摘 要

为了探究纤维取向分布方向对复合混凝土结构力学性能的影响，本文设计了一种磁化后钢纤维取向与受力方向具有固定夹角的新型水泥复合材料，并对这种材料的抗外力破坏性能进行了测试。在设计配合比时，依据Anderson和修正后的Andereson方程，并运用Matlab软件编程对所有原材料粒径级配进行拟合，之后将最小二乘法得数与目标曲线进行对比得出超高强混凝土（UHPC）的配合比。制备时，先将钢纤维在强磁场中磁化，之后制备钢纤维体积系数分别为0.5%、1%、1.5%的UHPC水泥浆体，并外加磁场，使钢纤维基本上取向统一。

研究结果表明：拟合后配合比的质量比为：水泥：硅灰：粉煤灰：砂1（0~0.6mm）；砂2（0.6~1.25mm）为750：200：144：770：200。在水胶比0.185、钢纤维掺量1%的情况下制备的混凝土，经过1天后脱模，在90℃条件下蒸气养护3天，测得其抗压强度为130MPa，抗折强度为19MPa。同时，对比纤维取向一致混凝土和乱向混凝土强度，发现纤维取向一致钢纤维超高混凝土与乱向分布钢纤维超高强混凝土相比，纤维取向和受力方向垂直的情况下对基体的抗压强度具有促进作用。

关键字：超高强混凝土；钢纤维；取向；紧密堆积原理

Abstract

In order to explore the influence of the direction of fiber orientation on the mechanical properties of composite concrete structures, a new type of cement composite material with a fixed angle between the orientation of the steel fibers and the direction of the force after magnetization is designed. The resistance to external forces of this material is performed. Tested. When designing the mix ratio, according to Anderson and the modified Andereson equations, and use Matlab software programming to fit all the raw material particle size grading, after comparing the least squares method with the target curve to obtain ultra high strength concrete (UHPC ) The mix ratio. During the preparation, the steel fibers are first magnetized in a strong magnetic field, and UHPC cement pastes with steel fiber volume coefficients of 0.5%, 1%, and 1.5% are prepared, and a magnetic field is applied to make the steel fibers oriented substantially uniformly.

The results show that the mass ratio of the mix ratio after fitting is: cement: silica fume: fly ash: sand 1 (0-0.6 mm); sand 2 (0.6-1.25 mm) is 750:200:144:770:200 . The concrete prepared with a water/binder ratio of 0.185 and a steel fiber content of 1% was demoulded after 1 day. The steam curing was carried out at 90°C for 3 days. The measured compressive strength was 130 MPa and the flexural strength was 19 MPa. It can be concluded that the fiber orientation ultra-high concrete with steel fiber and steel fiber super-high-strength steel structure with random distribution, the direction of the fiber orientation and the force perpendicular to the compressive strength of the matrix can promote the role.

Key Words: Ultra-high strength concrete; Steel fiber; Orientation; Close packing principle

目 录

第1章　绪论 1

1.1　引言 1

1.2　超高性能混凝土（ＵＨＰＣ）简介 1

1.2.1　超高性能混凝土（UHPC）的发展历程 1

1.2.2 UHPC材料组成 2

1.3　纤维增强作用机理 3

1.3.1　复合材料力学理论 3

1.3.2　纤维间距理论 3

1.4　纤维取向对UHPC的作用国内外现状 4

1.4.1　国内研究现状 4

1.4.2　国外研究状况 4

1.5　本课题研究目的和内容 5

1.5.1　研究目的 5

1.5.2　研究内容 5

第2章　实验材料和方法 6

2.1　原料 6

2.1.1　水泥 6

2.1.2　粉煤灰 6

2.1.3　硅灰 7

2.1.4　砂 7

2.1.5　减水剂 8

2.1.6　钢纤维 8

2.1.7　钕磁铁 9

2.2　实验方法 10

2.2.1　试块强度测试 10

2.2.2　相对坍落度测试 10

2.2.3　扫描电镜（SEM） 11

第3章　超高性能混凝土制备 12

3.1　基于最紧密堆积原理配合比设计 12

3.2　配合比设计验证 13

3.2.1　力学性能分析 13

3.2.2　扫描电镜（SEM）图像分析 16

3.3　本章小结 16

第4章　取向钢纤维UHPC的配制 17

4.1　单向钢纤维UHPC的制备原理 17

4.2　钢纤维受力分析 17

4.2.1　磁场作用力及单根纤维转力矩 17

4.2.2　UHPC中受到的阻力 18

4.2.3　钢纤维的转动分析 18

4.2.4　受力分析 19

4.3　定向钢纤维UHPC的制备 20

4.4　不同取向钢纤维UHPC抗压强度的影响 22

4.5　破坏形态上分析 24

第5章　结论 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 引言

进入近代社会，伴随着人类文明不断的进步和发展，混凝土^[1]作为土木工程行业中应用范围最广，用量最大的建筑材料，在科研人员的不断努力下，其强度等级在不断的提高，高性能和超高性能混凝土开始逐步走上历史舞台。第七届高强度、高性能混凝土的国际会议的主题报告指出：在混凝土技术方面上的突破性进展就是超高性能混凝土。该种新型混凝土是于1933年研制成功，其抗压强度在100MPa以上，且具有很好的耐久性，因此被称为超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete）^[2-3]。超高性能混凝土（UHPC）得到了建筑行业的大批学者和工程师的强烈的关心，并投入了大量的心血研究，取得了一定的成果。大量的实验研究表明单纯的UHPC虽然具有超高的强度和耐久性同时也是一种高脆性材料，其受压破坏时呈现出爆炸破坏的方式，一旦开裂便丧失了基本的承载能力^[4-6]。目前，国内外通过掺入一定量的纤维的方式来改善超高性能混凝土的脆性。本文探究纤维取向分布方向对复合混凝土结构力学性能的影响。

1.2 超高性能混凝土（UHPC）简介

根据美国的联邦高速公路管理局的技术报告中指出：超高性能混凝土是由细颗粒组成的水泥基复合材料^[7]。UHPC具有优秀的粒径级配组合，含有强度非常高且离散分布均匀的钢纤维，配合比中水灰比小于0.25。UHPC和普通混凝土相比，其孔隙均匀且连续，有效的减少了氯化物和硫酸根离子的侵蚀，是一种高强度、高韧性的可持续发展的建筑材料。

1.2.1 超高性能混凝土（UHPC）的发展历程

超高性能混凝土（UHPC）是近年来混凝土工程界研究与应用的热点之一，与传统的普通混凝土相比是一种新型的水泥基复合材料。目前，改善普通混凝土性能的三种模型分别是：宏观无缺陷水泥基材料（MDF）、超细颗粒致密体系（DSP）和活性粉末混凝土（RPC）。

（1）宏观无缺陷水泥基材料（MDF）

Birrchall^[8]等人提出MDF概念来改善普通混凝土的延展性和机械性能。MDF组成材料主要包括：采用高强度的硅酸盐水泥或铝酸盐水泥、水性树脂材料。MDF水灰比小于0.2，有机物填充水泥基的孔隙来获得密实的基体，同时MDF硬化过程中出现的大孔隙和粗大晶体，要用特殊搅拌成型工艺，经过高速搅拌而制得的试块，抗压强度接近300MPa，抗折强度接近150MPa，弹性模量接近50GPa。

MDF被广泛应用于注模机械的绝缘片、制蜂窝绝缘热板、太阳能小汽车外壳、装饰板材等，同时在声学、电学、防护用品等诸多领域得到了应用^[7]。这种材料在加入钢纤维后粘性较大基本无流动性，成型困难，耐水性差，收缩大，至今在建筑领域没有得到使用。

（2）均布超细颗粒致密体系（DSP）

随着高效减水剂的出现，丹麦Aalbrog Portland公司的Bache^[8]等科学家参考水泥颗粒密实堆积原理，首次提出超细颗粒密实填充水泥基材料，这种材料的原料组成为：水泥、硅灰、聚羧酸高效减水剂，它的粉体填充率和高效减水剂的双重作用使基体密实，配合料在搅拌机充分搅拌至均匀后进行浇注、加压成型，在高温蒸汽下养护，检测结果为：抗压强度180~300Mpa，抗折强度为15~40Mpa，断裂韧性0.5MPa·m^1/2。这种高密实的物料体系奠定了超高性能混凝土（UHPC）发展的基础。

DSP材料被广泛应用在腐蚀介质保护层、工程零部件等，如连杆、螺丝刀、水泥磨的喂料装置等诸多领域。但因其成本高昂，现场无法浇筑应用等原因限制了DSP材料的发展。

（3）活性粉末混凝土（RPC）

1993年，P.Richard等人根据超细颗粒均质分布原理（DSP）剔除了混凝土中易产生缺陷的粗骨料，同时减小了细集料的粒径，并采用热压的条件下高温蒸压的方法成型。活性粉末混凝土是以水泥、硅灰、磨细的石英砂、高效减水剂、钢纤维等为主要原料制备的混凝土，这种材料在高温下充分的发挥了硅灰的填充作用和火山灰效应，它利用钢纤维的阻裂作用，从而其韧性得到有效提高。这种材料的优秀性能包括很多，例如：水胶比低、强度高、韧性好、不使用粗骨料、配料体系的均质性好等等。

1.2.2 UHPC材料组成

1.2.2.1 水泥

水泥在UHPC与传统混凝土中作用基本相同，它在超高性能混凝土（UHPC）中主要起到了胶结作用^[10] ，而且伴随着水泥的掺量增加，试样的抗压、抗折强度随之增加，但是达到一定限度范围之后，性能反而会下降。水泥中C₃A水化需要较高的用水量，因此制备UHPC时通常采用C₃A含量较低的水泥^[11-12]。

1.2.2.2 骨料

位于水泥浆体和骨料间的界面过渡区是混凝土的薄弱环节，因此骨料的粒径和界面过度区的胶结强度呈现了非线性关系，骨料的粒径越大界面过度区的胶结强度越低^[13]。通过剔除粗骨料选用0.15-0.6mm范围的骨料来减少界面过渡区的厚度，降低界面过度区的缺陷从而提高超高性能混凝土的强度^[14]。

1.2.2.3 矿物掺合料

掺入一定量的矿物掺合料可以改善UHPC的性能，同时节约水泥用量降低成本。佘伟^[15]等人通过掺入大量的掺合料代替水泥，在标准养护下，超高混凝土的抗压强度达到230MPa，抗折强度达到70MPa。此外加入硅灰的颗粒尺寸小，具有微细孔填充效应，可以用硅灰代替部分水泥填充粗骨料的孔隙，达到改善工作性能的目的。Yu R等人^[16]分别用粉煤灰、高炉矿渣和石灰石粉等火山灰性材料替代部分水泥，制作出的超高性能混凝土的机械性能明显要优于普通水泥材料，活性矿物材料制作的超高强混凝土强度在水胶比0.16-0.18时达到最大。

1.2.2.4 高效减水剂

高效减水剂是制备ＵＨＰＣ的重要组分之一，通常选用聚羧酸减水剂。制备UHPC时，通过掺入一定量的高效减少剂大大的降低了UHPC的用水量从而降低体系的水胶比，提高了混凝土的工作性能。

1.2.2.5 钢纤维

UHPC虽然其本身具有非常高的的强度和矿物均质性，但是质脆，混凝土有开裂的危险。钢纤维的掺入改善其机体的延展性，在混凝土内部相互交错形成复杂的三维网络结构，减小了骨料的离析泌水，提高钢纤维的粘结性和保水性，其显著的微裂纹效应减少原生裂纹和次裂纹的发展对超高性能混凝土的力学性能具有一定的增强作用^[17]。Zemei Wu^[18]等人认为随着钢纤维的掺量的增加，超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度均增加，但是其工作性能有所下降，钢纤维的长度和取向对超高性能混凝土的强度均有非常重要的影响。

1.3 纤维增强作用机理

根据现代学者的论证，超高性能混凝土的作用机理由两个重要部分组成的，其作用机理包括：复合材料力学理论、纤维间距理论。

1.3.1 复合材料力学理论

根据复合理论，系统分为两相系统，分别是水泥基材料和钢纤维材料，系统的综合性质是水泥基材料和钢纤维材料的叠加。同时复合理论引入很多参数，比如：纤维方向系数、长度系数、纤维在拉伸方向的比例和分布性，通过这一些列的运算，可以得出材料的应力、弹性模数等参数^[19]。

1.3.2 纤维间距理论

工程力学中断裂力学为我们提供了参考，在纤维间距理论中，为我们讲述了在混凝体裂纹中钢纤维的加入起到了什么作用，同时描述了反应机理。当外加应力时，破坏应力主要集中在裂纹尖端，同时钢纤维的加入，使应力被传导、缓解，减弱了应力集中现象，有效的解决了裂隙的扩展。基于以上作用，在混凝土体系，钢纤维可以增加韧性，减缓裂纹^[20]。

1.4 纤维取向对UHPC的作用国内外现状

1.4.1 国内研究现状

大连理工大学赵国藩等人从断裂力学理论角度出发，推导出乱向分布钢纤维混凝土抗拉强度公式，并分析钢纤维混凝土的增强机理和劣化过程^[21]。董振英针对纤维取向和纤维种类对纤维胶结强度的影响进行了深入的研究，孙伟等人系统的针对钢纤维混凝土的力学性能研究，并成功的提出ECO-UHPRFCC概念，，对任意取向的钢纤维混凝土的发展做出了重要贡献^[22]。

1.4.2 国外研究状况

通过对纤维取向的控制，钢纤维垂直于裂纹内外发展方向时，可以达到加强混凝土的机械性能的作用。在UHPC体系中，起影响作用的性能有：纤维的性能、试块成型方法、密实程度、浆体流动性能等。

国外学者基于纤维分布的图像分析，假设纤维分布均匀，实测的纤维混凝土强度与预测的纤维混凝土强度之间相互比较。当假设统一的纤维分布时，测量值和预测值之间的强度差异明显。这意味着简单的均匀假设会导致预测弯曲强度的相当大的误差，因此应考虑纤维钢筋混凝土的放置方向。

根据实验结果，虽然初始开裂强度相对较小，但由纤维的取向和分布影响较小，而纤维取向和分布取决于放置方向，但因此对强度的影响仍然相当大。平行于试样纵向放置的SFR-UHSC表现出5.5%的初始开裂强度，大于横向于纵向放置的SFR-UHSC的初始开裂强度，并且前者的弯曲强度比前者高61%。

直链和钩状纤维均可用于生产具有相对较好流动性的UHPFRC。而且，在钢纤维量相同的情况下，混合纤维钢筋混凝土比单一纤维的混凝土具有更好的可加工性。这可能是由于长纤维可以视为短纤维的假想边界，所以它们能够相对较好地抵抗短纤维的旋转并减少水泥浆体流动中的阻力。此外，短纤维也可以反过来限制长纤维的旋转。

具有混合纤维的UHPFRC混合物比具有单一类型纤维的混合纤维具有更高的强度。宏观纤维也可用于生产UHPFRC，具有良好的机械性能。加入短直径纤维可显著提高混凝土混合料的均匀性，同时提高混凝土的抗压强度，而三元混合纤维则有助于提高UHPFRC在四点弯曲试验中的峰值力。因此，根据对UHPFRC的机械性能的不同要求，可以执行各种纤维的杂交设计，这可以显著提高纤维的有效性。

1.5 本课题研究目的和内容

1.5.1 研究目的

伴随时代的进步，科技开始以高速的向前发展，与此同时，建筑行业也得到了有力发展，UHPC应运而生，在短短30年里，已经成为行业的主力，但是依旧存在一系列问题，比如：原材料的价格偏高，配合比设计急需优化创新等等，因此我们需要进一步努力。

在平时施工，因为施工环境是自然搅拌，所以在混凝土中，钢纤维的分布规律是随机分布的，我们通过不同的检测方法，可以观察到纤维的分布，并通过特殊手段控制纤维的方向，有效的解决在各种复杂环境下对不同材料的分布的控制要求。

1.5.2 研究内容

基于纤维阻裂、抗冲击机理研究，通过对不同纤维分布方向（0℃、30℃、60℃、90℃）下复合混凝土结构力学性能的研究，探究基于本研究条件下复合混凝土结构最佳力学性能（主要指断裂性能或抗冲击性能）下纤维分布方向的最佳组合形式，构建复合混凝土力学性能的有效调控机制。

第2章 实验材料和方法

2.1 原料

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