纤维增强与加固混凝土断裂与粘结性能

纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）是在混凝土基体中均匀掺入乱向分布的短细纤维所形成的具有较高韧性的复合材料。随着FRC材料的广泛应用，改进纤维混凝土结构的设计方法，建立合理的FRC断裂判据成为广大科学工作者关注的问题。由于纤维混凝土体系的复杂性，国内外在纤维混凝土断裂性能方面的研究还不很系统，得到的结论差别较大，尤其是随着混杂纤维混凝土影响因素的增加，混杂纤维混凝土断裂性能的研究还没有一致的结论。纤维增强聚合物（fiber reinforced polymer，FRP）复合材料由于其优异的性能，使FRP加固混凝土结构的研究和工程应用在近年来得到了迅速发展。众多的工程实践和试验研究表明，FRP与混凝土的剥离是FRP加固混凝土结构破坏的主要形态之一，是决定加固成功与否和制约预期加固成效的关键因素。目前，关于FRP与混凝土粘结性能的研究方法大多是采用单剪或双剪试验。这些试验方法虽然可以在一定程度上反映FRP与混凝土的粘结特性，但与实际的FRP加固混凝土结构中FRP受力状况并不一致。在混凝土基体中加入少量的纤维改善混凝土自身的特性，在本质上表现为提高了混凝土基体抵抗裂纹扩展的能力，从而可以改善其与FRP之间的粘结性能。但是这种改善作用如何评价?如何建立与FRP和混凝土粘结强度计算衔接的FRP和SFRC粘结强度的计算模式?目前还没有试验研究。本文基于断裂力学基本理论，研究了钢纤维增强混凝土（steel fiber reinforced concrete，SFRC）、钢纤维增强高强混凝土（steel fiber reinforced high-strength concrete，SFHSC）、聚丙烯纤维增强高强混凝土（polypropylene fiber reinforced high-strength concrete，PPHSC）和钢纤维—聚丙烯纤维混杂增强高强混凝土（hybrid steel and polypropylene fiber reinforced high-strength concrete，HFHSC）的断裂性能。并利用切口三点弯曲梁粘贴FRP修正梁试验方法研究了FRP片材与混凝土以及与SFRC的粘结性能。主要研究内容如下：1．通过13组共72个尺寸为100mm×100mm×515mm切口梁试件的三点弯曲试验，研究了钢纤维体积率（ρf）和钢纤维类型对SFRC断裂韧度(KIC)、断裂能（GF）、临界裂缝张开位移（CMODC、CTODC）和转动因子r等的影响。结果表明：钢纤维的加入可以显著改善混凝土基体的断裂性能，且随着ρf的增加，SFRC断裂性能均有不同程度的提高；与铣削型和剪切波纹型钢纤维相比，切断弓型钢纤维可以极大地改善SFRC的断裂性能。SFRC及其对比组混凝十三点弯曲梁试件的裂缝开展是围绕某一点转动，当CMOD达到某一定值后，CTOD／CMOD趋于一定值，转动因子r趋于稳定，且随着ρf的增加，r有减小的趋势；钢纤维类型对r影响不显著。混凝土的r值为1.001，SFRC的r值为1.1234。基于对试验数据的统计分析，建立了与普通混凝土断裂参数计算相衔接的SFRC断裂参数计算模式和修正的SFRC断裂参数计算模式。2．通过26组共144个尺寸为100mm×100mm×515mm切口梁试件的三点弯曲试验，研究了ρf、切口深度和钢纤维类型等对SFHSC的断裂韧度、断裂能、临界裂缝张开位移和转动因子等的影响，探讨了混凝土基体强度和试验方法对上述断裂参数的影响。结果表明：在高强混凝土（high-strength concrete，HSC）中加入钢纤维可以极大地改善HSC的断裂性能，且随着ρf的增加，SFHSC断裂性能有较大幅度的提高，尤其断裂能的提高最为显著；切口深度变化对SFHSC及其对比组HSC的KIC和GF影响没有共同特征；切断弓型钢纤维与铣削型和剪切波纹型钢纤维相比，可以极大地改善SFHSC的断裂性能；不同混凝土基体强度影响钢纤维效应的发挥，试验方法对试验结果的影响不显著；对应于某一切口深度，铣削型SFHSC的转动因子值趋于一定值，且r与ρf之间没有相关性，但随切口深度的增加略有增加；在试验ρf范围内，铣削型SFHSC的r为0.5013。基于试验数据的统计分析，建立了与普通混凝土断裂参数计算相衔接的适用于不同强度的钢纤维增强混凝土断裂参数的计算模式和改进的计算模式；计算结果表明：改进的计算模式可以偏安全地通过混凝土断裂参数预测钢纤维增强混凝土的断裂参数。3．通过8组共44个尺寸为100mm×100mm×515mm切口梁试件的三点弯曲试验，研究了聚丙烯纤维掺量（Wf）对PPHSC断裂韧度、断裂能和临界裂缝张开位移影响。试验结果表明：在试验聚丙烯纤维掺量范围内，聚丙烯纤维的加入对HSC断裂韧度影响不显著，可以有限提高HSC的断裂能，但是对裂缝张开位移的改善作用有限。PPHSC的KIC及其增益比与Wf之间没有相关性，但随着Wf的增加，GF及其增益比均表现了良好的增加趋势，PPHSC的CMODC和CTODC呈下降趋势，CMODC和CTODC增益比与Wf之间没有相关性；试验方法对PPHSC断裂参数有不同程度的影响，尤其对GF的影响最为显著。聚丙烯纤维主要改善高强混凝土裂后行为。最后基于试验数据的统计分析，建立了PPHSC断裂参数的计算模式。4．通过10组共55个尺寸为100mm×100mm×515mm切口梁试件的三点弯曲试验，研究了钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强高强混凝土的断裂特性和钢纤维与聚丙烯纤维的纤维混杂效应。试验结果表明：在试验钢纤维和PP纤维混杂条件下，HFHSC的KIC及其增益比变化与Wf没有相关性，但随着Wf的增加，HFHSC的GF、CMODC利CTODC及其增益比均表现了良好的增加趋势；HFHSC断裂参数随ρf的增加都表现出良好的增加趋势；钢—PP纤维整体上表现了较好的正混杂效应，尤以断裂能混杂效应最为显著；钢纤维在HFHSC断裂性能改善方面起主导作用，聚丙烯纤维在改善HFHSC断裂性能方面有局限性。5．通过18组共90个尺寸为100mm×100mm×515mm的FRP片材加固切口三点弯曲切口混凝土梁的粘结试验，研究了碳纤维增强聚合物（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）片材粘结厚度、粘结长度和混凝土强度等级等对加固梁峰值荷载、峰值挠度及CFRP与混凝土粘结性能、有效粘结长度和FRP粘结应力分布的影响，分析了玻璃纤维增强聚合物（glass fiber reinforced polymer，GFRP）粘结厚度对加同梁峰值荷载和GFRP与混凝土粘结性能及粘结应力分布等的影响，同时，并利用CFRP和GFRP片材的混杂，研究了混杂片材（hybrid fiber reinforced polymer，HFRP）与混凝土之间的粘结性能。试验结果表明：随着FRP粘结厚度的增加，加固梁的峰值荷载有不同程度的提高；加固梁挠度与FRP的材性密切相关，随着CFRP厚度的增加，加固梁挠度呈减小的趋势，但GFRP粘结厚度的增加可以不同程度提高加固梁挠度；FRP片材刚度、粘结宽度和粘结长度等影响FRP与混凝土之间极限粘结力，其增强效应与FRP厚度为非线性关系；混凝土强度等级对CFRP与混凝土粘结性能影响不显著；有效粘结长度与FRP刚度有关，CFRP粘结长度超过有效粘结长度后，其与混凝土的粘结性能不再提高。基于试验结果的统计分析，提出了适用性较强的FRP片材与混凝土有效粘结长度和极限粘结力的计算公式，并结合前人试验成果对本文计算公式进行了验证，计算结果与试验结果一致性较好。6．通过16组共80个尺寸为100mm×100mm×515mm的CFRP片材加固SFRC切口三点弯曲梁和对比组混凝土切口三点弯曲梁的粘结试验，研究了ρf、CFRP粘结长度等对CFRP与SFRC粘结性能的影响。试验结果表明：钢纤维的加入可以在一定程度上改善混凝土基体与CFRP的粘结性能，且随着ρf的增加，加固SFRC梁承载能力和峰值荷载均表现了良好的增加趋势，CFRP与SFRC的极限粘结力和CFRP的粘结应力也有不同程度的提高；SFRC与CFRP之间也存在有效粘结长度的影响，当粘结长度超过有效粘结长度后，CFRP与SFRC之间的粘结性能不再提高。钢纤维的加入可以提高CFRP与钢纤维混凝土的有效粘结长度，且随着ρf的增加，有效粘结长度也随之增加。钢纤维的加入改善了CFRP的应力分布。通过对试验数据的分析，分别建立了与普通混凝土相衔接的CFRP与SFRC有效粘结长度以及极限粘结力的计算公式，计算结果与试验结果一致性较好。