方钢管约束密实增强混凝土(CRC)轴心受压试验和本构模型探求范文

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论文字数:43655 论文编号:sb2021052510555035739 日期:2021-06-20 来源:硕博论文网
本文通过对密实增强混凝土(CRC)的综合研究,得到大量数据和理论成果,为CRC 用于实际工程提供可靠的理论与试验支持,但本文的研究内容只是该课题的一部分,还存在以下几个方面的问题有待于进一步研究:(1)在 CRC 的配合比设计中,本文将风积沙部分替代石英砂,发现对 CRC 的力学性能影响不大,但将风积沙替代全部石英砂,如果得到风积沙全替代石英砂 CRC 的试验数据,可以大幅度降低 CRC 的在内蒙古地区的制作成本,为实际工程提供便利。

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义
1.1.1 研究背景
目前在世界范围内超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete—UHPC)已成为专家学者的一个新的研究热点;已有活性粉末混凝土(Reactive PowderConcrete—RPC)、超细颗粒混凝土(Densified with Small Particles—DSP)、特种工业混凝土(Beton Special Industrial—BSI)、无宏观缺陷混凝土(Macro Defect Free—MDF)、密实增强混凝土(Compact reinforced concrete—CRC)等几种类型的超高性能混凝土[1]。相对于普通混凝土而言,超高性能混凝土具有极高的抗压强度,超高的耐磨性和抗爆性、优异的韧性和耐久性[2]。
密实增强混凝土(CRC)是由丹麦奥尔堡波特兰水泥与混凝土试验室的Bache 共同研发的一种超高性能混凝土。CRC 是由水泥基体材料加上大掺量细短钢纤维组成,CRC中钢纤维掺量通常在3%~6%之间,纤维长度为 6mm 左右,直径≤0.2mm。
CRC 最初的设计主要应用在大跨空间结构和超高层建筑的承重构件中,由于国内目前对 UHPC 的研究主要集中在 RPC 的研究和应用上,对于 CRC 这种材料研究的较少且不够成熟,所以国内对 CRC 的应用较少,而 CRC 拥有较高掺量的细短钢纤维,其抗拉强度和抗裂性能要优于 RPC[3],因此研究其在承重构件中的应用是非常有意义的。当前国外主要将 CRC 用在拱顶、金库、特殊的防护建筑和预制行业中[1];国内主要应用在装配式楼梯、阳台、预制构件之间的连结和桥面板等结构中,如图 1.1[4]、1.2 和 1.3[5]所示。
图1.1 CRC 用于装配式楼梯、走廊、阳台板
图1.1 CRC 用于装配式楼梯、走廊、阳台板
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1.2 课题的国内外研究现状
1.2.1 UHPC 的国内外研究现状
2011 年 Wille 等[7]采用短细钢纤维、石英砂、硅灰等配制高密度纤维增强复合材料,在自然养护条件下,其抗压强度达到 200MPa、抗拉强度达到 34.6MPa。
2013 年 Yu[8]等利用修正的 Andreasen 和 Andersen 计算模型对 UHPC 干料级配进行计算,得到了 UHPC 干料的最佳配合比,制备得到的 UHPC 抗压强度为 156MPa,其抗折强度为 33.5MPa。
2014 年 Máca[9]等通过优化水泥、硅灰、石英砂、玻璃粉等原材料的颗粒级配,依据最大堆积密度理论制备 UHPC,分别进行了 24 组试验,试验得到抗压强度为150MPa,抗拉强度为 10MPa 和抗弯强度为 40MPa 的 UHPC 最优配合比。
2017 年 Van[10]等介绍了利用 CPM 计算模型计算得到了水泥、石英砂以及硅灰等原材料的级配。这种计算方法可以有效的提高原材料的堆积密度,制备出抗压强度超过 150MPa 的 UHPC。1993 年湖南大学黄政宇等[11]第一次采用 P·O 52.5 水泥,在其中加入了活性掺合料、微细短钢纤维和高效减水剂,制配出强度大于 200MPa 的 UHPC。1999 年蒲心诚[11]成功研制出了和易性优良、抗压强度达 150MPa 的 UHPC,为我国 UHPC 的正式研究奠定基础。1999 年清华大学的覃维祖教授[12]介绍了一种 UHPC-活性粉末混凝土(RPC)。随后全国各大高校对 RPC 展开了丰富的研究。
2007 年张胜等[13]研究了热水养护条件、标准养护和蒸汽养护条件对 UHPC 强度的变化规律,从试验结果可以发现:湿热养护比标准养护更能有效改善水泥与钢纤维的界面粘结力,热养护下 UHPC 其抗压强度和抗折强度都高于标养后的超高性能混凝土强度。
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2 密实增强混凝土(CRC)配合比设计

2.1 试验目的
CRC 是一种兼具高密度、高耐久性的短钢纤维增强水泥基复合材料,CRC 配合比设计是推广、应用 CRC 材料的第一步;CRC 材料的强度主要取决于基体的密实程度和活性掺和料的掺量,因此需要专门对 CRC 进行配合比设计。本章利用计算模型和单掺试验得到基准配合比,并通过多指标正交试验确定其最优配合比。
为降低 CRC 成本和保护内蒙古地区生态环境,在最优配合比的基础上,探讨风积沙掺量对 CRC 力学性能的影响规律,为实际工程提供可靠依据。
图 2.1 配合比设计所用原材料
图 2.1 配合比设计所用原材料
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2.2 试验材料
CRC 的原材料中剔除了粗骨料,采用级配良好的细石英砂作为骨料,同时加入硅灰既提高 CRC 的密实度和均匀性,提高水化反应程度,增强 CRC 强度;加入高效减水剂改善低水胶比引起的流动性不足问题;加入大掺量短钢纤维可以提高混凝土的抗拉强度、延性和韧性[36]。
2.2.1 水泥
水泥是 CRC 中主要的胶凝材料,根据参考文献[36]需要满足规范《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)[6]要求,本文选用蒙西水泥厂生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥,符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)[37]标准要求,质量指标见表 2.1。
表 2.1 水泥物理性能指标
表 2.1 水泥物理性能指标
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3 方钢管约束密实增强混凝土(CRC)轴心受压试验研究...................... 27
3.1 试验目的................................. 27
3.2 试验方案...................... 27
4 方钢管约束密实增强混凝土(CRC)本构模型...................... 48
4.1 概述........................ 48
4.2 非约束 CRC 应力-应变曲线特征值............................ 48
5 结论与展望 ............................. 70
5.1 结论.............................. 70
5.2 问题及展望.......................... 70

4 方钢管约束密实增强混凝土(CRC)本构模型

4.1 概述
本文对 18 组 36 个方钢管约束 CRC 进行了试验研究,同时对比了 6 组 12 个非约束 CRC 的破坏模式、峰值荷载和应力-应变曲线,发现方钢管约束 CRC 的应力-应变曲线与非约束 CRC 大有不同,约束 CRC 的峰值应力和峰值应变等特征值,均大于非约束 CRC,因此本章对约束 CRC 和非约束 CRC 的应力-应变曲线特征值进行分析,并考虑钢纤维掺量和风积沙掺量作为变化参数,得到相对应的方钢管约束 CRC 本构关系模型,为工程实践提供理论依据。
非约束 CRC 的抗压强度、峰值应变和弹性模量等力学性能特征值见表 4.1 所示。
表 4.1 非约束 CRC 应力-应变曲线特征值
表 4.1 非约束 CRC 应力-应变曲线特征值
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5 结论与展望

5.1 结论
本文采用试验研究和理论分析相结合的研究方法,对密实增强混凝土(CRC)展开了以下研究工作:(1)利用计算模型,单掺试验和多指标正交试验得到,在标准养护条件下立方体抗压强度为 120MPa,具有良好工作的 CRC 最优配合比;(2)研究了风积沙等体积替代部分石英砂对 CRC 力学性能的影响;(3)对 6 组非约束 CRC 和 18 组方钢管约束 CRC 试件进行试验研究,并分析了试件的破坏模式、承载力、变形、应变等关系。(4)在对试验结果分析的基础上,提出非约束 CRC 应力-应变曲线特征值建议计算公式和取值,以及在钢纤维掺量和风积沙掺量变化时方钢管约束CRC 的应力-应变曲线特征值建议计算公式和本构模型。
(1)通过计算模型,单掺试验和多指标正交试验,确定了立方体抗压强度为 120MPa 的 CRC 最优配合比为:砂胶比为 1,钢纤维掺量为 4%,水胶比为 0.18,硅灰掺量为26%,高效减水剂掺量为 2.5%,五种粒径的石英砂的最优级配为 27:24:16:14:19。为保护环境降低制作成本,将风积沙等体积替换石英砂,发现用风积沙替换 30%的石英砂对CRC 的力学性能的影响较小,可以将风积沙等体积替换 30%的石英砂用于工程实际。
(2)对 24 组试件进行试验观察试件破坏模式可以发现非约束 CRC 试件的破坏模式主要分为剪切型破坏和楔型破坏两类;而方管约束 CRC 试件的破坏模式主要是沿高度方向 1/4 或 3/4 的位置发生腰鼓型破坏,并伴随端部焊缝撕裂。方钢管约束 CRC中的钢纤维掺量,风积沙掺量和方钢管壁厚是影响试件峰值荷载和变形能力的主要因素,其中影响最大的是方钢管壁厚。
(3)对比约束 CRC 和非约束 CRC 应力-应变曲线可以发现,随着方钢管壁厚的增大,核心 CRC 的峰值应力有大幅提高,同时变形能力加强。利用得到的应力-应变曲线,提出了非约束 CRC 和方钢管约束 CRC 应力-应变曲线特征值的建议计算公式和取值范围以及方钢管约束 CRC 的本构模型。
参考文献(略)

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