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超高韧性水泥基复合材料与既有混凝土粘结工作性能试验研究

王楠

  超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness. Cementitious Composites,简称UHTCC)是一种新的乱向短纤维增强的高性能水泥基复合材料,具有拉伸荷载作用下的应变硬化特性和优异的裂缝控制能力,即在拉伸荷载作用下极限拉应变可稳定地达到3%以上;其开裂形式与其它水泥基宏观单一裂缝开裂形式不同,为多缝开裂形式,且达到极限拉应变时对应的裂缝宽度小于0.1mm。因此利用UHTCC这些特点,将其作为修补材料替换既有混凝土结构受损区域来提高既有结构承载能力,或者作为外部防护加层材料来防治各种形式的混凝土开裂,进而改善整体结构耐久性,具有广阔的应用前景。但目前国内外对此材料的研究内容主要集中在自身材料基本性能、与钢构件或混凝土构件结合的复合设计及工程现场试验等,对其与既有混凝土的粘结工作性能等报道较少。因此,本文结合国家自然科学基金重点项目(50438010)“混凝土结构裂缝形成与发展机理及控制技术”和南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(JGZXJJ2006-13)“超高韧性绿色ECC新型材料研究与应用”中相关内容,对UHTCC与既有混凝土的粘结抗拉性能、粘结抗剪性能,以及在既有混凝土梁、板试件受拉一侧浇筑UHTCC层构成复合试件的弯曲性能和裂缝控制能力进行了试验和分析。论文主要研究内容如下: (1)通过164个UHTCC与既有混凝土的粘结立方体试件及整体试件的劈拉试验,36个粘结T型试件的直接拉拔试验以及164个粘结立方体试件及整体试件的直接剪切试验,考察了既有混凝土界面粗糙度、既有混凝土强度、‘浇筑时界面干湿状态以及UHTCC的浇筑方位等因素对UHTCC与既有混凝土两者粘结性能的影响。结果表明,在无界面剂、锚筋等增强界面粘结强度的措施下,通过改善既有混凝土界面微细观结构和增大UHTCC与既有混凝土两者间接触面积提高两者间粘结强度,其粘结劈拉强度可达到既有混凝土相应强度72.8%以上、粘结剪切强度达到52.9%以上,两者间具有较好的粘结性能。 (2)在不同高度的既有素混凝土梁受拉侧浇筑相应厚度UHTCC材料构成尺寸为100mm×100mm×400mm的定截面复合梁,通过四点弯曲试验,探讨了UHTCC厚度、既有混凝土强度和粘结界面粗糙度等对复合梁弯曲性能的影响。试验结果表明,UHTCC层能够有效控制上层混凝土裂缝扩展,并将上层出现的有害裂缝分散成多条无害的细密裂缝;UHTCC的加入,显著改善了整体结构的开裂荷载和极限荷载;随着上层既有混凝土强度的增加,UHTCC后浇层对整体结构承载能力的改善效果减弱;两者间界面粗糙度对复合构件的承载能力也有一定的影响。基于平截面假定原理,按照非线性分析方法对复合结构的受力过程进行分析,给出了不同阶段梁体承载力的解析计算公式。并结合试验结果,通过计算开裂时受拉区混凝土和UHTCC层所产生的能量,给出了UHTCC后浇层最小临界厚度的计算方法。 (3)采用后浇UHTCC作为外部加层结构,利用其特点来提高既有钢筋混凝土梁弯曲性能和裂缝控制能力。通过弯曲试验研究了不同厚度、长度的UHTCC和高强度等级混凝土加固层,以及在其中埋入纵向钢筋等对复合梁弯曲承载力、裂缝发展、破坏形态等的影响。试验结果表明,UHTCC加固梁在承载能力和韧性等方面的提高明显优于混凝土加固梁;在复合梁中纵向钢筋屈服前,UHTCC受拉底面上最大裂缝宽度始终保持在0.06mm以下;局部加固既有混凝土梁会出现端部剥离破坏,在端部进行锚固处理能减小集中应力幅值。在上文的基础上,提出了加固既有钢筋混凝土梁的UHTCC后浇层最小临界厚度的计算方法,并分别对试件的弯曲承载力和端部开裂承载力进行了相应的解析计算。 (4)将后浇UHTCC作为外部防护加层的思路,应用在既有钢筋混凝土板的加固修补上。通过集中荷载作用下的简支双向板试验研究了浇筑不同厚度和面积的UHTCC和高强度混凝土加固层对复合板的弯曲性能的影响。试验结果表明,在双向受力的状态下,UHTCC层仍能够较好的控制和分散受弯面裂缝,并改善既有构件的承载能力。与混凝土加固板的脆性开裂不同,UHTCC加固板的破坏呈现出明显的韧性,能够避免开裂所导致的应力集中,更充分的发挥钢筋的作用。采用三维有限元软件对UHTCC加固板的承载过程进行模拟计算分析,在之前试验的基础上,建立合理的力学模型和相应的约束关系,得到了承载力-中心挠度关系曲线、底面挠度和应变的分布等。……   
[关键词]:超高韧性水泥基复合材料;防护加层;粘结性能;弯曲性能;控制裂缝;理论计算
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:大连理工大学2011年