（材料学专业论文）钢纤维混凝土的增强机理及断裂韧性的研究.pdf

摘要 近年柬 钢纤维温凝土啦发展髯蜷迅遂 已经得到广泛的废用 大量礤究表踺镪野维 前掺入使混凝 的菲线性及蜂德后鞔纯特性樗鄹显薯改善 钢纤维混激土的断裂性能怒钢 纤维懑凝 熬蓬要力攀性戆乏一 僵鬟翦星建薅锯终维瀑凝主凝襄黪蠖垫舔究还较步 本文引进索混凝 的双k 断裂凇则 考麟钢纤维瀹凝土的软化特性 对铡纤维滁凝土 骜溪潦橇鍪黎凝裂蘩髅戆落 冀方法逡嚣磋究 著禳援豢蘧凝 囊寮绎缭滢凝 褥差箨 辩 相关参故进行修正 搬出了通合计算钢纤维混凝土断裂韧性的方法 逶建霹掺撩不嚣长度 不满蒋菝搴辫锈瓣绥嚣袋主瓣三赢弩薅粱试验 溅褥锈纤维箍 凝 的p 矗战线 p c m o d 曲线 缝合试验结果辩锶纤缎的增强规理进行分板 姆试 俘分为纤维体积率小予临界纤维体积率 p r 户 和纤维体积率犬于临界纤维体积率 辨 矿 溪释 鬻溪 摸黎遮嚣静媾蠢鎏爨了诗葵镶野黎游凝 鬣嚣攀甏参数藜方法 趔熙零文试骏数据 计冀德裂器缎试 串救凝裂参数 怼各参数龄分辑袭鼹 爨本文撬蕊螅 方法计算钢辩雅混溅 的断璐韧性是合理韵 键表明为了充分发挥纤维的增强作用 谯实 际建爨中遥袋涎绎缝舔穰率 痤该蕊岛 妒黼 避过麓模型痰爨骜藤浮运骥礁了袭实际 应用学将起裂蜘度j 涩作势结掬物的控制指橼是有慰雉的e 掇出了纾罐滑移徽韵概念 并拟裔出纤维滑移爨和纤维特征参数的关慕式 通过对 p i 盎垒癌缓骛羧谴诧娥遵褥爨了键纾缭滠凝主浆佬燕线 虢攥豢镶驽滚灌凝 懿挺锌黢变 软化规律 爨震 露黪臻蹇熬蠹骞逮器了惑瑟 莠嚣镳簿黎邈凝 辩鬻方委瀚醑究鬟漱了旯赢建 议 美蕤谬 锈黪潍混凝土 霰k 凝螽i 准涮 裂缝墨张开位移 断裂过糕区 断裂韧度 a b 瓣r a 专 r e n c e n t l y s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e s f r c h a s b e e nw i d e l yu s e d al o to fr e s e a r c hh a v ei n d i c a t e d t h a tt h es t e e lf i b e rm i x i n gi n t oc o n c r e t ec a ne v i d e u t i yi m p r o v et h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i ca n ds o f e n i n g c h 锹 a c r e r i s t i ca f t e rp e a kv a l u eo fs f r c f r a c t u r ec a p a b i l i b o fs f r ci s0 1 2 4 o fi m p o r t a n tc a p a b i l i 簪涟i t s m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c b u tt h e r ea r eaf e wp e o p l eo ns t u d y i n gt h ef r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fs f r ci no u r c o u i t 姆 i n t r o d u c e dd o u b l e u kf r a c t u r ec r i t e r i o nu s e di nc o n c r e t ea n dc o n s i d e r e ds o f t e n i n gc h a r a c t e r i s t i co fs f r c t h i s 茹p 口p r i m a r i l y n u d y t h es t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s ma n d 搬 m e t h o d o f c a l c u l a t i n g t h e f r a c t u r e 拼培b n e g o fs f r c b a s e do nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc o n c r e t ea n ds f r c a m e n d e dt h er e l a t i v ep w a 搬e t e f s t h ep a p e r t a l e s 静f i n d t h e p r o p e r w a y t o c a l c u l a t e t h e f r a c t u r e t o u g h h e s s o f s f r c t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to f at h r e e p o i n tb e n d i n gb e a mw h i c hi sm i x e d 静d i f f e r e n tt e n g ha n dv o k r m r a t eo fs t e e lf b e r i tm e a s a r e st h ep a c u r v ea n dp c m o d c u r v eo fs f r c c o m b i n e dw i t ht h er e s u l to f e x p e r i m e n t t h e 持8 转t h a ts t e e l 夔淞e n h a 琏c e d t h el o u g h r e s si sa n a b 恻 鞋i sf o u n dt h a t 建嚣s p e c i m e n 曼程 b ed i v i d e di n t ot w o c a s e s p z p 煳a n dp f p b a s e d o nt h et w oe a s e s tt w om e t h o d st oc a l c u l a t et h e d o u b l e kf r a c t t r r ep a r a m e t e ro fs f r ca r eg i v e n t h e n u s i n gt h ed a t ao fe x p e r i m e n t w ec a r lr e c e i v e dt h e f r a c t u r ep a r a m e t e ro f e v e r ys p e c i m e n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef r a c t u r ep a a m e t e r 氇em e t h o d0 8 nb ep r o v e d p r o p e rt oc a l c u l a t et h ef r a c t u r et o u g h n e s s 他ea n a l y s i sp r o v e st h a tt h ev e l u mr a t ev a l u em w h i c hi sc h o s e s h o u l dm e e t p s p m i no r d e rt om a k e 溉 s t e e lf i b e r t h ed i s c u s st ot h ea p p l i c a t i o no ft h ed o u b l e k f r a c t u r e p a r a m e t e r a l s o p r o v e d t h a t i t l s d i f f i c u k t o m a k e k 蒌a s a c o n t r o t e d i n d e x t o t h e s t r u c t u r e t h ec o n c e p t i o no f s t e e lf i b e rs l i p p a g e b r o u g h tf o r w a r d t h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns t e e lf i b e rs l i p p a g e a n dc h a r a c t e r p a r a m e t e r so f s t e e l f i b e r w a ss i m u l a t e d t o o t h r o u g h d e a t i n g w i t h t h e p c a c u t w e t h es o f t e n i n g c l l r v e o f s f r c w h i c hc a nr e v e a l t h es t r a i ns o f t e n i n g t a w w a sa t t a i n e d f i n a l l y t h ea u t h o rs l i m su pa l l t h ec o n t e n ta n db r i n g sf o r w a r ds o m ea d v i c ea b o u tt h es t u d yt ot h e f 堍燃o f s 筏 k e yw o r d s s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e d o u b l e kf r a c t u r ec r l t e r l o n c m o d f r a c t u r ep r o c e s s2 0 f l e 融趣揩t o u g h g e s s 湃簿 芄学舔七学位薅奎 第一章绪论 董 董键纤缝瀑凝主蕊发袋概述窝磅突虢菠 1 1 1 纤维增强混凝土的发臌状况 i 窜藿缀筠霉茂密骥渡黪兰零涟嚣 翳凝圭孬羹 穗薪鍪建筑嚣黼产泛盛矮子 涟 工程中 随威出现了钢筋混凇 这种掰的复台建筑材料 其中钢觞承受拉力 混操土承 受嚣力 豪攥祷謇翡虢势 耨步壳赧了混凝 婉羟强壤低 蒲途受隈嗣韵特点 2 0 谶编 3 0 年代嚣始班现颈座力混凝土 英结捻的撬裂性能 剐凄秘承裁 l 力大大超过了键嫠溪 凝主结构 飘褥显著扩大了游凝土的撤用范嗣 使士术工程避入了钢筋混凝土和预磁力 混凝圭点统治遮篷露瑟变霹翳 毽楚瀑凝 摭控强蹙懿 麓魏爨等露蠢嚣点秘然骥素l 蓉 其优势的充分发挥 巍到纤维增强混凝士的出觋 鲜维瓒强灞凝 麓以隶溅浆 秽麓或混漾主为基材 班纤雅为灞强材料组成酌一种 复合专誊糕 在水泥浆 砂浆或瀑凝 蓥薅中掺入撬魏礁度毫 缎疆建悻率大 抗虢涟好 韵纤罐可潋有效限制猩矫力律耀下水辩基料中凝缝的扩展 猩淹载初潮 基体和纤维熬 羼零爨矮力 矮蕊誊爨势力熬主要承受卷 姿萋藩舅爨垂 横黪裂缝麓牙缝裁建磬力靛 主要漱爨者1 2 4 由予纤维的襻在 从微观机制上改良了基体的力学性能 并鼠可以实 褒菝袋焉要求设诗穗瓣 飘稀筏纾维溉凝 戒为 种霞要韵新鍪建筑材瓣 被广泛韵廉 爆予土本工程枣 舔过三十条年的研究开浚 国内外科授弊在原有的实践基础上研究出了多种新型奸 缝螬爨求涅菱台麓辩 舞 合箴终缍 是燕 聚嚣爝簿 壤爨零淫菱含饕瑟 穰野黎矮 强水泥复合柑料 搬属玻璃纤维增强水混辍台材料 砂浆渗浇纤维增强混凝 s t f c o n 舞灌褰黧久燕绥滚壤强溪凝 f r p 缛壤瑶强聚台翡 鞭凌秀灞凝 蒜 尽管狂萃中纤维增强复含材料品撩繁多 蛋具特点 但鳗前应用疑广 投术上最成熟 墼 奉缝麓磷究囊逶 齑敝讫程度灏高翡巍满锈纾雅撬凝主 l l t 2 镪野维浚凝 螅性毙 裰疆纤维瀚强视璃的各种溪论辛日犬璧试验数据分析 钢鲜维混凝土的性能蒸本上决 定予豢体强度 终缝长经篷 攒镪纾壤长疫毒塞经或等效蹇经熬淀篷 锶绎罐黪薅程攀 纤维胃耱体的羊占结强度以及纤蠛在基体中的分布和取向的影响等 钢祥维混凝士与普 迥 灌箍 福爨 冀主要霞熹商薅 强度寒重量蛉毙璧鬻太 这愚纾维混凝 其有优越缀济牲豁熏要强豁 逸楚它 具有广阔应用前景的煎要保证 2 攘控援震帮主耍蠢主控应力擦裂鹣摭蘑 撬簿 撬越强度鞘漫提褰 纾维掺霪 在1 2 激围内 抗拉强度提高2 5 5 0 抗弯强度提高3 0 8 0 用双剪试 验瑟溅定静抗翦强震援高鞠 i 0 0 蕊藤强度疆蕊福菱较 j 一般在0 2 5 3 变形性能明慰改善 钢纤维混凝土弹性阶段麴变形性髓与其l 墩条件榴网蛉豢混 凝 没有显箸麓别 受压弹性模量和泊松眈与索混裰 基本桶同 韧性是衡爨塑性变形 性能鲍重要攫掭 镪纤维混凝土的韧性毖素滢凝土大大提高 柽遥索戆纾缝掺璧下 拣 压韧性可提商2 7 倍 抗弯韧性可掇商几倍剔几十倍 弯曲冲击韧性可提黼2 4 倍 摆式凌睑落锤法壹癸试验掰溅褥熬弹遗餐鼗可挺毒死倍瑟见十倍 4 抗收缩和徐燮性能有所提高 钢纤维混凝土的收缩缎随着纤维掺量的增加筛商 爨簿稳 铡辩 掺羹魏1 5 长径魄为5 0 靛钢野绻混凝 较素滋凝 翡栽雅毽簿低 7 一9 持续荷载下钢纤维混凝土的受压徐变比棚网条件的素混凝士略有降低 s 抗裂帮抗疲劳往耗膏较大改辫 由子捐纤维对混凝土的阻裂作用 钢纤维溺凝 比索混凝 巽毫更好懿软纯爱幢能黧蒎疲劳性能l 纠 爨黧 掺畜2 匿野缭浆镪野缝 混凝土抗压疲劳寿命达到2 x1 0 6 次时 应力水平可达到0 9 丽素混凝土的虚力水乎为 0 5 6 6 具毒较好鲍物爨醚久瞧稻讫学耐久瞧 镶纾维渡凝土在鑫耱携理嚣素佟矮下蕊 耐久憔一般来说都有不同程度的提高 其中耐久性 q 黼热性和抗气蚀性有显著提高 抗 渗缝麓毒素漫凝 稳魄波鸯黎曩变袋 瀑蠹努攀喾终了大量憨瓣讫学霪镶犍试验襄褒场 暴露试验 几乎得出 致的结论 钢纤维混凝士在空气 污水和海水中部表现出良好的 耐腐镪性撬 ta 3 镪终维滢凝 懿戍餍帮繇巍状嚣 早柱1 9 1 0 年 美醋的h f p o r t e r 就发袭了有关以短纤维增强混凝土的研究报告 1 9 i 1 年 美謇g r a h a m 罄楚鼷缚缝掺入簧逶镄筋漫凝 中 褥戮了可虢撵衰嚣凝 强震 和稳定性的结聚 到了2 0 世纪4 0 年代 美 荧 法 德等国先后公穗丁许多头子用钢 纤维瞽强褥凝 精穆方藤兹专剥 嚣本在二藏酊也瞽遂行过有关静研究 值当甜均未达 到实厦化浆程度 靴 2 瓣海丈学鞭士学盘沧文 1 9 6 3 年j p r o m u a l d i 零 g b b a s t o n 发表了一系裂关于镄纤维涯凝主裂纹嚣震 机理的研究成果 提出了纤维间距理论 从而开始了这种新型复合材料的实用化开拨研 究阶段 1 9 6 9 年 美国撬凇了 混凝 和钢秘组箴煞二籀孝芎料 专稠 羹定了魏今锻 纤维混凝土的技术基础 但是钢纤维价格昂嶷 阻止了它在实用化方丽的推广应用 7 0 年代 美国开发了熔抽技术 制造出廉价的钢纤维 为钢纤维混凝土的实际应用创造了 舂剥条 牛 此愿2 0 多年 镪纾维混凝 在世器各国的开发研究受到普遍重视 尤以美慝 日本 英国进展最快 美国在高层建筑中已经大量采用钢纤维混凝土预制墙板 阳爵 波纹叛和空心楼援 镳设了大量公鼹鼹蘑稳攘嚣 纾维复合誊孝辩产蘩1 9 8 4 零跑1 9 7 9 年 增长2 8 3 6 平均每年增长5 5 近年的增长率高达1 0 以上 襁欧洲 钢纤维混凝 应羯最广豹是工数建筑中瓣毽叛鞠墙叛醴歉路瑟锚装 其次是蘧j 菠树密帮各耪鞭钢建 筑构件 在日本 除东京大学 德岛大学 名古屋大学外 臆岛建设 清水建设 目本 钢管 住友众满和新强本铺铁等也纷纷开震镧纤维满凝 的研究开发工作 并将其维广 应用于各种土本工稷中 我国研究和应用铜纤维混凝土开始于上个世纪7 0 年代 近年来发展异常迅速 融经 霉到澡入的毳殍究移广泛鲍应咫 芳连续召开了卡曩金骧终维水淀与纾维混凝 学术会议 工程中应用较广的有隧洞衬砌 桥粱 铁路轨枕 大跨建筑物 管邋工程 维修加固工 程等 疆我鏊绥维混凝 躲藏震窝磁究还远远藩嚣予发达鏊祭 摆 蠢计1 9 9 7 年敬潮镧纾 维用攫约为3 万吨 我国在各项工程中钢纤维用量仪约7 千吨 远低于发达国家f 5 l 1 2 钢纤维混凝土增强基本理论综述 研究钢终维混凝主懿增强撬瑾 殛提高镧纤维辩混凝 灞强 增餐窝隧裂效疰 驭 本质上改善其物理 力学 化学性能 并造就材料新性能的理论基础 也是进行钢纤维 混凝土性能设计的依据 只有机理弄清楚了 才能建立起性髓设计和结构设计的科学方 法 井达到充分发挥钢纤维灌凝土基体复合效应的目的 现有钢纤维混溅土的基本理论 是在纤维增强塑料 纤维增强金属的基础上运用和 发爨起来戆 由于锻绥维混凝主螅缝残与缝槐匏多磺 多维分积 均震牲 热以镊终维 的 乱向 与 短 的特性 它比纤维增强黧料等要复杂得彩 如何能使增强机理充分 露醚蒺塞砉特性 仍在不断探讨 完罄亵发袋之孛 对镪绎维漉凝 增强穗鹱静臻酴段 研究 主要依据两种理论 一种是运用复合材料力学理论 混合率法则 第二种是建立 在断裂力学瑟确上静纤维阐灏理论 所有萁能理论均霹认为怒以这两个理论为基础经综 金完善露发震怒来熬 当今懿疆究又逐一步澡 皂裂赛髹缨蕊缝擒霹盎姥瑟产 圭熬雾嚣效 应 钢纤维混凝土微观结构与宏观行为的关系簿 1 2 i 囊台毒于科力学理论 8 混合率法刘 复食材料力学理论用于分辨纾维增钢 增强邸其它复合材料时是将复台材糕视为多 相体系 钢纤维混凝士简化为纤维为一相 混凝土为一相的两相复合材料 如图卜一l 爨示 复合楗瓣鲍蛙糍为荟糍瞧疑戆熬鞠篷 羧宠垮该理论焉予镪纾壤混凝 躲鸯 茨 国的r n s a m y p s m a n g a t d c h a r m a n t 美国的a e n a a m a n 等人 1 复合季季瓣力学溪论壤遮 复合材料理论的基本假定 1 纤维造续均匀平行蓊 剐 并鼠受力方向 致 2 绎维与基馋糕结完好 即薅者产生糖阕应变 气j 无n i t 漆动 3 纤维与基体均照弹性变形 横向变形相等 h 一 一 l 一 h 一 一 1 卜 卜 卜 m 晦 图i 一1 复含材料受力情况 校据基零鬣定 鹭淹纤维方向麓热岁 力辩 霹采羽式 1 一1 计冀颓向连续纤维复 合材料的平均威力和弹性模量 五 疗p j 无 p l 厶 1 一p 1 1 1 复合摇精戆弹瞧模量岛为 a f o 自心 p 0a f i 毛p e 蘸p 自心 p 0a f 一宅堪 p 3a p 扣一 o 一 一 一 一 a c毯 a g o p l d 8 co f d e co f a 8 e 丹筹 力等坛瓦d r 十六鲁 由于 挈 孕 o 出 如 如 d f 盯占 e c e f p f 七e p e p f 七e m 毽一p f t 一2 式中 正 e 复合材料的平均应力 弹性模量 厶 e p 一基体的应力 弹性模霾 体积率 矗 q 乃一纾维懿痤力 洋缝摸爨 签狡率 式 1 一1 1 2 表明 在弹性范围内 由于复合材料中纤维与基体的变形相同 故无论材料性质如何 当纤维排列方向与受力方向 致时 复合材料的应力 或弹性模 量 为基体秘纾维应力 或慕体积纾维弹性模量 分别与基体体积攀乘积的加和值 即 复合材料的威力或弹性模量与各组成材料 备相 的应力或弹性模鼙及其体积率密讶相 关 2 纤维复合材料的极5 良抗拉强胰和临界纤维体积率 纾维增鼷魏萑蒸体复台秘懿憨蕊秀纾维传积率瓣定义跫 在萋体开裂髫 纤维糍承 担复合材料开裂时荷栽所需的最小纤维体积举 或基体开裂厢复合材料承载能力不数下 降所必须掺入的最小纤维体积率 用p 表示 考虑乱向非连续纤维复合材料的极限强 度 警乃 尸肼 时复合材料的极限强度为 五 玎 厶p 1 4 式孛s 厶一蒸俸鳇投漆瘟交 摄蔽强疫 厶 弓一纾维援蔽强菠 弹毪模羹 叩 一跳向纤维有效系数 敌乱向非连绥纤维复台材料的纤维临界体积率可按下式计算 q i 气p i c q i s m e f p t 七 m q p 酾0 tl 5 黼2 面i i i m 丽u 魏彝短纾维有效系数玩冕表1 褒t i 乱向短纤维肖效系数砚 条件顺向纤维二维乱向纤维三维乱向纤维 i i l 脚 k a l i l f c m t z l i b r a1 一i m 2 i f 要 1 一 2 誓 要 1 一 魏 表中 k 一纤维长度 纤维临界长度 当0 黼时 纤维应力鼹梯形分布状态 复合材料的破坏形态是纤维被于立断 在实 嚣应翔中 兔缱绎维舆毒增瀵 霹辩莛有良好麴增韶效栗 逸驳静纤维长度疲小予箕狡 界值f 以保证复会材料破坏时是纤维被拔出 獭所 p k 时 在初 爱蓊 纤维李露割了复合材辩裂缝的弓 发与扩袋 稚遮了裂缝豹出现 飘丽不仅提高了复 合材料的初裂强度 而且在初裂之后 因纤维约束了裂缝的扩展 使复合材料能承担更 大的荷载 故其极限强度和极限强度岛初裂强度的差德也随p 增大而提高 图1 2 表 示典黧静擎淘受羟应力一窿交往线帮复合耪辩强度与办豹关系 a o f 如m 图l 一2 典型的单向受拉应力一应交热线 1 2 2 纤维间距理论 纾维阕筵理论是1 9 6 3 年囱j 妾r o m u a l d i 帮j b b a t s o n 疆出豹 札碉 该瓒论建立在 线弹性断裂力学的基础上 认为混凝 内部考尺度不同的微裂缝 孔隙和缺陷 在施嬲 外力时 孑l 缝部位产生大的成力集中 引起裂缝的扩展 最终导致缩构破坏 往脆性 藻体中掺入钢绥维 撼离了混凝 的撬拉强度 维小与减少了裂缝源鳃尺度秘数量 缓 和了裂缝尖端应力集中程度 在复合材料结构形成和受力破坏的过程中 有效的提高r 翌兰查兰篓主兰竺垄茎 复合材辩受力蓖怎魅壹裂缝g 发与扩嶷懿藏力 达到绎难对混凝 豹增强与增鼗鬟鹣 r o m u a l d i 先从顺向连续纤维增韧 增强混凝士入手 假定纤维沿拉力方向以棋盘状均匀 分布于基体串 如黼l 一3 所示 纤维闯距为s 裂缝半径为a 裂缝发生在纾维所黧成 的区域中心 在拉力作用下 邻接与裂缝的纤维周围将产生如图l 一3 所示的粘结应力f 分布图形 粘结应力f 对裂缝尖端产生一个反向的应力 从而降低裂缝尖端的应力褒中 程度 纤维对裂缝的扩展超约束作用 蚕l 一3 r o m u a l d i 瓣绎维终寒模鍪 r o m u a l d i 对定向钢纤维试件进行了抗折与劈拉试验 进一步提出钢纤维混凝土的增 麓与灌韧能力由纤绒静平均阍距控鞭的鼹点 1 9 6 4 年r o m u a l d i 和j a m a n d e l 将这 概 念用于均匀分布的乱向短纾维增强混凝 中 l 并进行了试验研究 其试验结果与理论 值的比较见网1 4 其试验结果和理论分析十分接近 进一步论证了纤维间距理论的可 靠浚 s r s h a h c d j o h n s o n 等经过试验 对纤维间距理论提出了争议 他们的试验结果 与r o m u a l d i 的试验有较大出入f t 2 t 3 1 试验结粟表明 纤维间距对复合材料强度几乎没有 嚣么影嚷 强度魄与纾维闻鞭毂关畚基本藏一求乎鸯线 d i h a n n a n t 瞧持毒鞠嗣夔聪患 两种不同观点的争议 其实质应归之于分析问题的思路和方法 r o m u a l d i 等第一次 应麓耩裂力攀理谂磷宠了终缎霹涩凝主静增黻凝瑾 器薜了掰兹理论磷究镶域 促逡了 钢纤维混凝土的发展 其理论的新颖 始终为人们所关注 并在不断的发展 虽然纤维 闯距静大枣藏接影响复合材料隧裂能力酶离低和纤维对混凝 基薛强化与翮化的程艘 7 甜 剐 璀 4 俺接拉忡斌验 f 瓣的弯鼬敞骏 l l 彳 l l 罗 套演 赛麓位 q 吣 i 蠕用鼯j m m 图1 4 纤维间距与强度眈燕系 藿它熬影麓嚣瘸疑不是难一静t 瞧不燕镰立静 嚣是与乃 d l 形 滢凝土基镩特 经 绎缭与薹俸暴嚣糖结注拣等密翡穗关鲶 壤照 懿聚p 妒 躐溪凝 基俸强凌 过低 界面孝占继差r 粗集料粒镪过大 野维越鼹效应篓g 难以态分发挥 甚至终维阕题变 小 氇凭明显的增强与增韧效聚 r o m u a t d i 撬逛转纤维趣蹑溪逡 不莰秀入稍接受 孺显在应嚣靼实黢孛不鞭完善 不断充实a 如小林一辅的研究工作 进一步促进了纤维间距理论的发艘 1 他将钢纤维 混凝 褫为一稀粒子嫠复合材料 由j 蹴提出诗簿钢纤维混凝i 抗拉强度的公式 得出的 理论计舞和实验结果十分吻合 避 步舱泛了终维闯蹬每复会枣才瓣捷控强度之阉麓关系 也反映了纤维间距对美台材料强度的影响不是孤立的 继r o m u a l d i 之艏 更多的人则魑 基于纾维阕鼹理论鹣基本愚露 缝会爨体力学戆基本藩遴 运薅鳜裂镄侮力学瓣囊点 各取箕长 互补萁短 使钢纤燃混凝土的增强璇论与实际情况篼加符合 1 3 锶纤维瀑凝 断裘裁性秘鬻蔑黔研究状况 隧誉钢纾缕混凝土懿广泛艨思 以及镶纾维漫凝 竣计方法窝设计您程骛粼定 镪 纤维混擞土断裂特性的研究也取得了一蟪重要成果 k v i s h a r a n i c h 亵a e n a a m a n 蘩裂穰鍪嘲 掰海夫学碳出拳整谴文 v i s h a l v a n i c h 帮n a a m a n 翁断袈模型是运焉虚力帮蕴移鼹张开燕移关系翻攥褥 媾 模型分为三个区 i 区 表示真正的裂缝 在浚区内 纤维已拨出 无跨接裂缝两侧的 纤缝 裂缝表露麓斑力为零 i 嚣 骰塑桎嚣 在该逡瘸混凝 基钵跫开裂 此时跨接裂 缝磷侧的纤维 通过界面糕缱 阻止了裂缝的扩展 i i i 区 微裂缝隧 用采计算镪纾维 混凝士酶断耧韧瞧 该模型扶鳃戏断裂力学出发表述了键纾绦湿羧 抟羝裂破坏过稔 是翳露镄纾飨渥 凝土断裂模型中有代寝性的 个 w e c h a r a t a n a 嚣s h a h 将鸯羧裘纹区分兔3 令区蠛 擎塞蛊控力嚣 纾缳耩接嚣帮蚤 骨料联锁和微裂缝导致的基体过程箧 1 2 1 h i l l e r b o r g 把他的虚瓠裂缝模型延伸应髑于纤维混凝土中 认为闭合应力是纤维长 度 纾维誊经葶珏爨露糙结强艘数函数 a l b e r t oc a r p i n t e r i 于1 9 8 4 年提出的理论计算模型为将钢纤维增强混凝土试件裂纹 类瓣鹣盎力谥褒嚣予餐傩弯罐秘镪野维控力黉簸酋线篷羹翔 斌汉工此大学对钢纤维混凝土的断裂韧性进行了鞍全面的研究 通过试黢研究 r 纤 维类燮 纤缫掺耋 试件足寸藩锈纤维断裂期性箭影响掰 罗章等人将镶终维敬增强俸鼹魑络为3 令方覆 曩著提高湿凝 戆镪蛙竣能量壤峻 能力 提高濑凝土的抗拉强魔或应变以及改蒋混凝土控制裂缎的能力 并通过引入威力 交纯系数 髂酸交纯系数 褥趱了锶鼯维滗凝主耪褥断爱力学模鍪雕 东南大学郭宏丁餐人采用媸预制裂纹的 尺寸必1 0 0 m i n x1 0 0 m m 5 0 0 m m 黪拔犍 体西煎弯曲谈验 研究了聚丽烯纤维与3 种尺寸的钢纤维混杂增强水泥基复合材料 纤 维慧俸强搴在8 0 9 5 蓬鍪蠹豹潺杂驽缭豹随袭l 毂器器纾维遘杂效痤嘲 豳内外虽然提出了纤维混凝土断裂模型的建立途径和方法 但仍然存在潜试验数搌 不足 或授霄连行系黼的试验研究 躐霞飘力学角度分析建立纤维混凝土断裂模型鳓问 题 对纤维溜凝 断裂参数与野缑含爨蟪征参数的关系研究也不多 1 4 选题的依据和意义 邋车寒 钢鹭蘩濑凝 匏发震异常遥速 已经褥雾g 广泛匏应焉 讴器前辫海对钢纤 维混擞土的普通力学性能研究褥较多 而对冀断裂特性及增强帆理则硪究较少 l 乍为工 程穗黼 钢纤维混凝土静应瘸远耽素溉凝土韵应用历史短 其增强机瑷和断裂特性的研 第一章鳍论 究远不能满足工程应用的要求 已有大量研究表明钢纤维的掺入使钢纤维混凝土的非线 性及峰值后软化特性得到非常显著的改善 钢纤维混凝土的断裂性能的确是钢纤维混凝 土力学性能的重要领域之一 另一方面据线弹性断裂力学的基本观点 即关于应力强度 因子达到临界应力强度因子造成裂缝快速扩展 并引起最终断裂的观点己被引入到研究 钢纤维混凝土的断裂过程及破坏现象中 并据此提出了许多断裂模型 然而 目前直接 将线弹性断裂力学应用于钢纤维混凝土中还存在不少问题 故此 对于钢纤维混凝土的 断裂特性需要深入的研究 本文引进素混凝土的双k 断裂准则 考虑钢纤维混凝土的软化特性 对钢纤维 倪凝 土的增强机理和断裂韧度的计算方法进行研究 包括以下内容 1 引进计算素混凝土的双k 断裂准则 根据素混凝土和钢纤维混凝土的差异 对 相关参数进行修正 找到适合计算钢纤维混凝土断裂韧度的方法 2 通过对掺加不同长度 不同体积率的钢纤维混凝土三点弯曲梁试验 测得钢纤 维混凝土的p a 曲线 p c m o d 曲线 分析两种曲线随纤维体积率 长度的变化规律 并结合试验分析钢纤维混凝土的增韧机理 3 按本文提出的计算钢纤维混凝土断裂韧度的方法 计算出断裂韧度以及各相关 参数 找出它们随纤维体积率 长度的变化规律 验证本文所提方法的可行性 4 拟合钢纤维混凝土的应力应变软化曲线 因为直接测量混凝土的软化曲线有一 定的难度 本文在课题组研究素混凝土成果的基础上对钢纤维混凝土的p 一 曲线进行 数值化处理 得到不同掺量钢纤维混凝土的软化曲线 以揭示钢纤维混凝土的拉伸应变软 化规律 蔼海太睾蕺虫学燕建熏 第二鬻镧纤维灌凝 增强梳理的研究 2 董溺凝 三点鸯漶粱镳验 本试验采用混凝土三点弯曲梁试件 试件掰状见圜2 1 试l 牛的韧始裂缝 采用在 霭凝主疆注藉 予试壤浅藤器瓷设誊钢鞭熬方法 蒋浇注完毕 莽护试译怒过2 4 j 时黼 将钢檄抽出 澎成一颟鬻缝 按纤维体积率擞长度的炎化 撼试 牛分必7 缀 每缝三巾 试释 吾整试释靛缡号及凡簿尺寸等鲫表2 1 掰示 霪2 一l 三意繇蕊粱试蒋示塞鬻 波2 一l 摄组三点弯曲粱试件几懈参数 相对缝 试 试件长x 黼x 宽纤维嵌纤维露径料维体徽 跨嵩妣 漂 蝥 鳊芎 s h x t m m r a m m m 率 数 5 25 弱嚣i 0 曝x l 00 443 5 1 35 5 0 x l o o x l o o3 00 勰o 50 44 3 5 4 5 5 0 x t 0 0 k 1 0 03 00 5 51 00 44 3 s 1 55 5 0 x t o o x l 0 03 0文5 s l 5惫4垂3 5 1 65 5 0 x 1 0 0 x 1 0 03 0 0 5 52 00 443 5 1 7 5 5 q x l o o x l 0 96 0毽1 5l 哥鸯 毒 矗 3 i 5 z 85 5 0 x l o o x l 0 06 0 0 7 52 o0 443 舞革羲爱究纾囊辩混凝 鞭裂缝髓随彩璃 所有试件采丽简一配瓯 水泥 砂予 石子 水 t t 5 3 2 7 9 0 4 7 其中 镪纾续瓷主海爨霎卡姆煮蹑公霹生产蕊囊寒状 弯勾型钢纤维 弹性模燎 2 0 0 g p a 3 0 r a m 纤维的揽拉强度 9 0 0 m p a 6 0 m m 纤 雅藜撼授强囊磊 1 0 5 0 萎p a 承涯象掰3 2 5 鬻遁硅酸箍承嚣 疆霄辩为石获静碎石 一级酪 最大毂挺为2 0 m m 缨餐犍费涎骖 为了使纤绻均匀分散于混麟土基体中 应采用相成的拌和穷捌 搅拌方法如下叫1 园 蘩二章错辩蘩囊疆土壤强壤孽嚣群巍 1 萼鍪全都蚤瓣黟l 3 零嚣予骥裁攘替辍孛鬟黪3 势蛰意考 2 加入水泥和剩余的水 再搅拌3 分钟 使混凝土或砂浆有究分塑性 以便纤维 分数均鸯 3 慢慢洒入纤维 纤维在灌入过程中皮避免粘臌在搅搏枫壁上 4 懑究纾维焉 缝续瓣磐3 分释 整纤维在蒸体中巯散 试馋分批摆两爨肉浇注戏溅 淫水蓁护 试验龄凝海2 9 哭 2 2 试验装鬣及试验结聚 辩袋蘩毪滚验褒c s s 4 4 0 0 嫠逮予万蕤试验撬主进嚣 鬣簸飘畜鬻遴道数攥采集篡婉 位移殿荷载信母可通过试验机崴接得剿 裂缝霹张开位移c m o d c r a c k m o u t ho p e n i n g d i s p l 鑫c e m e n t i m 建骨攘麴毫涡流传惑器逶过天工读数褥捌 其凝溺藏灏为o 5 m m 所 在试验媳在稳定燕载数状态下避嚣 辩箍及抗麟试验鼹在w b 1 0 0 0 趔试验机上迸彳亍 试件娥利用兰点弯曲粱试件骈厢 鳃蝼舔逶嚣懿 试验时测褥的 k 及对应的c m o d c 劈撤强度厶 见袭2 2 蔼2 2 图2 8 跫七缀试件翁p 一 瑟线 图2 9 黼2 1 5 怒七组诫件的p c m o d 篷线 l 2 j3 4 蠹2 叠5 1 2 p 一矗照线 8 嚣 拳 番 撇 辩 湖 稚 塑塑茎羔黧兰兰簦篓塞 一 表2 2 试验绩巢 p m 对意的裂缝口张开 试件最大衙载 m p a 编号 c m o d c 5 1 2 11 8 0 9 42 20 0 3 3 5 1 2 21 9 6 t22 4o 0 4 5 5 1 2 31 9 l o 82 30 0 5 0 乎筠蘧 1 8 9 4 82 30 0 4 1 5 1 3 12 2 5 9 83 60 0 4 8 5 i 3 22 1 4 4 23 40 0 5 8 5 1 3 32 1 2 0 03 30 0 5 3 乎蟓僮 2 1 7 4 73 40 0 5 3 5 1 4 12 4 6 7 84 40 1 2 4 5 1 4 22 7 9 9 04 60 0 8 6 5 1 4 32 4 0 0 04 10 0 9 8 平均蓬 2 3 5 4 s4 40 1 0 7 5 1 5 13 4 2 3 45 72 0 7 7 5 l s 22 7 2 6 04 83 0 1 0 5 1 5 32 8 0 5 85 11 3 5 2 平均篷 2 譬8 s o5 li 9 1 3 5 1 6 14 2 3 4 86 53 1 6 0 5 1 6 23 2 0 1 06 13 鹊o 5 1 6 33 2 8 8 06 03 4 0 0 平均谴3 5 7 4 66 23 1 6 0 5 1 7 13 2 5 3 05 43 7 l o 5 1 7 22 4 9 2 84 3 2 9 0 5 1 7 32 7 3 8 64 8 3 5 1 0 平均擅2 8 2 8 l5 03 5 0 0 5 1 8 13 9 2 8 66 54 0 0 0 5 1 8 24 6 0 4 8s 6 唾 2 0 0 5 1 8 35 1 5 2 o7 3 2 6 3 0 平均值4 2 5 i 56 8 3 6 1 0 篓三差篓璧差篓登耋鐾澄篓篓塑塞 一 3 麓8 2 0 2 0 0 0 嚣8 t 0 0 0 戳 0 3 铷0 3 嚣器 2 矗b 扭 溅 1 5 0 0 i 循0 翳 嚣 毫辫 3 0 吣 2 戳 2 0 0 0 l 鬟鼯 i 8 弱0 0 l l s2 0衢鞠3 5躺 蓬2 一玉s 1 3 p 一矗菠缝 0g娥坶筘嬲 勰 黜 舀2 4 s 1 4p 6 曲线 巷2 03 0 霹5 0懿 匿2 一ss t 5p 一蠡夔缝 秘海大学鞣上学建论 妻 5 0 0 0 4 5 0 0 吐0 0 0 3 朝0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 鞠转0 5 0 0 0 3 5 0 0 3 瓣8 2 s 2 0 1 5 i e 5 0 0 o 5 0 0 0 4 0 0 8 3 0 0 0 2 0 0 0 t 0 0 0 0 g5 2 02 5 3 54 0 图2 65 1 6 p 一 鳇线 05 2 02 5 3 03 5 4 b 图2 75 1 7p 一 曲线 5 2 8 2 50 0 3 5 0 图2 8s 1 8 p 一 曲线 5 茎三童罂篓釜堡坚圭璧堡垒型墼黧鍪 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 5 0 o 弼8 0 2 6 0 0 2 0 0 魏 1 5 1 0 0 0 5 0 4 5 0 0 0 8 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 o 2 0 1 6 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 e l2 3 图2 9 5 1 2 p c m o d 曲线 8 匿2 1 05 t 3p c m o d 越线 4 23 哇 蚕2 1 15 1 4 p c m o d 熬线 渊洚夫擎硪士学谴论文 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 i o 5 0 0 0 秘0 4 5 0 0 蕊8 3 瑚n 3 0 0 0 2 蠢荭0 2 0 0 0 1 5 0 毪 i 潞8 5 0 0 咎 3 0 3 0 2 5 0 6 2 鞠0 i o 1 0 髓0 0 8 2s硅 图0 1 25 1 5p c m o d 曲线 823镊 匿2 一1 35 1 6p e m o d 涟绫 02 图2 1 45 1 7 p c m o d 曲线 4 1 7 簸二摹镛磐罐曩凝土壤蕊瓤莲爵辑嚣 套3矗 整2 1 5s 1 8p c m o d 蕊鹫l 2 3 试验结槊分析 孰豪2 2 辩羧喾躐 飘编号5 t 2 猢5 1 6 最大稽黼焉 c m o d c 抗拙强度工都 疆纾缨髂积率懿增大嚣增大 锶簿终长嶷鸯6 0 n u n 夔5 7 囊5 s 嚣爨簿耀露渗透纾维 长度为3 0 r a m 的5 1 4 荆5 1 6 相比以上备值也均有增加 疑辫2 2 2 一s 黪 一蠡魏壤爵餐雍 镶褥缍霭凝主瓣p 一连螯线与蓄邋瀛凝主懿 显不嗣 t 9 2 1 j 益线的滟滑度不同 5 1 2 组巾寨混凝 的曲线光滑 5 1 3 5 1 8 中铡纤维混凝 土戆熬绫 峦予凝绎维瓣傣爰一般饕爨鼗不平 莲羹舔簿鳇溪凝 莛鬟套耱瓣 饕篱霁 裂时 撼体突然卸荷尝蹲f 起应力突然下降 而糌致凹凸不平 2 蘸凌懿大蒙影斌季霾 裹潺凝主戆鼗凌主秀羧蒸零舔燕线毪静 锈鲜绻霭凝土 的上升段大致糟两神类型 第 种是按绒性达剿最大树泼 其巾蠢5 1 3 5 1 4 组 繁 二薅运懿一定数值君霄稍显静i 线往 褥嚣逐渐这蓟最大薷载 裔5 1 5 5 t 6 5 1 7 5 1 8 甄组 锵纤维温黼土静越绕很多有两个峰德荷载 即出现了第1 个峰值赭虢后 又出现第 2 巾蜂镁甍载 套两秽潦涎 繁一穆是黎一令遂镶蘩载大予第二令蜷毽赘羲 繁二转燕 篇二个峰值荷载大于第一个峰值简载 避与纤维在混凝土中的体积率是荫大于熬临界纤 壤薄羲攀整窝糖楚 蜮峰憾旺叫k 稳粉粼瓣燃馘炎绉 丽暑蠹 e 驻 0 嚣 0 枣 0 瓣 蕃耋 麟 搿 毫 袋 河辉太学碛毫掌证论文 据文献弼敬8 2 xl o 攒本文数据芬 2 0 0 x 1 0 9 p a 3 0 m m 纾缭磊 o 9 x 1 0 9 p a 6 0 r a m 纤维厶 l 0 5 1 0 9 p a 五 依据表2 2 中数据可取厶 2 3 m p a 溉察本文泼验 中试件的断酾 纤维一般都怒被拔出 很少肖被拔断的现象 据第一章所述威是0 p 彻 一可得出 5 1 3 5 1 4 两组的俸积率p p 铆 5 1 5 s 1 6 5 1 8 5 1 8 两组的体积率p p 舢一 缀据錾爨绎维俗粳率黪定义 纾维嚣莰搴大予 等于或 l 于其瞧爨篷是缓维能蛰发 挥其增强作用或增强程度的羹要标志 对比图2 2 2 8 中备组曲线知道 5 1 3 5 1 4 秀组试搀瓣p 一 鏊线是类戳静 基本是线魏遮至l 襞夫蔫载 瑟5 1 5 5 1 6 5 1 7 s i 8 四组试件的p 一 曲线也是类似的 在曲线的上升段就有明擞的非线性 是符合i 临界纤 维体积率静定义的 因此 按越线实际情况弗参照表2 3 理论计算缱果取 5 1 3 5 1 4 两组的体积察 p p 黼 5 1 5 5 1 6 5 1 7 5 1 8 网组的体积率p p 肿 铜纤维滋凝 程初裘翦为弹瞧酚羧 耪袋螽萄载鞘有增鸯羹帮达至g 第一令曝毽蔫载 当基体开裂厝 因基体卸荷 荷载垒由纤维并通过其界面粘结来承担 因为5 1 3 5 1 4 两组纤维混凝士的体积率p r p 舢 复合材料开裂盾 纤维不能承担园基体卸荷而增加 戆蕊载 绎缎夔瑟形残拔警裁拉甄黪皴嚣形态 承载力裁蚕会壤犬了 裂缝在开袈遥程 中 遇到纤维的阻滞 会使承裁力有所增长 很不会大干第一个峰值荷载 即当p 尹 整体开裂螽 蘩裁转移绘纾维 纾 诤 纂二章镄g 摊漫凝土媾强筑理蝰鞣竞 缝麓承担医薹舔帮萄嚣漤麓熬全部费载 蹙箕骞更意麓承载麓力 在出瑷第一个峰餐赘 栽后会出现第三个峰值衙载 也即当 p 时 除纤维和熬体均处予弹性燮形阶段 基体开裂发生蕊俸卸掰阶段外 还有熬体开裂焉 荷簸完全魏纤维承掇 复合零于辩强发 出绎缝控制靛除段 也郎莉第一章中的圈l 一2 攘唿台 攫撼褒2 2 黪结果 豢漏凝 5 1 2 组的最大简载平均值为1 8 9 4 8 n 纤维体积率为分别o 5 l 的5 1 3 5 1 4 的最大 荣鼗平均馕分筠淹2 t 7 4 7 n 2 3 5 t 6 n 葜囊丈蕊鼗巍索湛凝 分裂燕窝了1 4 7 跨秘2 薅 2 增长幅度较小 而纤维体积率分别为1 5 2 的5 1 5 5 1 6 的最大搿虢分别为2 9 8 5 n 3 5 7 4 6 n 萁最大蘅载滋豢漫凝 劳嚣瓣离了5 7 艿嚣稻8 8 了籍 赫蓑畜臻薯嚣蹭袄 谎鞠 在实际应用中 只有掺加纤维越过 临界体积率 才更宥利于发挥纾维的增强作用 3 趣线醛纤维体积率豹交纯 诵纤维混凝主试俘骼p 一 魏线荷载峰值薅祥维体积 率的增大页提藤 p 一 曲线鼹终维体毅率戆增大嚣愈加丰满 星瑗出爨大螅韧性 对于钢纤维滟凝土 当裂缝扩展到幅界点时 钢纤缭混凝土裂缝因失稳扩展 其承虢 力下降 僵并不完全潴失 嚣受仍寄锈纾维跨越爱缝 菠零裁麓力鸯一个缓寝下降过 程 从而提高其韧性 交黧2 9 器2 一1 5 霹冕 锈纾终滚凝 释索蔑凝主翁p c m o d 鳆凌爱霄缀大不 同 和在p 一 曲线中 者的麓别相似 同样的 素混凝士5 1 2 组基本拔线性达到最大 衙载 遮赘最大荷载蔷 荷载迅速下辫剿很小德 对予p p m 的s 1 5 5 1 6 5 1 7 5 1 8 四缀 结合前面的分析可知 在纤维和基体凝同作粥达到一定值使藻体开裂 震 述京麓载完全蠹纾维承撵静黔段 在这个除段会爨璐绎缨鹣湮移 图2 1 6 为钢纤维搬出试验所得的钢纤维粘结力一位移曲线 2 2 采用八字型试件 试件中部焉鋈瓣隔开 霹禳钢纤维对称布置在试件串闯 试验时将试释掰部旁擒开 溯 爨赝施按力t 粒鼹部分捆j c 圣位移a 越线l 为炼按型纾维试验结果 鳇线2 为爨拯型纾 维试验鳐果 魏线第一阶段为弹性阶段 过了曲线上的拐点a 钢纤维和砂浆产生粘绺 漂移 逡了峰蕊骜羧点爨 锈终缝与萋体移浆牯箍逐溪谈蕻 镄努缨逐漆羧凄 在蜂缓 荷载时 钢纤维拔出蛩a 包措弹性变滞 已超过1 0 r a m 说明纤维的滑移是确实存在 并不毒忽视薛 霹箍嚣辩予尹 妒m 瓣5 5 5 1 6 5 t 7 5 1 8 疆缝试俘 零文试验串 离海丈掌疆士学垃论文 t t 翻 9 6 6 4 3 2 o l23 图2 1 6 钢纤维拔出试验曲线 所