论文总字数：78136字

摘 要

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)具有比强度高、复合能力强、耐久性优异的特点，满足土木工程结构具有轻量化、高层化、大跨化和高耐久的需求。纤维是UHPC重要组分之一，也是影响UHPC流变性能、力学性能和抗裂性能的重要因素，但目前纤维的选用和有效利用主要依靠经验。因此，本文以探究UHPC中纤维的有效利用设计为主要目标，围绕UHPC配合比设计理论、纤维对UHPC工作性能、基本力学性能和塑性抗开裂性能开展相关系统研究，具体结果如下：

(1)基于最紧密堆积理论，采用Funk-Dinger模型，并利用Microsoft Excel中Solver Tool实现了对UHPC中胶凝材料质量的确定；再结合UHPC工作性能，制定了试验用UHPC的配合比；最后通过选用合理的制备工艺和养护制度制备出自密实UHPC，基准配合比质量比如下：m(水泥)：m(硅灰)：m(超细矿粉)：m(超细碳酸钙)： m(中级砂)：m(水)：m(减水剂)=770：110：110：110：1100：176：33。

(2)研究了单种钢纤维、级配钢纤维和钢-合成混杂纤维对超高性能混凝土的工作性能和基本力学性能的影响规律，通过弯曲韧性和折压比数据分析了纤维对超高性能混凝土韧性的影响规律。通过悬浮液粘度公式和混凝土与水泥净浆的屈服应力的关系分析了纤维对流变性能的作用机理，结果表明，纤维影响粒子堆积密实度降低了体系的屈服应力，进而减小了流动性。

(3)选用“骨头状”试件和外部夹持的拉伸方法研究了纤维体积掺量、级配钢纤维和钢-合成混杂纤维对超高性能混凝土单轴拉伸行为影响，从位移-荷载曲线分析得到，掺入级配钢纤维和合成混杂纤维超高性能混凝土出现了应变硬化现象。通过纤维在不同角度、不同埋入深度、不同基体条件下的拔出特性，研究了纤维和基体界面粘结性能；基于单根纤维拔出模型，详细推导了单种纤维、级配纤维和钢-合成纤维的拉伸本构关系，通过拉伸本构关系和单根纤维拔出行为提出纤维有效利用的方法。

(4)研究了纤维体积掺量对超高性能混凝土的塑性收缩开裂性能的影响，试验结果揭示了纤维提高塑性抗拉强度和降低毛细负压，从而提升超高性能混凝土的塑性抗开裂能力。通过收缩抗力和收缩驱动力的分析超高性能混凝土的塑性收缩开裂机理，基于塑性收缩开裂机理提出了裂缝控制的方法。

关键词：超高性能混凝土(UHPC)；纤维；配合比设计；单轴拉伸性能；拉伸本构；

Abstract

Ultra High Performance Concrete (UHPC) with high strength, strong composite capacity, excellent durability characteristics, satisfys civil engieneering lightweight, high-rise, large span and high durability requirements.Fiber is an an important component of UHPC, while it is also vital for rheological properties, mechanical properties and crack resistance of UHPC, on the other hand, the selection and effective use of fibers rely mainly on experience. Therefore, in order to explore the effective use and design of fibers, this article is mainly about the mixture ratio design method, mechanical performance and plastic crack resistance of UHPC, research results are as follows:

1. Based on the closest packing theory, combining Funk-Dinger model with Microsoft Excel Solver Tool determines the weight of cementitious materials which is used to develop the UHPC. Nextly, choocing reasonable stiring procedure and curing method developes self-compacting UHPC, the mixture mass ratio except fibers is as follows: m (cement): m (silica fume): m (superfine slag powder): m (superfine calcium carbonate): m (sand): m (water): m (superplasticizer) = 770: 110: 110: 110: 1100: 176: 33.
2. Effect of single fibers, graded steel fibers and steel-synthetic hybrid fibers on rheological properties, mechanical properties is studied. By use of the flexural toughness factor and flexural strength to compressive strength ratio, the toughness performance of UHPC is studied. Through suspension viscosity formula and relationship of yield stress of concrete and cement paste mechanism of the rheological properties of the fibers is clarified, the results show that partile packing density decreasing influenced by fiber caused the reduce of yield stress of the system.
3. The “dogbone shape” spicemen and external gripping method are selected to study effecte of single fibesr, graded steel fibers and steel-synthetic hybrid fibesr on the uniaxial tensile behavior of UHPC. Accoriding to displacement-Load curves, UHPC incorporating graded steel fibers and steel-synthetic hybrid fibesr shows strain-harding behavior. To study the bonding properties of fiber and matrix, the pullout characteristics of fibers at different angles, different emerged depth and diffirent matrix are tested. Based on the sigle fiber pullout model, the article derives uniaxial tensile constitutive with single fibers, graded steel fibers and steel-synthetic hybrid fibers to propose the method to make fibers used effectively.
4. Effect of fiber volume content on plastic shrinkage cracking of UHPC is tested, the results reveales that fibers increase the plastic tensile strength and reduce capillary pressure, which enhance the crack resistance of UHPC. By analyzing the shrinkage resistance and driving force, the plastic shrinkage cracking mechanism is supported, finaly, the crack control method is proposed by use of fibers.

Key words: ultra-high performance concrete (UHPC); fiber; mixture design; unixial tensile properties; tensile constitutive;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状及存在问题 1

1.2.1国内外研究现状 1

1.2.2存在的主要问题 5

1.3研究内容及技术路线 6

1.3.1研究目标 6

1.3.2技术路线与主要研究内容 6

第二章 配合比设计与制备技术 8

2.1试验原材料与性能 8

2.1.1水泥(简写为C) 8

2.1.2超细矿粉(简写为SL) 8

2.1. 3硅灰(简写为SF) 8

2.1.4细集料(简写为S) 9

2.1.5外加剂(简写为SP) 9

2.1.6水(简写为W) 9

2.1.7纤维 9

2.2配合比设计方法 10

2.2.1计算模型——Funk-Dinger方程 10

2.2.2基于规划求解方法的配合比设计 10

2.2.3配合比确定 12

2.3制备方法 13

2.4养护制度 14

2.5本章小结 14

第三章 纤维对超高性能混凝土工作性性能与基本力学性能影响 15

3.1基础理论与试验方法 15

3.1.1混凝土流变学 15

3.1.2纤维增强机理 15

3.1.3试验方法 16

3.2工作性试验结果与分析 17

3.2.1工作性试验结果 17

3.2.2工作性试验机理分析 19

3.3抗压强度试验结果与分析 20

3.3.1纤维体积掺量对UHPC抗压强度的影响 20

3.3.2级配钢纤维对UHPC抗压强度的影响 21

3.3.3钢-合成纤维混杂对UHPC抗压强度的影响 22

3.3.4纤维UHPC抗压强度影响的机理分析 22

3.4抗折强度试验结果与分析 24

3.4.1纤维体积掺量对超高性能混凝土抗折强度的影响 24

3.4.2级配钢纤维对UHPC抗折强度的影响 25

3.4.3钢-合成纤维混杂对UHPC抗折强度的影响 26

3.4.4纤维UHPC抗折强度影响的机理分析 27

3.5韧性评价 27

3.5.1弯曲韧性评价 27

3.5.2折压比分析 31

3.7本章小结 32

第四章 超高性能混凝土单轴拉伸性能研究 33

4.1单轴拉伸试验方法 33

4.1.1单轴拉伸试验方法 33

4.1.2测试方法与测试过程 34

4.2超高性能混凝土单轴拉伸力学性能 34

4.2.1基本力学性能参数 34

4.2.2单轴拉伸试验结果与分析 35

4.3拉伸本构模型的建立 39

4.3.1单种纤维拉伸本构关系 39

4.3.2钢-合成纤维混杂拉伸本构分析 41

4.3.3级配钢纤维拉伸本构模型 43

4.4基于拉伸本构的机理分析 45

4.4.1单种纤维分析 45

4.4.2级配钢纤维混杂分析 45

4.4.3钢-合成纤维混杂分析 45

4.5纤维与超高性能基体界面性能 46

4.5.1单根纤维拔出模型 46

4.5.2单根纤维拔出试验方法 48

4.5.3单根纤维拔出试验基本参数分析 48

4.6纤维有效利用与纤维设计 55

4.7本章小结 56

第五章 钢纤维对UHPC塑性收缩开裂性能的影响 57

5.1试验方法 57

5.1.1塑性开裂试验模具 57

5.1.2塑性开裂试验过程 57

5.1.3裂缝图像分析 57

5.1.4毛细负压测试 58

5.1.5塑性抗拉强度测试 58

5.2结果与分析 59

5.2.1塑形开裂裂缝与软件处理结果 59

5.2.2塑性开裂裂缝定量分析结果 60

5.2.3毛细负压与塑性抗拉强度测试结果 60

5.3基于塑性收缩的开裂机理分析 61

5.3.1塑性收缩开裂抗力 62

5.3.2塑性收缩开裂驱动力 62

5.3.3基于塑性收缩开裂的模型 62

5.4基于塑性收缩的开裂机理裂缝控制方法 64

5.4.1裂缝开口位移 64

5.4.2塑性抗拉强度与毛细负压的关系 64

5.4.3裂缝控制方法提出 65

第六章 结论与展望 66

6.1研究结论 66

6.2创新点 67

6.3展望 67

参考文献 68

致谢 72

第一章 绪论

1.1研究背景

根据国民经济的发展规划，到2020年，铁路营运里程将达到12万公里以上，新建客运专线1.6万公里以上，到2049年，水电工程要达到24个三峡工程的装机总量^[1]。随着中国城镇化和经济的高速发展，我国基础设施和国防设施建设进入黄金时期，有高抗压强度和优良性能的水泥基材料是目前应用最广泛的建筑材料，但其抗拉抗折强度低、脆性大和易开裂的问题却大大降低了混凝土结构的服役寿命与安全性，基础设施和国防设施对结构的安全性和寿命提出了新的要求。与此同时，在国家发展方向方面，实现高空建设，沙漠草原的建设，南北极与海洋结构已成为我国战略发展重要发展方向；在结构工程方面，新时期土木工程结构具有轻量化、高层化、大跨化和高耐久等特点，在桥梁工程方面，大跨预应力混凝土箱梁桥普遍出现梁体开裂和主跨长期下挠严重等问题^[2,3]。因此，基于这样的背景下，具有比强度高、复合能力强、耐久性优异的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)成为了水泥基材料领域研究的热点和重要发展方向之一^[4,5]。此外，UHPC由于极高的抗压强度，能大幅度减轻结构的自重，与此同时减少了对水泥的需求量，同时可以利用粉煤灰，矿渣等工业废弃材料，减少了资源能源的消耗^[6,7]。在混凝土领域，超高性能混凝土依然成为推动节能减排与可持续发展的重要力量和必然趋势。

虽然超高性能混凝土具有多种优良性能和多项功能，由于UHPC制备时采用低水胶比、大掺量胶凝材和无粗骨料，导致其收缩大，具有极高开裂风险，易引起UHPC结构的耐久性和安全性降低^[8-11]。同时，采用钢纤维作为增强相，但纤维的使用和有效利用几乎均依据工程经验。因此，找到一种有效利用钢纤维的精准设计方法还需要深入研究。

此外，纤维与水泥基材料流动性、力学性能和塑性抗开裂性能具有密切关联，如浆体流动性影响纤维分散^[31]、纤维分散与取向对水泥基材料力学性能也会产生影响^[24]，纤维均匀分散能提高水泥基材料的抗开裂开裂性能^[27]。

因此，本文以实现纤维的有效利用和精准设计为目标，系统研究纤维对UHPC工作性能、力学性能和塑性抗开裂性能影响规律与作用机理的研究具有重要的现实意义和科研价值。

1.2国内外研究现状及存在问题

1.2.1国内外研究现状

1.2.1.1超高性能混凝土的定义与特点

随着矿物掺合料、各种化学外加剂和工程纤维的应用，配制具有高性能并满足工程要求的水泥基复合材料成为现实。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是法国Bouygues公司在1993研制出的具有超高强、超韧性、高耐久性和体积稳定性良好特性的水泥基复合材料^[12]，超高性能混凝土是在RPC的基础上发展而来而又有所拓展。超高性能混凝土(Ultra HighPerfoIrmance Concrete，UHPC)是De．Larrand与Sedran在1994年首次提出的^[13]，后被大众接受并沿至今。美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国混凝土硕士学位论文协会(ACI)，美国Mehta.P.K教授，法国Malier教授和中国蒲心诚教授曾定义超高性能混凝土^[14]。近年，学界针对超高性能混凝土给出了一定释义并逐渐达成共识，简要定义描述如下：

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