关键词:
超高性能混凝土
钢纤维
聚乙烯醇纤维
力学性能
混凝土面板堆石坝
摘要:
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)具有的高强、高韧性及耐久性等优点成为当今水泥基材料发展的主要研究方向之一,但由于基础研究不足及成本较高等问题,制约了UHPC在水利工程中的应用。在复杂环境的水工结构混凝土一直面临耐久性不足、渗透及大变形导致的裂缝等问题,而聚乙烯醇纤维(Polyvinyl alcohol fiber,PVA)作为增韧材料具有吸水率低、强度高等优点,在UHPC中具有广泛应用。因此,本文旨在对不同体积掺量的钢纤维和PVA纤维的UHPC进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴拉性能、弯曲韧性及断裂能试验研究,探究了不同纤维类型及掺量对UHPC力学性能的影响,并对纤维的耐碱性进行试验。通过材料性能参数对混凝土面板堆石坝在不同工况下进行静力分析,从而为水工超高性能混凝土的设计和应用奠定基础,尤其为水工结构的加固及修复提供材料参数和方法。主要结论如下:
(1)基于轴向拉伸试验获得UHPC拉伸应力-应变(σ-ε)曲线,分析了各组试件的破坏形态、立方体抗压强度、轴拉强度,韧性及纤维特征参数对曲线上特征点应力、应变的影响规律。结果表明,掺入纤维的试件在受拉破坏时,具有明显的塑性破坏特征,与同配比素混凝土相比,随纤维特征参数λs及λp的提高,特征点的应力、应变均有显著提升。当2.0%的钢纤维和0.5%的PVA纤维混掺时,UHPC的峰值强度为7.07 MPa,对应的能量吸收值为72.23 k J/m3,具有较好的增韧抗裂效果。
(2)通过弯曲韧性试验获得UHPC荷载-跨中挠度(P-δ)曲线,分析了抗弯承载力、弯曲韧性指数及梁破坏特征的影响规律。结果表明,随钢纤维掺量的增加,UHPC弯曲试件的初裂荷载、峰值荷载和等效抗弯强度逐渐增大,当钢纤维掺量超过2%时,UHPC峰值荷载和峰值挠度具有显著提高。根据试验结果,建立了纤维增强指数与弯曲韧性的计算公式,为优化UHPC基体中纤维掺量及计算弯曲韧性提供模型。
(3)通过断裂性能试验,获得了梁试件的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线,并计算相应的弯曲强度、双K断裂韧度及断裂能等指标。结果表明,掺入纤维可使试件由脆性破坏转为延性破坏,且P-CMOD曲线出现“二次强化”现象。钢纤维掺量大于1.5%时,UHPC起裂荷载和峰值荷载有显著的提升,而低于1.0%时提升不明显。同体积掺量的钢纤维试件中加入PVA纤维后,对UHPC的起裂韧度、失稳断裂韧度与断裂能均有不同程度的增长。
(4)通过耐碱性试验,发现随浸泡时间的延长,4种纤维的断裂强度具有明显的差异,断裂功及断裂比功在0~6 h逐渐增加,在6~96 h时有明显降低,纤维表面发生腐蚀且出现疏松多孔状。
(5)通过对混凝土面板坝在两种工况下进行静力分析,发现竣工期坝体沿轴线方向的最大位移产生在坝高1/2处,最大沉降量为坝高的0.41%;蓄水期坝体沿轴线方向的最大位移产生在坝高2/3处,最大沉降量为坝高的0.43%。