 - 6 所示。 图1 - 6 日本j s c e 方法的韧性和韧性因子 6 武汉理工大学博士学位论文 韧度因子( 或韧度系数) 仃为 孑= 瓦( 6 h 2 既) ( 1 - 2 ) 式中，以为给定的挠度1 1 5 0 ；l 为跨度，i l l n l ；h 为梁高度，m m ；b 为梁宽 度，i l l m ；五为o a b c 下的面积。 在混凝土韧度指数评测方法中，与a s t m 法相比，j s c e 方法可以较好地表 征纤维种类、体积率等参数对混凝土韧性的影响，且韧性因子为强度的量纲， 更适合结构设计的需求。 ( 亘) j g t 3 0 6 4 弯曲韧性指数测试方、法【9 1 。钢纤维混凝土j g t 3 0 6 4 1 9 9 9 提 出通过测试混凝土的荷载挠度曲线，计算得到混凝土的弯曲韧性指数”5 、1 1 l o 、 r 1 3 0 。该标准采用韧性指数为1 1 5 ，1 1 l o ，1 1 3 0 作为弯曲韧性指标，如图1 7 所示。1 1 5 ， q l o ，1 1 3 0 通过计算公式( 1 3 ) 求得，分别表示为3 倍、5 倍、1 5 5 倍初裂挠度对 应的韧度与初裂挠度的比值。此方法假定理想弹塑性材料的韧性指数值分别为 1 l s = 5 ，1 1 l o = 1 0 ，1 1 3 0 = 3 0 ，因此，实际上测试计算得到的弯曲韧性指数能反映出钢 纤维混凝土材料与理想弹塑性材料的偏离程度。 伽面积伽砑面积 铹缎t j n )、 驴熙( 1 - 3 ) 吖3 0 o a b 面积 图1 7 弯曲韧性指数1 1 5 、t 1 l o 、t 1 3 0 ( 3 ) n c a 挪威混凝土协会残余强度法【l o 】：此方法与a s t mc1 0 1 8 的试验设 备相同，其试件尺寸为h = 7 5 m m ，d = 1 2 5 m m ，l = 4 5 0 m m 。钢纤维混凝土的韧度等 级是通过对挠度在l m m ( 1 4 5 0 的跨度) 至3 m m ( 11 5 0 的跨度) 之间的荷载挠度曲线 7 t 瓢飞 武汉理工大学博士学位论文 进行等级分析来确定的。其优点在于：初裂点的大小对测试结果影响较小； l m m - - - , 3 m m 的挠度区间基本排除了荷载一挠度曲线不稳定部分，有利于提高测试 的精确性；数据分析模型比较简单，便于数据分析。但是，该方法仍存在一些 缺点，即采用的试件尺寸与其他试验标准的试件尺寸完全不同，故与其它试验 指标对比时试验计算值分析起来相当复杂；同时，残余强度是有量纲的值，一 定程度上影响了该标准的应用；另外，因残余强度在试验过程中易受试验环境 的影响，故存在很大的不稳定性，会影响到韧性分级结果。 ( 4 ) 韧性等级水平法【n 】：该方法是b a n t h i a 等提出的。采用的试件尺寸与 a s t m 方法相同。将韧性分为5 个等级水平。未掺纤维或掺0 1 的合成纤维的 混凝土水平为0 ，韧性用给定挠度值的设计荷载的百分比来表示。其三分点的加 载方法也与a s t m 方法一致，不需要闭环控制系统，采用日本的y o k e 方法测定 挠度，并消除附加挠度。先建立一个表示为设计承载力的百分比的模板，如图 1 8 所示。 图1 - 8 混凝土的韧性等级模板【1 1 】 1 2 3 轻集料混凝土及其脆性 ( 1 ) 轻集料混凝土 轻集料混凝土是指用轻粗集料、轻砂或普通砂、水泥和水配制而成的干表 观密度小于1 9 5 0 k g m 3 的混凝土【1 2 】。根据细集料种类不同可将轻集料混凝土分为 全轻混凝土和砂轻混凝土【l2 1 ，通常所指的轻集料混凝土表示的是砂轻混凝土， 即细集料采用河砂、粗集料采用轻集料的混凝土，这种混凝土强度较高、密度 轻，因此在结构工程中具有较大的应用潜力。 武汉理工大学博士学位论文 轻集料混凝土的高性能化是其主要发展方向。高性能轻集料混凝土是指高 强、轻质、体积稳定性和耐久性优良的新型混凝土。近几年来，国内外高强轻 集料混凝土技术发展非常迅速，如今已有大量工程使用了l c 5 0 一l c 6 0 的高强轻 集料混凝土【1 3 1 4 】。有资料表明【1 3 】，如果采用堆积密度为9 0 0 k g m 3 的高性能轻集 料，甚至可以配制出表观密度为2 0 7 0 k g m 3 、抗压强度达1 4 0 m p a 的超高强轻集 料混凝土。许多学者对于高性能轻集料混凝土的耐久性进行了较多的研究，他 们的研究表明高性能轻集料混凝土具有与高性能普通密度混凝土相当的耐久 性，例如5 0 m p a - 1 0 0 m p a 的高强轻集料混凝土具有非常低的渗透性和良好的抗 冻性【1 5 - 1 7 1 。 本世纪初期，人们发现把经过预湿处理的轻集料加入到混凝土中具有内养 护作用，可减小混凝土的早期自收缩，提高混凝土的强度与抗渗性能。这种混 合集料混凝土在海洋平台、港口工程获得了应用。例如，北海t r o l la 采油平台 使用了强度达到7 0 m p a 以上、密度在2 2 0 0 k g m 3 左右的混合集料混凝土【1 8 】，冰 岛的一个港口使用天然的火山渣与普通集料制备了强度达到1 0 0 m p a 以上的超 高强混凝土，实践证明其具有较好的抗海水侵蚀与耐磨性能【l3 1 。我国的丁庆军 教授等【1 9 垅】对由轻集料与普通集料共同配制而成的轻质混凝土的宏观力学性能 与耐久性进行了研究，并探讨了轻集料内养护作用对混凝土微观结构与宏观性 能的影响，但尚未有与该轻质混凝土断裂行为相关的研究报道。 ( 2 ) 轻集料混凝土的脆性 。 与普通密度混凝土的脆性受到的重视程度相比，轻集料混凝土的脆性并没 有引起人们足够的重视。此前与此相关的研究开展的较少，这与轻集料混凝土 应用范围不如普通混凝土广有关。在国外，轻集料混凝土发展的最高峰出现于 上世纪4 0 5 0 年代，此后受西方发达国家基础设施建设规模缩小的影响，轻集 料混凝土在结构工程的应用大大减少，因此有关轻集料混凝土脆性方面的研究 成果也比较少。 我国自本世纪初期开始开展高强轻集料混凝土的研究与技术开发，许多研 究单位比较注重轻集料混凝土材料的制备与工程应用技术研究，但对其材料设 计与性能方面的基础研究不够重视。 应力( 力) 一应变( 变形) 间的关系即材料的本构关系，它是材料的基本特性。对 于混凝土材料而言，从其应力应变关系图线可直观的反映出其脆性大小，应力 应变曲线下降段越陡代表混凝土的脆性破坏特征越显著。王发洲【2 3 1 、丁建彤【2 4 】 9 武汉理工大学博士学位论文 等人研究了轻集料混凝土与普通混凝土应力应变关系。如图i - 9 所示，在相同 混凝土强度等级条件下( 图中p i 和t - i 、p 3 和1 - 3 ) ，在曲线的上升阶段，轻 集料混凝土的应力应变曲线较普通混凝土平缓，峰值应变则高于普通混凝土， 这表明轻集料混凝土在达到峰值强度之前比普通混凝土吸收了更多的能量。而 在达到峰值强度之后，其下降阶段中轻集料混凝土的应力应变曲线比普通混凝 土陡，这表明轻集料混凝土破坏时的脆性特征更加显著 2 5 1 。 在荷载作用下，混凝土的破坏过程分为四个阶段，即裂缝产生( 收缩