混凝土多尺度特征与多尺度纤维增强理论研究进展.pdf
《混凝土多尺度特征与多尺度纤维增强理论研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《混凝土多尺度特征与多尺度纤维增强理论研究进展.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2 0 1 4年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONC RE T E AND C E MENT P R0DUC T S 2 01 4 NO 3 Ma r c h 混凝土多尺度特征与多尺度纤维增强理论研究进展 张 聪 , 曹明莉 , 许 玲 ( 大连理工大学土木工程学院 , 1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 : 结合 混凝 土的多尺度特征与 多尺度 纤维增强理论 , 阐述 了开展 多尺度 纤维增 强混凝 土研 究的意 义, 总 结了国 内外对于混凝 土 多尺度特征 与采用 多尺度纤 维增强混 凝土的研 究现状 , 设 计 了一种新型的 多尺度 纤维体 系 增强
2、水泥基复合材料 关键词 : 混凝 土: 多尺度 ; 纤 维增 强 Ab s t r a c t :Ac c o r d i n g t o t h e mu l t i - s c a l e c h a r a c t e ris t i c a n d mu l t i - s c a l e fi b e r r e i n f o r c i n g t h e o r y ,t h e s i g n i fi c a n c e o f mu l ti s c a l e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s e x p
3、o u n d e d A n d t h e r e s e a r c h s t a t u s o f mu l t i s c a l e c h a r a c t e ri s ti c a n d mu l t i s c a l e fi b e r r e i n f o r c i n g t h e o r y i s s u mma ri z e d h o me a n d a b r o a d Ba s e o n t h i s o v e r v i e w, a n e w k i n d o f mu l t i s e a l e fi b e r r
4、 e i n f o r c e d c e me n t b a s e d c o mp o s i t e i s d e s i g n e d Ke y wo r d s :C o n c r e t e ; Mu h i S C ale : F i b e r r e i nfo r c e me n t 中图分类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 3 4 4 0 5 0前言 社会的高速发展伴随着建筑材料尤其是混凝 土材料的不 断进步。但混凝 土材料存在抗拉强度 低 、 脆性明显 、
5、易开裂 、 极限延伸率小以及动态力学 性 能差等缺点 , 使得混凝土构筑物的安全性 、 耐 久 性、 适用性和美观性在很大程度上取决于混凝土材 料性能的优劣【 l l 。近年来 。 随着超高层 、 大跨度 、 超大 型 昆凝土构筑物的出现 尤其是在复杂恶劣环境下 服役 的混凝土构筑物的 日益增加 、 自然灾害频繁发 生 、 基础设施老化 问题 的进一步加剧等 , 使混凝 土 材料面临着新 的挑 战 , 工程事故频频爆发 , 给人类 带来沉痛的灾难和巨大的经济损失 。 要减少 因混凝土材料 自身缺陷而导致的工程 事故 , 必须提高混凝土材料 的韧性 、 延性 、 破坏过程 中的耗能能力 、 对裂
6、缝 的控制 能力 、 耐久性及动态 力学性能 , 有效 手段之一是掺加纤维材料 , 配制高 性 能纤 维增 强混凝 土 材料 ( HP F R C) 罔 。近年 来 纤维 混 凝 土材 料 得 到 了广泛 的应 用 , 纤 维 材 料 的 引入 减 少甚至消除了混凝土的早期收缩裂缝 , 减小了荷载 裂缝 ,将混凝 土裂缝控制在有害程度允许范围 内, 提高 了混凝土材料的韧性 、 延性等。纤维的增 强作 用取决于纤维 自身的材料属性与几何特征 , 为了充 分发挥不 同种类 、 不 同几何特征纤维的作用 , 混杂 纤维在混凝土 中的应用受到 了越来越多研究人员 基金项 目: 国家 自然科学基金项
7、目( 5 1 1 0 2 0 3 5 ) 。 一 4 4一 的关注。通常 两种不同种类或者相同种类但 不同 几何特征 的纤维被混杂应用于混凝土材料 中 , 可使 纤维充分发挥各 自的作用 , 甚至出现正混杂效应。 众所周知 ,混凝土材料 具有多尺度 的结 构特 征 , 其微 观结 构 影 响着 宏 观结 构 性 能 。在 微 观 尺 度 上 , 水泥水化产物 ( 水 化硅酸 钙凝胶 、 氢 氧化钙 晶 体 、 钙矾石等) 提供胶凝能力 , 构成混凝土材料的微 观结构 ; 在细观尺度上 , 水泥和砂子构成水泥砂浆 , 胶结 石子构成混凝 土材料 : 在宏观尺度上 , 石子与 水泥砂浆组成混凝土材
8、料 , 硬化成各种混凝土构件 和构 筑物 ( 图 1 ) 。 考虑到上述混凝土材料 的多尺度特征 , 使用单 一 纤维或者现在被广泛研究的混杂纤维 , 并无法真 正意义上实现对混凝土材料的有效增强。就像单一 粒径的石子无法实现密实堆积一样 只有加入小粒 径 以及更小粒径的石子 、 石粉 才能使体系达到密 实 堆 积状 态 。针 对混 凝 土 材料 的多 尺度 特 征 , 利 用 与之匹配 的多尺度纤维进行各尺度上的增强 , 是提 高混凝土材料整体性能 的有效手段 。简而言之 , 使 用纳米或者微米级纤维改善混凝土材料 的微观结 构 ,限制材料内部微观尺度裂纹 的产生与发展 。 实 现对混凝土材
9、料的微观增强 ; 使用微米或者毫米级 纤维优化混凝土材料的细观结构 。 限制材料 内部微 裂纹贯通 、 融合成为细观尺度裂缝 阻碍其 向宏观 裂纹 进 一 步 生长 、 扩 展 实 现 对混 凝 土 材 料 的 细 观 增强 : 使用毫米或者厘米级纤维提高混凝 土材料的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 5期 了试验的可操作性 。2 0 0 7年 C P i c h l e r 等人建立 了多 尺 度微 观 力 学模 型 研 究 水 泥 基 材
10、 料 早 龄 期 自 收缩 问题 ,相 比于 D P B e n t z和 Y P X i 等 人 对 于 混凝土收缩问题的理论探索 , 该项研究以新奥法隧 道开挖过程中喷射混凝 土的早龄期 自收缩 问题 为 工程背景 , 所建立的多尺度微观力学模型可有效地 指导 喷射 混凝 土 的工程应 用 。P K a b e l e建立 了研 究纤维增强水泥基材料 断裂及破坏过程 的从微 观 到 细 观 再 到 宏 观 的 多 尺 度 框 架 该 成 果 是 对 K o i c h i Ma e k a w a等人研究的进一步深入 。揭示 了纤 维增强水泥基材料断裂及 破坏过程 中的多尺度特 性 。2
11、0 0 8年 , C P i c h l e r 等 学者 建立 了 喷射混 凝土徐 变的多尺度模型 , 该研究 阐述 了 C S H从微观尺度 到宏观尺度的粘性行为 , 该模型亦被用于喷射混凝 土隧道衬砌 的研究分析 。2 0 0 9年 , J a e s u n g L e e等 在水泥浆 、 砂浆 、 混凝土三个尺度上研究了混凝土 材料 高 温 条件 下 弹性 模 量 的变 化 特点 并 以此 建立 了预测混凝土高温弹性模量变化的多尺度模型 该研究对混凝土高温性能的探索具有积极的意义。 1 2多尺度 纤 维增 强混凝 土 的研究 进展 国 际 上 E P a r a n t和 P R o
12、 s s i 于 2 0 0 7年 提 出 “ 多尺度纤维增强水泥基材料 ( MS F RC C ) ” 的概念 , 并使用j种不 同长度的钢纤维配制出了高性能多 尺度纤维增强水泥基 材料 , 并研 究了其疲劳破坏行 为 、 在极端环境 中且负荷状态下 的耐久性冽冲击 和 疲 劳作 用 下 的破坏 机 理 , 该 种 M S F R C C材 料 表 现 出 了极 为 优 秀 的静 态 、动 态 力 学 性 能 以及 耐 久 性 。但是 , 研究 中对 于钢纤维 的选用仅从长度上考 虑 , 而研究表明 , 直径越小 的纤维对微裂纹 的控制 越有利_3 】J 因此 , 仅从纤维长度变化来设计多尺
13、度纤 维增强混凝土是有失偏颇 的。此外 , 该研究 中钢纤 维的总掺量惊人 , 已达到 8 5 8 k m ( 体积掺 量约为 1 1 ) , 材料的经济性有待斟酌 : 而且试验所用水胶 比低 至 O 1 6 , 并有大量 的硅灰引入 这必然导致拌 合过程 中更 大剂量 的高效减水剂和超塑化剂 的使 用 , 在提高生产成本 的同时 , 也使拌合工 艺和拌合 质量变得更加复杂和难以控制。 在国内, 2 0 1 2年, 梁宁惠等人选用不 同直径 、 不 同长度 的聚丙烯纤维混杂组成多尺度纤维 , 研究 了 多 尺度 聚丙 烯 纤 维 增 强 混 凝 土 材 料 的单 轴 拉 伸 性 能以及抗裂性能
14、。研究发现 多尺度聚丙烯纤维增 强混凝 土的抗拉韧性相 比于其他混杂方式 的抗拉 韧性是最佳的 , 并且实现了对于混凝 土材料阶段抗 裂、 层次抗裂的 目的 3 】 。但是 , 研究者对于多尺度 纤 维 的选 取 并 没有 基 于 混 凝 土 材 料 的多 尺 度 特 性 考虑 , 而且 所选 用 的 聚丙 烯纤 维 属 于低 强 、 低 弹模 、 高延伸率纤维 理论上并不利于通过纤维桥联裂缝 传力实现对微裂纹 、 宏观裂缝 的控制以及对混凝土 材料 的有效增 强作用 。 因此 。 该研究 中多尺度聚丙 烯纤维对混凝土材料的增强效果并不显著。实际工 程中, 聚丙烯纤维常用来提高混凝土材料抵抗非
15、结 构型裂缝 以及限制水分耗散的能力 其建议掺量一 般为 0 9 k m 左右 , 因为随着纤维掺量 的提高 。 聚丙 烯纤 维的分散性会越来越差 , 因此 。 研究者在试验 中所使用的 6 9 k g m 的掺量 ,从实用性和经济性方 面都是值得进一步探讨的。 2一 种 新型 的 多尺 度 纤维 体 系增 强 水 泥基 复 合 材 料 2 1 多尺度 纤维 体 系 钢 纤 维 对 于水 泥 基 材 料 宏 观 裂缝 的 桥 联 作 用 已得到普遍认 同, 钢纤维的掺入使材料的韧性得到 显著提高 ; 聚乙烯醇纤维 ( P V A) 对于水泥基材料初 裂 后 的细 观 开裂 阶段 的 阻裂 作
16、用也 得 到 了证 实 l6 : 而纳米级纤维材料( 如碳纳米管等 ) 以及微米级纤 维 材料 ( 如碳 酸 钙 晶须 等【 3 s ) 对 于水 泥 基材 料 的微 观阻裂增强作用也已受到了越来越多的关注 , 但基 于材料的成本考虑 , 1 5 0 0元 t 的碳 酸钙晶须更适合 于 在水 泥 基 材料 中用作 微 观增 强 纤 维 。 因此 , 从 纤 维 几 何尺 度 和成 本 两方 面考虑 , 可 以选 用碳 酸钙 晶 须 、聚乙烯醇纤维 以及钢纤维构成多尺度纤维体 系, 纤维材料的具体参数如下。 钢纤维 : 上海某公 司产 , 无端部弯钩 , 长 1 3 ram, 直径 0 2 mm
17、。 长径 比 6 5 抗拉强度不低于 2 0 0 0 MP a ; P V A纤维 : 安徽某公司产, 长 6 ram, 直径 3 l m, 抗拉 强度 1 I O O MP a 弹 性模 量 4 1 G P a : 碳 酸钙 晶须 : 四川 某公 司产 , 长 2 0 3 0 m, 直径 0 5 2 m, 长径 比 l 5 6 0 , 抗拉强度 3 6 G P a , 弹性模量 4 1 0 7 1 0 G P a 生产 成本 1 5 0 0元 t 。纤维的配 比具体如表 1所示。 表 1多尺度纤维体系 的构成 4 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w
18、 w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 5期 c o n t e n t 5 9 3 1 1 6 6 6 h t m 【 8 】 沈荣熹 新型纤维增强 水泥基复合 材料【 M】 北京 : 中国建 材 工 业 出版 社 2 0 0 4 9 K M a e k a w a ,T I s h i d a Mu l t i - s c a l e m o d e l i n g o f c o n c r e t e p e rf o r m a n c e 【 J 1 J o u r n a l o f A d v a n c
19、e d C o n c r e t e T e c h n o l o g y , 2 0 0 3 , 1 ( 2 ) : 9 1 - 1 2 6 1 O 】 D P B e n t z , D A Q u e n a r d , e t a 1 Mo d e l l i n g d r y i n g s h ri n k a g e o f c e me n t p a s t e a n d mo r t a r P a r t l :S t r u c t u r a l mo d e l f r o m n a n o me t r e s t o mi l l i me t r e
20、 s J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s , 1 9 9 5 , 2 8 :4 5 0 - 4 5 8 【 l 1 】 D P B e n t z , E J G a r b o c z i , e t a 1 M u l t i - s c a l e d i g i t a l i ma g e b a s e d m o d e l i n g o f c e me n t b a s e d m a t e ri a l s J 】 Ma t e ri a l s R e s e a r c h S o c i e t y , 1 9
21、 9 5 , 3 7 : 3 3 - 41 1 2 】E J G a r b o e z i , D P B e n t z M u h i s c a l e a n a l y t i c a l n u me ri c al t h e o ry o f t h e d i f f u s i v i t y o f c o n c r e t e J A d v a n c e d C e m e n t B a s e d Ma t e r i a l s , 1 9 9 8 , 8 :7 7 8 8 1 3 】 D P B e n t z , E J G a r b o c z i
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 混凝土 尺度 特征 纤维 增强 理论 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【super****30541】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【super****30541】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。