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纤维自密实混凝土工作性能和抗剪性能研究

刘思国  
【摘要】: 传统混凝土的工作性能低下、结构构件中抗剪钢筋过密或配置不当等因素,不仅影响混凝土的浇筑质量,甚至减少混凝土与钢筋的有效粘结和混凝土保护层厚度,直接降低结构的安全度和耐久性。许多欧美国家都在致力于高性能混凝土的研究,其中纤维增强自密实混凝土为一重点研究方向。已有的研究表明,纤维自密实混凝土具有自密实混凝土的高工作性能以及纤维混凝土高韧性的优点,这是纤维自密实混凝土结构应用时减少箍筋用量、增加箍筋间距并保持良好耐久性的重要前提。但是目前国内外关于纤维自密实混凝土工作度、流变学特性、配合比设计、弯曲韧性、剪切韧性的研究较少,关于钢纤维自密实混凝土配筋构件抗剪性能的研究尚未见诸报道。 本文分析了自密实混凝土工作性能、纤维混凝土韧性、钢筋混凝土梁抗剪性能以及钢筋钢纤维混凝土梁抗剪强度研究进展,在此基础上,结合国家自然科学基金项目:混杂纤维自密实混凝土工作性能与力学性能的研究(50578026),主要进行了以下几个方面的工作: (1)采用国际上应用较为广泛的工作度评价方法试验研究了新拌纤维混凝土拌合物的工作性能,在大量工作度试验的基础上得到了满足工作度和强度要求的高耐碱玻璃纤维自密实混凝土、改性聚丙烯纤维自密实混凝土、混杂纤维自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土;通过对纤维自密实混凝土配合比计算和调整过程的总结,并与国内外已有的自密实混凝土和纤维自密实混凝土配合比设计方法对比,得到一个实用性较强的纤维自密实混凝土配合比设计流程。 (2)以Bingham模型为基础,利用Tresca屈服准则,建立了新拌混凝土坍落流动速度和坍落流动直径的微分方程,推导得到屈服应力和坍落流动度的关系,并利用坍落流动时间T500计算拌合物的平均粘度反映塑性粘度大小。应用所得坍落流动度模型计算了聚丙烯纤维砂浆拌合物的坍落流动速度及钢纤维自密实混凝土的初始流动屈服应力和平均粘度,结果表明建议模型可以较好的反映自密实混凝土和纤维自密实混凝土的流变学特性参数。 (3)试验研究了纤维自密实混凝土抵抗早龄期非自由收缩的性能;分别采用德国纤维混凝土标准(DBV 1998)和国际材料与结构联合会推荐标准(Rilem TC 162-TDF)较为全面的分析了高耐碱玻璃纤维、改性聚丙烯纤维、混杂纤维和钢纤维对硬化后自密实混凝土梁能量吸收能力和开裂后抗弯强度的影响;统计分析得到钢纤维自密实混凝土抗压强度和抗弯强度预测经验公式;建议了钢纤维自密实混凝土抗剪强度和剪切韧性试验和分析方法。研究结果表明,混杂纤维能够显著限制自密实混凝土早龄期的非自由收缩和开裂;采用建议方法可以全面评价钢纤维自密实混凝土的剪切韧性;钢纤维能够明显提高自密实混凝土的弯曲韧性和剪切韧性。 (4)以钢纤维掺量、配箍率、抗弯钢筋配筋率和剪跨比为主要变量,试验研究了钢纤维对钢筋自密实混凝土梁破坏形态、荷载-挠度关系、荷载-抗弯钢筋应变关系、荷载-箍筋应变关系、荷载-剪跨区混凝土应变关系的影响。研究结果表明,钢纤维可以改善梁的破坏形态,随钢纤维掺量增加,梁的破坏模型甚至发生转变;钢纤维可以提高钢筋自密实混凝土梁的抗剪或抗弯承载力,控制梁挠度、抗弯钢筋和箍筋应变以及混凝土应变的发展,提高和控制效果随钢纤维掺量的增加而变得显著;钢纤维与箍筋共同抗剪时,可以减少箍筋用量、增大箍筋间距,同时保证梁不发生剪切破坏。 (5)分析了钢纤维对钢筋自密实混凝土梁的抗剪机理的贡献,结果表明钢纤维能够增强梁作用和拱作用,并且钢纤维的桁架作用对梁的抗剪强度有直接贡献。采用抗压强度、纤维有效增强因子、抗弯钢筋配筋率、钢纤维等效配筋率、剪跨比和相对剪跨比分别表达梁作用、拱作用和钢纤维桁架作用对抗剪强度的贡献,建立了钢筋钢纤维自密实混凝土梁抗剪强度预测模型;通过对81根钢筋钢纤维混凝土梁和66根钢筋钢纤维自密实混凝土梁的统计分析,确定了模型中的系数。对比结果表明,建议模型计算的抗剪强度与实测的抗剪强度吻合的很好。


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