纤维高性能混凝土高温、明火力学与爆裂性能研究

论文摘要

近年来，随着大跨度桥梁、隧道以及高层建筑的发展，高性能混凝土（HPC）正得到日益广泛的应用。高性能混凝土具有优良的工作度、较高强度和耐久性，但是它却存在脆性高与防火性能低的缺陷，当其遭受高温或火灾时，极易发生爆裂。掺加各类纤维是提高混凝土韧性的主要手段，其研究也已取得一定的成果，但有关纤维高性能混凝土（FRHPC）高温或火灾性能的研究还不多见。本文结合国家自然科学基金项目：纤维混凝土／喷射混凝土在循环高温作用下的力学性能（50278013），主要进行了以下几方面的工作： （1）为更好评价钢纤维混凝土的弯曲韧性，并配合我国纤维混凝土技术规程的制定，按照不同国家标准进行了钢纤维混凝土梁的弯曲试验，并依据试验结果，对比了目前国际上应用较为广泛的钢纤维混凝土弯曲韧性标准的优缺点，为我国纤维混凝土技术规程的修订奠定了基础。 （2）工作度、强度以及韧性是纤维高性能混凝土的主要性能指标。在研究纤维高性能混凝土工作度和强度的基础上，参照国际材料与结构联合会标准RILEM，进行了钢纤维、合成纤维以及混杂纤维（钢纤维+合成纤维）高性能混凝土梁的弯曲荷载-挠度全曲线试验。结果表明，纤维、特别是钢纤维可显著提高高性能混凝土的弯曲力学性能，并改善破坏形态。同时，纤维类型和掺量均为影响混凝土工作度、强度、弯曲韧性和断裂能的重要指标。 （3）剩余力学性能是衡量结构材料高温性能优劣的重要标志之一。从材料和受高温温度两大方面研究了高性能混凝土在经历不同高温后抗压强度与弯曲力学性能的变化规律。分析了高温对纤维高性能混凝土梁弯曲破坏形态的影响，利用超声波法研究了混凝土受高温温度与抗压强度之间的关系，基于扫描电镜试验分析了高温后混凝土微观组织结构与力学性能之间的关系。结果表明，高温后混凝土的抗压强度与弯曲性能普遍降低。纤维、特别是钢纤维可有效提高混凝土高温后的剩余力学性能。纤维类型和掺量对高性能混凝土高温后弯曲性能的影响规律与常温下类似。 （4）通过燃烧液化石油气模拟火灾，并对混凝土的膨胀变形进行约束，研究了高性能混凝土在不同受火方式下的爆裂性能。试验证明所采用的加热方式是可行的、有效的。结果表明，钢纤维不但不能抑制混凝土的火灾爆裂，而且随其掺量的增加，爆裂有加剧的趋势；合成纤维对抑制高性能混凝土火灾爆裂具有非常出色的表现，证明了爆裂是缘于蒸汽压机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外火灾研究发展史
• 1.3 纤维混凝土概述
• 1.3.1 纤维混凝土的发展与应用
• 1.3.2 纤维混凝土增强机理
• 1.4 高性能混凝土的特点及其应用
• 1.4.1 高性能混凝土的特点
• 1.4.2 高性能混凝土的应用与发展方向
• 1.5 混凝土高温及防火性能研究现状
• 1.5.1 试验方法和内容
• 1.5.2 混凝土高温性能
• 1.5.3 高性能混凝土的高温性能特点
• 1.5.4 研究中存在的主要问题
• 1.6 本文主要研究工作
• 2 钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准的试验分析
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.3 各国标准简介与试验结果分析
• 2.3.1 美国材料协会标准（ASTM C与Designation C）
• 2.3.2 德国纤维混凝土标准（DBV）
• 2.3.3 欧洲喷射混凝土标准（EFNARC）
• 2.3.4 国际材料与结构联合会标准（RILEM）
• 2.4 其它相关标准及方法介绍
• 2.4.1 日本混凝土标准（JSCE-G）
• 2.4.2 挪威喷射混凝土标准（NBP）
• 2.4.3 奥地利喷射混凝土标准（ORSp）
• 2.4.4 Morgan和Banthia等人提出的韧性等级方法
• 2.5 小结
• 3 纤维高性能混凝土工作度、强度与弯曲性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验概况
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试件设计
• 3.2.3 试验方法、内容及仪器
• 3.3 纤维高性能混凝土含气量
• 3.4 纤维高性能混凝土工作度
• 3.5 纤维高性能混凝土抗压强度
• 3.6 纤维高性能混凝土弯曲性能
• 3.7 纤维高性能混凝土断裂能
• 3.8 弯曲破坏形态
• 3.9 小结
• 4 持续高温后纤维高性能混凝土力学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验概况
• 4.2.1 试件制作
• 4.2.2 试验方法及仪器
• 4.3 高温后高性能混凝土质量损失与外观形貌
• 4.3.1 质量损失
• 4.3.2 试件颜色和外观形貌
• 4.4 高温后高性能混凝土抗压性能
• 4.4.1 抗压强度
• 4.4.2 计算模型
• 4.4.3 破坏形态
• 4.5 超声波法判定高温后混凝土抗压强度与温度
• 4.6 高温后高性能混凝土弯曲性能
• 4.7 高温后高性能混凝土断裂能
• 4.8 基于纤维和梁破坏形态的弯曲力学性能分析
• 4.9 高温后高性能混凝土微观结构分析
• 4.10 小结
• 5 纤维高性能混凝土火灾性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验概况
• 5.2.1 试件设计
• 5.2.2 试验方法
• 5.3 试验现象及试件表面损伤
• 5.3.1 试验现象
• 5.3.2 试件受火后表面损伤
• 5.4 高性能混凝土质量损失与火灾下爆裂
• 5.4.1 火灾后混凝土质量损失
• 5.4.2 火灾下高性能混凝土爆裂性能及机理分析
• 5.5 火灾后高性能混凝土抗压性能
• 5.5.1 抗压强度
• 5.5.2 破坏形态
• 5.6 火灾后高性能混凝土弯曲性能
• 5.7 火灾后高性能混凝土断裂能
• 5.8 讨论
• 5.9 小结
• 6 受火混凝土构件温度场的有限元模拟
• 6.1 引言
• 6.2 瞬态热传导问题
• 6.2.1 基本方程的建立
• 6.2.2 基本假定
• 6.3 边界条件、初始条件
• 6.3.1 边界条件
• 6.3.2 初始条件
• 6.4 热传导问题的有限元格式
• 6.5 算例分析
• 6.5.1 混凝土高温性能参数
• 6.5.2 算例
• 6.6 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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