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《大连理工大学》 2011年
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超高韧性水泥基复合材料与混凝土的界面粘结性能及其在抗弯补强中的应用

王冰  
【摘要】:超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是一种通过对纤维、基体以及纤维/基体界面优化设计得到的具有准应变硬化和多缝开裂特性的复合材料,在拉伸荷载作用下极限拉应变可稳定的达到3%以上,且极限拉应变时对应的裂缝宽度小于O.1mm,因其优异的力学性能,为混凝土结构解决耐久性、工程结构抗裂防震、以及对旧结构翻新和加固等方面提供了新的解决途径,由此萌生的UHTCC与混凝土的界面粘结问题必须给予足够的重视。此外本文还将UHTCC材料和纤维编织网相结合研究开发一种新型的混凝土结构防裂新技术,充分利用UHTCC材料优越的微观开裂模式和纤维编织网的耐腐蚀、高应力定向增强特性,使新型加固材料获得更为优良的控裂和增强能力。本文结合国家自然科学基金重点项目(50438010)和南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(JGZXJJ2006-13),对UHTCC与混凝土的界面粘结性能展开了系统地试验研究和分析,并建立了纤维编织网增强UHTCC加固钢筋混凝土梁的弯曲性能设计方法,主要内容总结如下: 1.开展UHTCC与混凝土的界面粘结性能试验研究,包括界面粘结抗拉试验、界面粘结抗折试验和界面粘结抗剪试验。研究了老混凝土粗糙度、老混凝土基体强度、界面剂和粘结剂类型、养护龄期、以及不同加固方式(现浇UHTCC和预制UHTCC)等因素对界面粘结性能的影响,并与相同试验条件下的普通混凝土和钢纤维混凝土的试验结果进行了对比。结果显示,粘结抗拉强度、粘结抗折强度、粘结抗剪强度在一定范围内随着老混凝土粗糙度的增加而增大,最佳粗糙度在4-5mm左右。增加老混凝土基体强度也能增加UHTCC与老混凝土的界面粘结性能,但提高幅度不大。丁苯乳胶的微纤维作用,粉煤灰、硅灰的火山灰效应和微集料填充能力,以及膨胀剂的抗收缩效果也都能改善界面粘结性能。同时试验还发现UHTCC中含有大掺量的粉煤灰和硅灰可以使UHTCC与混凝土的长期粘结抗拉强度大于普通新混凝土和钢纤维混凝土。此外预制UHTCC与老混凝土之间存在两个粘结面:UHTCC粘结层/老混凝土、UHTCC粘结层/UHTCC预制件,试件的粘结强度最终是由UHTCC、老混凝土基体、以及粘结层三者之间的薄弱面所决定的。 2.开展了T型切口复合梁试验,对UHTCC与混凝土双材料的界面断裂性能进行研究。通过电测法捕捉界面起裂荷载、监控界面裂缝扩展长度,确定双材料试件的起裂韧度和耗能能力。通过与钢纤维混凝土对比发现,UHTCC修复系统的破坏模式更具韧性特征,UHTCC材料能明显的提高构件的承载能力,具备更强的抗裂能力和能量吸收能力。而且预制UHTCC修复系统中的双界面特性,界面裂缝扩展长度更大,同等荷载条件下能量更多耗损在界面裂缝扩展上,能推迟裂缝嵌入修复材料中;另外预制UHTCC系统中的裂缝分布范围更广,使UHTCC材料自身也吸收了更多的能量,从而更好的发挥了UHTCC的材料韧性。此外试验发现界面裂缝扩展长度、起裂韧度和耗能能力都随着UHTCC修复层厚度和胶层厚度的增加而增大,并且复合梁的破坏模态与修复层厚度也有关:较厚的UHTCC修复层,会使修复层的材料破坏向后推迟,UHTCC与混凝土的界面裂缝扩展长度增大,更容易发生界面扩展;较薄的UHTCC修复层,容易发生UHTCC材料破坏,修复系统更容易进入极限状态,因此需要有一定的修补厚度来保证界面的起裂优先于材料的破坏,并给界面裂缝的扩展提供一定的空间,才可发挥UHTCC显著区别于普通修补材料的韧性优势,从而为实际工程提供更耐久的修补方法。 3.利用UHTCC材料显著的应变硬化特性和优异的裂缝控制能力,与轻质、高强度、抗磁化、耐腐蚀的碳纤维-玻璃纤维混编网结合,开展了纤维编织网增强UHTCC (TRU)加固钢筋混凝土梁的弯曲性能研究。分析纤维编织网的层数、栅格尺寸、修复长度等因素对受弯梁的承载力、变形、延性和破坏形态的影响,探讨整个加载过程中复合梁的内力变化和裂缝开展,并与纤维编织网增强砂浆材料、钢纤维混凝土修补材料对比,发现用UHTCC材料作为纤维编织网基体,能使上层混凝土中的宽大裂缝分散成UHTCC修复层中大量的细密裂缝,使混凝土层中的裂缝得到有效抑制,并且能大幅度的提高复合梁的承载能力,延缓构件的最终破坏,证实了纤维编织网增强UHTCC新型复合材料的优越性。 4.基于材料力学模型和平截面假定,对纤维编织网增强UHTCC加固钢筋混凝土梁受弯过程的不同阶段即未裂阶段、带缝工作阶段、截面破坏阶段中复合梁的内力变化和特点进行详细分析,给出了整个受力过程复合梁的承载力的计算公式;通过共轭梁法确定复合梁的挠度,并与受弯理论公式结合,计算复合梁的荷载挠度全曲线,最后通过与试验结果的对比,验证了理论公式的合理性。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU528

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5 本报实习记者 王维敏;建筑领域回荡机器人叩门声[N];中华建筑报;2010年
6 中国建筑材料科学研究院高级工程师、博士 王栋民;追忆我的恩师——吴中伟教授[N];中国建材报;2001年
7 叶鼎铨;复合材料[N];中国建材报;2003年
8 陈启宗;沥青再生技术设备开发迫在眉睫[N];中国交通报;2000年
9 邱凌;混凝土整体现浇建沼气池工艺[N];陕西科技报;2003年
10 中建一局四公司;带花岗石饰面层的预制混凝土外墙板(CPC板)生产工法[N];中华建筑报;2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王冰;超高韧性水泥基复合材料与混凝土的界面粘结性能及其在抗弯补强中的应用[D];大连理工大学;2011年
2 石雄伟;钢板—混凝土组合加固方法试验研究及实桥应用[D];长安大学;2012年
3 陶琦;钢筋锈蚀的临界氯离子浓度与混凝土的剩余寿命预测[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 徐锋;复杂应力状态下钢筋与混凝土的粘结性能[D];大连理工大学;2012年
5 蒋建华;气候环境作用定量模式及其在混凝土结构寿命预计中应用[D];中国矿业大学;2011年
6 张焱;特长公路隧道排烟道顶隔板结构抗火性能试验研究[D];中南大学;2010年
7 蔡新华;超高韧性水泥基复合材料耐久性能试验研究[D];大连理工大学;2010年
8 刘问;超高韧性水泥基复合材料动态力学性能的试验研究[D];大连理工大学;2012年
9 马清珍;混凝土灌芯速成墙板结构体系弹塑性分析[D];天津大学;2010年
10 胡春红;SHCC修复既有混凝土构件的界面粘结性能研究[D];西安建筑科技大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孔德杰;混凝土内钢筋阻锈剂的扩散及腐蚀抑制行为研究[D];华中科技大学;2013年
2 陈俊敏;表层嵌贴CFRP板条—混凝土界面粘结性能的研究[D];长沙理工大学;2012年
3 万先虎;高温干湿交替环境下FRP-混凝土界面粘结性能的耐久性研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
4 周宁;聚乙烯醇纤维水泥砂浆与混凝土界面粘结性能试验研究[D];湖南大学;2011年
5 韦华洋;纤维布与混凝土正拉粘结性能的试验研究[D];华侨大学;2011年
6 夏淼;PC简支梁桥抗裂及自修复研究[D];重庆交通大学;2013年
7 康宝龙;连续配筋混凝土路面结构温度应力分析及裂纹扩展研究[D];长安大学;2013年
8 郭涛;GFRP-混凝土组合桥面板受力性能研究[D];清华大学;2011年
9 马志鸣;内掺硅烷乳液混凝土在冻融环境下试验性能研究[D];青岛理工大学;2012年
10 史林;聚合物改性水泥混凝土复合梁的力学性能研究[D];重庆交通大学;2012年
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