多尺度聚丙烯纤维混凝土力学性能试验和拉压损伤本构模型研究

摘要

多尺度聚丙烯纤维混凝土(Multi-scale polypropylene fiber concrete,简称MPFC)是指同种品质,几何形态不同的两种或两种以上的聚丙烯纤维混掺在混凝土中的新型复合建筑材料。聚丙烯细纤维对混凝土的早期塑性开裂有抑制作用,对后期硬化混凝土抗裂性改善较小。以往采用聚丙烯纤维与钢纤维混掺的方法阻止硬化混凝土的开裂,提高韧性。但钢纤维存在易锈蚀,价格高等缺点,而聚丙烯粗纤维是一种新型增强增韧材料,具有耐腐蚀性能好,价格低等优点。在环境较为恶劣的工程中可代替钢纤维使用。鉴于此,本研究采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,对MPFC试件进行较为深入的力学性能研究。
　　本研究主要内容包括：①对MPFC进行抗裂性试验研究,结果表明聚丙烯细纤维在塑性态混凝土中的阻裂效应优于粗纤维,聚丙烯粗纤维在混凝土硬化阶段的抗裂效果优于细纤维;多尺度聚丙烯纤维在塑性态混凝土中的阻裂存在着正、负两种效应,在硬化阶段的抗裂效果与粗纤维相当。②通过单轴拉伸试验研究MPFC的抗拉性能,结果显示MPFC的抗拉峰值荷载较素混凝土有较小提高;MPFC在单向拉伸荷载作用下,应力-应变曲线下降段出现了低应力-应变硬化现象,MPFC抗拉韧性的改善幅度优于单掺聚丙烯纤维混凝土。③对MPFC进行单轴抗压试验研究,结果显示MPFC抗压峰值荷载有小幅提高;MPFC的抗压应力-应变曲线下降段比素混凝土平缓。MPFC峰值后的应力随应变的增加降低缓慢,应力一应变曲线下包面积较大,其峰值后的抗压韧性性能得到较好改善。④对MPFC进行四点弯曲试验研究,结果表明MPFC的抗弯强度有小幅提高;MPFC在弯曲荷载作用下,荷载-挠度曲线下降段出现非常明显的低荷载-变形硬化特性,曲线所包面积较大,峰值荷载后抗弯韧性的改善幅度远大于聚丙烯细纤维混凝土,同时也大于聚丙烯粗纤维混凝土。通过对比拉、弯性能指标建立 MPFC拉弯对应关系,MPFC弯拉强度比值在2.15~2.80之间,抗弯韧性指数大于抗拉韧性指数,但数据整体变化趋势相同,表明四点弯曲试验可以代替单轴拉伸试验,成为评价MPFC独特力学性能的简单实用试验方法。⑤根据试验结果,建立适合于描述MPFC抗拉、抗压特性的损伤本构模型,得到聚丙烯纤维混凝土损伤因子的曲线形状参数,为此类 MPFC在工程中的应用提供理论基础。⑥基于有限差分理论,推导多尺度聚丙烯纤维混凝土拉压损伤本构模型的有限差分表达形式;结合FLAC3D软件良好的开发平台,利用VC++程序实现多尺度聚丙烯纤维混凝土损伤模型的二次开发,获得该模型的动态链接计算程序,并通过试验模拟和算例分析验证二次开发模型程序的正确性和合理性。⑦利用多尺度聚丙烯纤维混凝土损伤模型的二次开发计算程序,对多尺度聚丙烯纤维隧道衬砌进行数值分析。结果表明多尺度聚丙烯纤维改善了混凝土的抗变形能力,提高了混凝土的刚度。