纤维混凝土高温后力学性能试验研究

1、武汉理工大学硕士学位论文混杂纤维混凝土高温后力学性能试验研究姓名：程龙申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：刘沐宇20070401摘要正在中的武汉长江隧道是万里长江第一条过江隧道，它连系着两岸的千万武汉市民，也是将来长江两岸的重要交通枢纽，因此长江隧道的安全性问题更是得到了亿万人民群众的关心。火灾对于隧道是严重的安全性问题之一，一旦发生火灾造成结构坍塌，将会带来巨大的生命和财产损失。为了能提高其抗火性能，在管片混凝土材料中掺入混杂纤维（长短纤维复合），利用纤维的改性机理提高混凝土的高温性能，因此对纤维混凝土的高温性能研究是非常必要的。本文在武汉长江隧道工程的依托下，针对武汉过江隧道管

2、片混凝土材料的抗火性能进行了研究，在衬砌结构的混凝土中分别掺加了聚丙烯纤维和混杂纤维（聚丙烯纤维和钢纤维），研究混杂纤维对高性能混凝土高温作用后残余力学性能包括残余抗压强度和残余劈裂抗拉强度的影响。对三种不同钢纤维掺量的混杂纤维混凝土在常温至后的力学性能和超声波测试进行了试验研究，其主要内容如下：系统地对混杂纤维混凝土高温后的力学性能开展了试验研究，结果表明掺有混杂纤维的混凝土在高温后力学性能上明显要优于聚丙烯纤维混凝土和普混，其表现在：普混在时发生爆裂，而高温后混杂纤维混凝土抗爆裂性能好，能保持良好的完整性，裂缝明显少于聚丙烯混凝土；混杂纤维混凝土后剩余抗压强度为、剩余劈裂抗拉强度为，均高于

3、聚丙烯混凝土的和。系统地对三种不同钢纤维掺量的混凝土试块进行了测试对比，数据结果表明，当体积率在时，随着钢纤维含量的提高，其抗压强度、劈裂抗拉强度、残余抗压强度和残余劈裂抗拉强度也会相对提高，但当体积率大于时，混凝土的易和性不佳，纤维分布不均匀，因此本文推荐使用的体积率掺入量。系统地对高温前后混杂纤维混凝土进行了超声波测试与分析，给出了测强曲线，提出了抗压强度（丘）、劈裂抗拉强度（）和声速（）之间的关系式：，）。其结果均在工程误差范围之内，对即将建成的长江隧道的火灾安全性能够评价提供一定的数据支持。纤维增韧的高性能混凝土在各个性能方面都优于普通混凝土，对其研究是一项综合性很强的领域，而抗高温性

4、能的研究又涉及很多的影响因素，要进行深入的研究难度较大，且在工程实际中对于纤维掺量的把握也是人们关注的问题之一。本文针对长江隧道管片的混凝土材料进行了高温后的力学和超声波试验，取得了一些成果，并回归分析了高温后声速和强度之间的计算公式，提出较为有效的纤维掺量，为今后纤维增韧混凝土理论研究和工程应用提供参考。本文得到“年武汉市重点科技攻关项目（）”资助关键词：混凝土；高温：纤维；力学性能，舭，（）曲，（），曲，：曲，曲，；，州，：厶，丘：；此页若属实，请申请人及导师签名。独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方

5、外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：塑日期丝里关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生签名：盟新签名：姓骘日期？哆扩武汉理工大学硕士学位论文第一章绪论概述年代出现波特兰水泥后，混凝土作为一种新型建筑材料，以其骨料可以就地取材

6、，构件易于成型，具有水硬性等突出特点，日益广泛应用于土建工程。尤其是世纪中叶以后，钢铁生产发展，随之出现了钢筋混凝土这种新的复合建筑材料，其中钢筋承受拉力、混凝土承受压力，发挥各自的优势，初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受限制的弱点。世纪年代开始出现预应力混凝土，其结构抗裂性能、刚度和承载能力，大大超过了钢筋混凝土结构，从而显著扩大了混凝土的应用范围，扩展了许多新的应用领域，使土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝上占统治地位的历史时期。混凝士给建筑物带来新的经济而美观的工程结构形式，促使土木工程产生了新的结构设计计算理论和新的施工工艺技术，在土木建筑工程技术发展史上完成了一次新的飞跃。混凝土现

7、在已经成为土木工程最重要的建筑材料，但是因其也存在其固有的缺点，因此在实际工程中运用的混凝土都存在不同的缺陷，从而限制了它了应用范围和效果，则在过去多年的历史中，混凝土材料一直在向着优质、高强、高性能的方向发展。普通的混凝土结构在建造过程和长期的使用期间，当处于正常的工作条件下，其温度绝对值不高，波动不大，按照现行规范进行设计，可保证结构安全，并满足建筑物的使用功能要求。但是，若结构的环境温度升高幅度很大，或温度差发生周期性交化时，可能使结构因为使用性能恶化或承载力下降而失效，甚至酿成局部破坏，以至整体倒塌。因此对于混凝土来说，抗高温能力差是其很大的缺陷之一。混凝土在遭受火灾的情况下，其力学性

8、能总体上呈现随温度升高逐渐劣化的趋势，主要表现为强度逐渐降低，峰值应变加大，耐久性损失严重。尤为值得注意的是，火灾工程中常常出现爆裂现象，使混凝土构件瞬间裂成大小不一的碎片而四处飞敖，减小了混凝土截面尺寸，致使内部混凝土和钢筋直接暴露于明火中，加剧了混凝土构件的破坏。近年来，在工程实践中，混凝土裂缝问题己成为普遍但难以解决的问题，武汉理工大学硕士学位论文地下室、楼（屋）面板开裂问题普遍存在，尤其是在隧道渗漏问题已经严重影响到结构的安全性和耐久性，成为社会关注的焦点。混凝土裂缝问题目前的解决方法主要有调整配合比、增加配筋、加强施工养护等手段，但效果不尽理想。长期以来许多专家学者也在不断探索改善混

9、凝土性能（主要是提高抗拉性能，增强韧性和延性）的各种方法和途径。纤维混凝土就是近年来研究和应用最广泛的途径之一。纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，在混凝土中加入非连续短纤维或连续长纤维作为增强材料的水泥基复合材料的总称，目前处于研究和发展阶段的有钢纤维混凝土、聚丙烯（）纤维混凝土与一些高弹性合成纤维混凝土。本文主要讨论混杂纤维棍凝土，它由改性聚丙烯和钢纤维为主要原料，加以添加剂和改性工艺制成的高性能混凝土，作为一种新型的高分子建筑材料，具有强度高、不吸水，耐酸碱、耐高温、防爆裂等的特点。纤维加入水泥基体中后，主要有以下几种作用：提高基体的抗压强度混凝土的破坏实际上是原始裂缝的发生、扩展

10、以致连通的过程，其内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素，欲提高强度，必须尽可能地降低内部裂缝端部的应力集中程度，限制缺陷的扩展。纤维混凝土中均匀而任意分布的短纤维在混凝土硬化过程中改交了混凝土的内部结构，减少了混凝土内部的缺陷，提高了混凝土材料的连续性。在混凝土受力过程中纤维与混凝土共同受力变形，纤维的牵连作用使混凝土裂而不断并能进一步承受载荷。这些都有助于提高纤维混凝土的抗拉强度。阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，纤维的加入犹如在混凝土中掺入巨大数量的微细筋，起到支撑集料的作用，从而阻止粗、细骨料的沉降产生的离析。另外纤维和基体之间

11、有很强的粘结力，能良好的保持基体的完整性。而微裂缝在发展过程中必然遇到纤维的阻挡，消耗了能量，从而阻断裂缝扩展起到抗裂的作用，增强了混凝土的耐久性。提高基体的变形能力并从而改善其韧性及抗冲击性混凝土凝固后被水泥紧裹的高强纤维丝粘联成为致密的乱向分布的网状增强系统，增强了混凝土的韧性。纤维与水泥基料紧密结合在一起，极大的保持了混凝土的整体强度。混凝土受到冲击时纤维吸收了大量的能量，从而有效的武汉理工大学硕士学位论文减少了集中应力的作用。纤维对水泥裂缝有搭接作用，对分离的水泥块有牵连作用，当纤维从水泥基体剥落时要消耗能量，这些影响都有助于提高混凝土的耐磨性。改善混凝土的抗高温爆裂性能混凝土中添加纤

12、维，在高温的作用下熔点较低的纤维会从混凝土中挥发逸出，并在混凝土内部留下所占的孔道，使混凝土内部毛细管数量增加，留下的孔洞为混凝土内部水蒸气的逸出提供了通道，降低了混凝土内部的蒸汽压力，从而有效地防止混凝土的爆裂。此外，高温作用下熔点较高的纤维和混凝土之间强粘结力能保持结构良好的完整往，阻止其爆裂的发生”。纤维混凝土在国内外应用与研究现状纤维混凝土的使用可以追溯到年，最初用在美国的军事工程中，以增强混凝土的坚固性：英国则于年开始使用聚丙烯纤维混凝土，用在基桩桩帽上，以防止打桩时桩帽破坏。世纪年代中期研究用合成纤维作为水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高水泥砂浆的抗

13、冲击性能【】。等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少。年代初，美国若干公司通过表面处理技术开发成功可均匀分散于混凝土中的直径为聚丙烯、尼龙等单丝纤维，在纤维体积率为时即有明显的抗裂和增韧效果。近十几年来，美国与加拿大己在混凝土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维（聚丙烯单丝、聚丙烯膜裂纤维与尼龙纤维等）的预拌混凝土。目前美国所用混凝土总量中合成纤维混凝土约占，而钢纤维混凝土只占左右在美国，纤维混凝土还被大量使用于地下防水工程、工业与民用建筑的屋面、墙体、地面、水池、道路以及桥梁隧道工程中。以杜拉纤维为例，从这种产品诞生至今只有多年，却在美国、加拿大、澳大

14、利亚、日本、韩国，墨西哥以及东南亚等地区的混凝土工程中得到了相当广泛的应用，其销量的稳定增长充分说明了高科技建筑材料无法低估的商业价值酊。根据等人的研究【。列，当在高强混凝土中掺入一定量的有机纤维特别是聚丙烯（）纤维后，纤维能够大大降低混凝土高温时的孔压力，减小混凝土爆裂的机会。丽在高强混凝土中掺入一定量的钢纤维不仅能改善抗拉、抗武汉理工大学硕士学位论文剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高结构的疲劳性能及其耐久性，加上它施工简便，且材料性价比好，因此在道路路面、桥面、混凝土枕轨、机场跑道、抗震抗爆结构等土建工程中应用日益广泛。随着纤维混凝土在中国的应用

15、推广，建筑材料理论界也在国外学术界研究成果的基础上开始关注并研究相关的理论问题。例如：中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制，归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作用【】。大连理工大学的戴建国、黄承逢、赵国藩研究了低弹性模量纤维混凝土的剩余弯曲强度问题，给出了可用于计算低弹性模量纤维混凝土构件抗弯承载能力的指标和计算方法，同时说明聚丙烯纤维在工程中不但可以用作非结构性补强材料来防止塑性收缩裂缝，而且可以作为结构性补强材料用于增强构件的抗弯承载力，改善结构延性。关于纤维混凝土的理论研究表明，纤维对混凝土综合性

16、能改善的主要贡献可能不是增强而是抗裂增韧。阐明纤维对混凝土增强作用理论的学说日前主要有纤维间距理论和复合材料理论。纤维间距理论早期由，与提出的，这种理论根据线弹性力学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用。纤维间距理论认为在混凝土内部存在固有缺陷，如要提高强度，必须尽可能减小缺陷程度，提高韧性，降低混凝土体内裂缝端部的应力集中系数。复合材料理论则是将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料整体看作一个多相系统，其性能乃是各个相的性能的加和值。混凝士从本质上说就是一种复合材料。我国棍凝土技术的先驱工程院院士吴中伟教授在水泥基复合材料的科学研究方面提出了具有创建性的思想。早在年，吴中伟教授发表“中心质

17、效应假说”，把水泥基复合材料的不同层次结合在一起。吴中伟教授认为，中心质效应是可以叠加的。这种思想的内核，正是复合材料理论的精髓【。复合材料之所以需要复合，首先是因为构成复合材料的那些基础材料分别具有不同的性能特点，同时它们在相互结合的时候没有或者基本上没有不良的后果。在纤维混凝土中，纤维材料与水泥基体之间可以形成不存在负效应的良好复合体。其中最重要的前提有两个：一是纤维材料具有严格稳定的化学性质，即使在水泥水化时产生的强烈碱性物质也不发生任何变化；第二是纤维具有良好的自分散性，能够在正常馄凝土制备所要求的搅拌时间之内完成在混凝土整武汉理工大学硕士学位论文体内无所不在的均匀性分散过程。在过去的

18、十几年中纤维混凝土已经成为关注的焦点，因此很多的学者也对其的性能探索做了大量的试验研究。国内的很多高校包括东南大学、哈尔滨工程大学、中南大学、同济大学等对纤维混凝土的高温力学性能做了大量的试验研究。下面就是关于纤维混凝土在力学性能、抗裂性能以及收缩等方面的实验研究成果。，纤维对混凝土高温后抗压、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量的影响同济大学的肖建庄和王平通过试验，研究了掺有聚丙烯纤维的高性能混凝土立方体试块，在经历了的温度后抗压强度变化，得出了外掺聚丙烯纤维高性能混凝土高温后的质量损失率和残余抗压强度，以及未发现高温爆裂的结论。分别针对试块尺寸、强度等级和经历温度等因素，研究了聚丙烯纤维高性能

19、混凝土的高温抗压性能，通过统计回归分析，得出了可供工程设计和事故鉴定用的抗高温设计曲线”。哈尔滨工业大学的袁杰和吴波通过试验，研究了纤维掺量对高强混凝土用水量及和易性的影响。结果表明：保持和易性不变情况下，高强混凝土的用水量随纤维掺量的增加而逐渐增大；保持用水量不变时，高强混凝土的和易性随纤维掺量的增加逐渐变差，混凝土坍落度逐渐减小。纤维掺入后，高强混凝土的抗压强度明显下降，高温后高强混凝土试件的颜色随受热温度的升高逐渐变浅，由常温时的深灰色逐渐变为灰白色、米色，抗压强度也逐渐降低，且掺与不掺纤维的高强混凝土抗压强度的变化规律相同，降低幅度基本相同，并给出了相应的回归公式。郑州大学的高丹盈、赵

20、军、汤寄予通过高强混凝土和钢纤维、聚丙烯纤维高强混凝土试件的劈拉试验，探讨了纤维体积率（纤维掺量）及纤维类型对高强混凝土劈拉强度和变形性能的影响提出钢纤维能有效的提高混凝土的劈拉强度，而且不同种类不同含量的钢纤维对劈拉强度的影响都有所不同【”】。同济大学的鞠丽艳和张道玲针对高性能混凝土的防火与抗爆裂性能低的特点，采用低熔点（聚丙烯纤维）及高熔点纤维（钢纤维）复合的方法，对高性能混凝土高温性能（抗折强度、抗压强度及劈裂抗拉强度、抗爆裂性能）进行改善。研究表明，时，复合纤维混凝土的抗折强度剩余率约，明显高于基准武汉理工大学硕士学位论文混凝土的抗折强度剩余率（约叼；抗压强度剩余率约，与基准混凝土的强

21、度乖余率相当（约）；劈裂抗拉强度剩余率约，明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率（约）。另外，复合纤维对改善混凝土的抗爆裂性能特别有效，同时分析了复合纤维改善高性能混凝土高温性能的作用机理【】。北京交通大学的赵莉弘、朋改非等人通过测定钢纤维、聚丙烯纤维和混杂纤维（聚丙烯纤维和钢纤维）增韧高性能混凝土的高温残余强度和断裂能，研究聚丙烯纤维、钢纤维和混杂纤维对混凝土高温残余力学性能的影响。实验结果表明，钢纤维和混杂纤维，尤其是钢纤维，显著提高高性能混凝土的残余强度和断裂能。聚丙烯纤维对高性能混凝土残余力学性能的影响很小【阍。中南大学张彦春、胡晓波等人对钢纤维混凝土进行最高温度分别为、高温试验，考察其高

22、温后抗压、劈拉抗折、抗剪强度的变化情况，将其残余抗压、劈拉强度率与素混凝土进行比较。结果表明，钢纤维混凝土高温后各项力学性能均明显优于素混凝土。最后还对钢纤维在高温混凝土中的作用进行了初步分析【。上海市政工程研究院的孙家瑛对混凝土的抗折性能进行了实验研究，结果表明：在水灰比不变的条件下，当聚丙烯纤维的掺量从增加到时，虽然聚丙烯纤维掺入对混凝土的抗压强度影响不大，但是抗折强度可以提高【。纤维对混凝土的抗裂性能的影响焦作工学院的王正友等人针对目前高性能混凝土的防火、防爆裂性能低，采用低熔点及高熔点纤维混杂的方法，对高性能混凝土这方面的性能进行改善，试验结果表明，混杂纤维混凝土高温性能优越，拓宽了高

23、性能混凝土的应用范围，利于推广。东南大学的游有鲲、钱春香等人研究得出高强混凝土的渗透性很低，高温下可能出现爆裂破坏现象，严重影响混凝土及其内部钢筋的结构使用性能。通过试验改变聚丙烯纤维掺量，研究其改善高强混凝土高温爆裂性能，以及高温后高强混凝土吸水率、剩余强度性能及其恢复性能【嘲。纤维对混凝土的抗冲击性能的影响北京参保设计研究院的胡金生、杨秀敏等人对两种纤维混凝土材料纤维增韧及耗能机理进行了探讨，并采用变截面大尺寸压杆，对钢纤维混武汉理工大学硕士学位论文凝土、素混凝土和五种纤维含量的聚丙烯纤维混凝土试件进行了三种应变率范围的冲击压缩试验，还给出了不同材料试件的破坏特征及试验测试结果。并以应力一

24、应变全程曲线所围面积作为韧性指标，对两种纤维混凝土在冲击荷载下增韧特性迸行了对比分析。研究表明，五种含量的聚丙烯纤维混凝土中，含量的三组混凝土韧性较高，其中含量的聚丙烯纤维混凝土韧性值最大；与素混凝土相比，两种纤维混凝土韧性均有所提高，在达到应力峰值后的变形阶段得以体现，在应变范围内，钢纤维混凝土、含量的聚丙烯纤维混凝土韧性指标比素混凝土分别提高了和【】。广州大学的焦楚杰、孙伟等等人采用装置对不同钢纤维体积率（以）钢纤维混凝土（）进行多应变率动态力学性能试验研究，测出其应变率敏感阀值，试验表明，当应变率在阀值内升高时，峰值应力增长缓慢，弹性模量基本不变，应变率超过阀值后升高时，材料动态强度和弹

25、性模量均增长较快，而且，以越大，动态强度提高幅度越大。在冲击条件下，钢纤维对最显著的贡献是增韧，当应变率较高时，基体试件破碎成渣，丽同应变率时的试件还能够基本上保存中间的主体，呈现出“微裂而不散，裂而不断”的破坏形态【”。中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室的巫绪涛，胡时胜等人介绍了利用装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料，其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试

26、样的试验结果中，发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响，讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应瞄。本文研究的目的与意义混凝土作为主导的结构材料用于土木工程已有一百多年的历史。近年来，随着现代混凝土技术的研究、应用与发展，强度高、耐久性好和工作性能优异的高性能混凝土正逐渐迅速发展，并替代传统的混凝土用于实际结构。高性能武汉理工大学硕士学位论文混凝土结构，能大幅度提高工程结构或构件的承载力，减小结构、构件的尺寸和自重，适应现代化工程结构向大跨、重载发展的需要，已被公认为是一种当代最有发展前途并可大面积推广应用的新一代工程结构材料。

27、然而，高性能混凝土与传统的普通混凝土相比，结构密实，脆性更大，渗透性低，造成了其一个弱点一抗火性能差田，尤其是高温容易发生爆裂现象。近些年来，火灾频频发生，火灾已成为造成结构破坏主要因素之一。一旦发生火灾，混凝土性能将严重恶化，在高温下，通常容易软化，结构性能大大削弱，混凝土构件在受热时不可避免地发生表面爆裂，特别是承受较高应力的高强混凝土构件，如果不采取一定措施，在高温中暴露较短的时间后，就会失去耐火能力。构件承载力会大大降低发生破坏，甚至坍塌，将造成巨额经济损失。即将建设的武汉长江隧道是万里长江第一条过江隧道，在国内首次将纤维增韧的高性能混凝土运用于大断面过江隧道（隧道直径达）衬砌结构中。

28、一旦发生火灾，混凝土结构就会受到严重损伤，势必将引起隧道火灾事故，造成大量人员伤亡和财产损失，以及导致隧道衬砌的结构破坏，造成社会人心涣散。严重威胁社会的稳定。研究隧道衬砌结构火灾环境下和火灾后的力学性能规律变化及损伤规律，提高衬砌结构的抗火性能是十分迫切和必要的，具有极其重要的理论和现实意义。同时，为我国建设优质的、耐久性良好的大型越江隧道工程提供关键技术支撑，大幅提高长江隧道工程服役寿命、增长投资效益、保障人们生命财产安全，对武汉经济的可持续发展将产生深远的意义。本文拟以武汉长江隧道为工程依托，以提高隧道衬砌结构耐火性能以及提高火灾后树砌结构的安全鉴定为目的，对武汉长江隧道衬砌结构管片材料

29、纤维增韧的高性能混凝土进行高温试验以及高温后的无损检测试验；通过对高性能混凝土试块（分别掺入聚丙烯纤维、同时掺入钢纤维和聚丙烯纤维的二种不同类型的高性能混凝土试块）升温到不同温度等级后，进行力学性能试验以及超声检测试验研究。试验的目的是通过高温试验研究其混杂纤维对混凝土高温后力学性能的影响，探索各种纤维改善混凝士耐火性能的机理，找出加温前后混凝土力学性能变化规律：通过超声波检测试验，研究混凝土损伤的程度、强度的变化等，对其材料以及结构的安全性进行科学的评判，进行合理的修护与加固，让其整个结构恢复正常的使用功能，以求达到减少经济损失的目的。武汉理工大学硕士学位论文本文研究的主要内容纤维混凝土抗裂

30、增强机理研究；纤维混凝土抗压、抗拉等力学性能试验研究；纤维混凝土的抗爆裂试验研究；高温后纤维混凝土超声检测试验研究：通过对组掺有不同纤维含量的高性能混凝土试块的高温后的力学实验，研究相同含量纤维的混凝土在高温后强度变化规律：对不同纤维含量的高性能混凝土高温后剩余强度作对比，提出能发挥最大增韧效果的纤维含量：通过对试验对实验现象和力学实验数据的分析，研究其损伤的程度及机理，通过对其高温后颜色、剥落程度、裂纹情况等因素对衬砌结构的安全性做出合理的评判，提出一套有效的评定方法。武汉理工大学硕士学位论文第二章纤维混凝土高温性能增强机理的研究纤维混凝土中的纤维在混凝土中呈现三维乱向分布，并有不同程度、不

31、同类型的定向性，又由于纤维混凝土是种多相、多组分、非均质且不连续的材料，加之不同的纤维形状和表面性能及不同的旌工方式，造成纤维不同形式的分布，导致纤维增强机理十分复杂。虽然自纤维混凝土问世后，有诸多研究者对其理论进行了研究【岳。纤维对混凝土的增韧效果可分为两种，一种为强度的增强，另一种即为特殊性能的增强。对于准确反映纤维强度韧性增强的理论有两种，一种是基于复合材料力学的混合定律，另一种是建立在弹性断裂力学基础上的纤维间距理论；而对于纤维改善混凝土高温性能的研究，目前普遍认同的观点是蒸汽压机理（）。纤维对混凝土增韧机理研究【】复合材料混合定律混合定律是研究复合材料性能与复合材料各组分性能之间关系

32、的理论。年，首先研究出了由两相组成的复合材料的混合定律。随后，及等人相继从不同的角度用混合定律的基本原理从不同方面（纤维的形状、长短、体积率、纤维的缺陷等）研究了纤维对混凝土力学行为的影响。复合材料理论把纤维混凝土看成多相体系，纤维为一相，混凝土为一相，复合材料的性能是把各相性叠加，用混合定律研究纤维混凝土时，其基于以下假设：（）纤维混凝土在宏观上是均质的：（）纤维与混凝土基体本身是各向同性（或正交各向异性）的线弹性材料：（）纤维与基体之间无任何相对滑动（即完全粘着状态）。在上述条件下，可有两种纤维状态下的混合定律，即单向连续长纤维混凝土混合定律和不连续短纤维混凝土混合定律。（）单向连续长纤维

33、混凝土复合材料混合定律武汉理工大学硕士学位论文若纤维在基体连续均匀排列，并与荷载方向一致（如图所示），即称为单向连续纤维复合材料。基体荷载，纤维二荷载：图单向复合纤维材料受力简图由于已经假定了纤维与基体之间完全粘着而无滑动，在承受荷载时，基体的应变与纤维的荷载勺及复合材料的应变乞都应相同，即：设作用在复合材料、基体和纤维上的荷载分别为芝、只和只，则有：吒，己以，弓町式中：、以彳，一分别为纤维复合材料、基体和纤维材料受荷载截面面积：咚、吁一分别为纤维复合材料、基体和纤维的应力。由于可得到名哎以町即得呼。瓮峨瓮妻野鲁一纤维体积率（），其定义为：掺入的纤维总体积占复合材料总体积的百分率；令式中圪一基

34、体体积率（），其定义为：基体体积占复合材料体积的百分塞武汉理工大学硕士学位论文则有由于则得至七。吃卜疋町（一），。（）姻为式中疋、民、，一分别为纤维复合材料、基体和纤维的弹性模量。可得纤维复合材料的弹性模量；。疋巧峨（一）（）式（）和式（）即为单向连续纤维复合材料混合定律的表达式。由此表达式可知，纤维复合材料的拉应力与纤维的拉应力和基体的拉应力及纤维的体积率有关。由式（）还可求得单向纤维复合材料的抗拉强度。台应为：吒盯唐。（一巧）式中（）盯。一纤维的抗拉强度；盛一基体断裂时的拉伸应力。由以上理论推导可知，当无纤维存在时，即以时，；而当有纤维存在时，即吩时，吩仃。（一巧）。由式（）计算得到的复合

35、材料抗拉强度往往大于实际测定值。其原因是纤维强度较高时，基体受拉断后纤维不一定完全与基体粘结而无滑动。考虑到这一情况，在盯。前应乘以一个小于或者等于的系数，即式（）应写成：后口盯。（一）当基体开裂后，全部荷载由纤维承担，这时复合材料抗拉强度为：。（）不连续短纤维混凝土复合材料的混合定律对于不连续短纤维复合材料（也称为乱向短纤维复合材料），与前述的单向连续长纤维复合材料相比，纤维的长度不同，在基体中的分布状态不同，在承受拉伸应力的材料断裂时，纤维或被拉断，或被从基体中拔出。在式（）和式（）的基础上可以推导出乱向分布不连续短纤维混凝土的抗拉强度和弹性模量分别武汉理工大学硕士学位论文为下式：吒仍吒（

36、一巧）疋够毋玩（一巧）式中仍一与纤维长度、取向、分布、纤维缺陷及纤维与基体的粘结力有关的综合有效系数，其可用下式表示：吼。棚圆式中一纤维方向系数；仉一纤维与基体界面粘结的粘结系数；研一纤维长度有效系数。纤维间距理论纤维间距理论是在理论基础上提出来的，理论认为，一些脆性材料（如混凝土）之所以为低应变脆断，原因在于材料结构的微不均匀性和存在一定量的缺陷，如微裂缝或亚微裂缝及各种尺寸的孔。当受到应力作用时，裂纹尖端产生应力集中，裂纹迅速扩展，裂纹的数量、长度、开冷不断增加，最终导致裂纹君诵，形成丈的裂缝而伸材料结构发生崩溃破坏。纤维裂缝（）纤维混凝土块体截面）截面图纤维间距理论模型图当在脆性材料基体

37、中掺人纤维后，材料受到应力时，纤维的存在将会约束武汉理工大学硕士学位论文裂纹的引发和裂纹长度及开度的扩展，从而起到增强作用。图表示连续纤维沿拉应力方向分布在基体中间，纤维之间的间距为，半径为的裂缝存在于根纤维所围成的区域中心。材料在受到拉伸时，拉伸应力在纤维上产生的粘结应力分布在裂缝端部附近，从而对裂缝尖端产生反向应力场，降低了裂缝尖端的应力集中程度，使裂缝的扩展受到约束，裂缝端部的扩展力减小，材料的强度特别是韧性得到明显地增强，纤维的这种对裂纹扩展的约束作用与纤维之间的间距和纤维的数量有密切关系。纤维间距越小，单位体积中的纤维数量越多，这种作用就越有效。水泥基体中的凸透镜状裂缝的端部产生应力

38、集中系数为。当裂缝扩展到基体晃面时，在界面上会产生对裂缝起约束作用的剪应力并使裂缝趋于闭合。此时在裂缝端部会有一与虹方向相反的另一应力集中系数，故总的应力集中系数为：，一总的应力集中系数弓应小于纤维混凝土临界应力系数，若弓恕，则材料会发生断裂破坏。纤维混凝土的抗拉初裂强度按下式计算：盯，：皂遗式中一纤维混凝土临界应力系数；一常数；纤维的平均中心间距。由以上分析及式可见，单位面积内的纤维数量越多，亦即纤维平均中心间距越小，抗拉初裂强度提高的效果就越好。下面来推导纤维间距的表达式，设纤维直径为，长度为，在纤维体积率为（）的单位体积纤维混凝土中，含有纤维总根数为乏÷，因此，当纤维方向系数为

39、时，在纤维混凝。，万：，土的任意端面上，纤维根数为，则：武汉理工大学硕士学位论文一丽。葡：万川由上式可得纤维平均间距为：汹删跞当纤维为一维乱向分布时，取，则：瑚嘲，厚当纤维为一维乱向分布时，取锄，则：川居当纤维为一维乱向分布时，取锄，则：由修由此可知，纤维平均间距与纤维直径办密切相关，当纤维体积率一定时，乃越小，也越小，对裂缝引发和扩展的约束能力越大；也与纤维体积率有关当纤维直径由一定时，纤维体积率越高，则相应减小；还与纤维方向系数有关，当纤维体积率直径和长度不变时，一维分布时纤维平均间距最小，三维分布时平均间距最大，二维分布的纤维间距处于两者之间。纤维对混凝土抗高温性能改善机理研究蒸汽压机理

40、（）从先前的研究中一致认同混凝土混凝土爆裂的过程也是混凝土中水分从其内部逸出的过程。当混凝土受热温度在以下时，随着混凝土中水的逸出，水泥石强度增加；超过后，随温度升高，混凝土内部收缩渐大于膨胀，这种复杂的收缩、膨胀和水泥石凝胶体结晶的破坏，使得混凝土在温度被加至之后，强度迅速下降，时强度会损失，时强度损失在左右甚至会由于内部气压过高而爆裂，因此混凝土爆裂的过程也是混凝土中水分从其内部逸出的过程。对于高强度混凝土而言，由于其强度高，密实度大，武汉理工大学硕士学位论文孔隙率低，蒸发通道不畅，使水不能及时地逸出，从而产生过高的蒸气压，远远超过混凝土抗膨胀强度，导致混凝土因不能抵御这种过大的内部压力而

41、更容易发生爆炸性破坏。常温下凝胶结构完整、密实，（）结晶得非常整齐完整。在以内，主要是混凝土内自由水的蒸发，这对整个结构相貌没有大的影响。温度较低时，混凝土强度降低不多，这是因为在此温度下，游离水的逸出使水泥颗粒更紧密，产生类似蒸汽养护的作用，促进了水泥颗粒的进一步水化，而且凝胶体低温脱水使组织结构逐渐变得致密，有利于强度的增加，从而部分抵消了此阶段由于骨料受热破坏及水泥石与骨料问联系的破坏所造成的强度损失。以后，凝胶体开始脱水分解，此时排出的主要是层间水和化学结合水，（）。也少量分解，使得原本结晶完整的片层结构破坏，强度显著下降，裂缝产生。当温度超过后，高强混凝土强度大幅度下降。此时，占水泥

42、石重量一的（）。在加热过程脱水后即变成大量游离的，当冷却后，游离又与空气中的水汽接触而逐渐消解成（）：，体积膨胀，产生很大的内应力，导致混凝土结构的破坏：另外，加热过程中水泥石产生较大收缩，而骨料却膨胀，这种差异也造成混凝土的破坏，强度持续下降。当在高性能混凝土中掺入纤维后，由于聚丙烯纤维的熔点低，当温度为时，纤维已经熔化，这时混凝土还处于自蒸阶段，内部压力不大，但因纤维挥发后所形成的众多小孔隙，使得混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的蒸发提供了有利的通道，也缓解了由于水分膨胀所形成的压力过大，使内部压力大大降低，从而防止了爆裂的产生，说明了聚丙烯纤维在混凝土抗高温

43、性能中所起到了缓解压力的作用。此外，当混凝土受熟温度达到以后，这时聚丙烯纤维已经完全挥发殆尽，由于钢纤维熔点高，在没有达到熔点的状态下仍然发挥着增韧作用。钢纤维在高温后，对基体起着增韧和租裂的效应，改变其脆性、易开裂性及其破坏形态，延长了混凝土的使用寿命。武汉理工大学硕士学位论文第三章混杂纤维混凝土高温后力学性能试验方案概述混凝土是以水泥为主要原材料，拌合一定比例的砂、石和水，有时加入外加剂，经过搅拌、振捣、养护等一系列工序后，逐渐凝结硬化形成的以水泥砂浆为胶结材料，粗骨料为骨架的人工混合材料，因此混凝土的热工性能主要由水泥砂浆和骨料这两部分决定。在高温作用下，由于混凝土内部材料之间热工性能的不相容性，导致内应力产生，出现大量细微裂缝，导致混凝土抗压强度降低。一般来说，当温度低于时，材料之间不相容性较小，化学反应较弱，混凝土抗压强度变化不大。当温度高于之后，材料问较大的不相容性导致构件内部内力的增大，从而引起骨料和粘结界面的开裂。此后，随着温度的升高，混凝土试件内