PVA纤维混凝土损伤演化声发射监测及破坏机理研究

论文摘要

聚乙烯醇纤维（PVA）是一种理想的环保型水泥增强材料,它分散性好,易于施工,与水泥具有良好的亲和性,与混凝土复合之后提高了其耐久性、抗裂性能与韧性,目前在土木工程结构中得到了广泛的应用。外界因素如盐碱腐蚀、温度变化、机械振动等都会造成混凝土的内部损伤和性能的退化,影响混凝土材料的使用寿命。因此研究和分析PVA纤维混凝土材料的特性并掌握混凝土结构状态是非常必要的,本文提出采用声发射技术监测其损伤演化过程。本文主要研究内容如下：首先,利用唐春安教授课题组研发的真实破裂过程分析（RFPA-2D）软件对水泥基胶结材料的渐进破坏过程进行模拟。建立混凝土材料在三点弯曲荷载条件下的数值模型,利用数值分析结果定性分析混凝土中PVA纤维对混凝土抗弯强度和韧性的影响。此外,还建立水泥胶砂材料在温度影响下的数值模型,分析PVA纤维在水泥基体中的抗冻阻裂作用。其次,通过对掺入聚乙烯醇（PVA）纤维混凝土试件进行三点抗弯的声发射试验,来研究它的损伤失效机理。通过三点弯曲试验,得到了PVA纤维腐蚀前后混凝土的抗弯强度；基于加载全过程的声发射特征信号,根据声发射幅值、计数和能量相关图,并通过比较腐蚀前后PVA纤维混凝土声发射信号,揭示了PVA纤维腐蚀混凝土抗弯强度下降的原因及其损伤机理；借鉴NDIS-2421定量评定标准、裕度指标、Kurtosis指标、b值指标等对PVA纤维混凝对混凝土试件的损伤情况做出定性评价,分析PVA纤维在腐蚀前后混凝土中的作用。发现PVA纤维混凝土弯曲损伤明显分为三个阶段,未腐蚀PVA纤维混凝土试件的裕度值较均匀。最后,通过对掺入聚乙烯醇（PVA）纤维的水泥胶砂试件进行温度疲劳声发射试验,来研究PVA纤维水泥胶砂材料的损伤演化机理。通过温度疲劳试验,得到了PVA纤维水泥胶砂试件实时的声发射监测数据；基于试验全过程的声发射特征信号,根据声发射信号相关图,并比较不同掺量PVA纤维水泥胶砂试件的声发射信号,揭示了PVA纤维水泥胶砂材料的损伤演化过程；利用裕度指标分析声发射信号,对水泥胶砂的损伤程度做出定性的评估。此外,通过计算声发射特征信号的Kurtosis指标和b值指标,发现PVA纤维水泥胶砂材料的温度疲劳损伤有三个明显的阶段。以上研究初步获得了PVA纤维对水泥基胶结材料的耐久特性与损伤的影响。文中给出盐雾腐蚀和温度疲劳荷载条件下PVA纤维混凝土损伤声发射监测及其评价方法,为进步研究PVA纤维混凝土的性能提供参考,并对PVA纤维混凝土的应用具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源与研究价值
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究意义与研究价值
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 纤维混凝土材料发展现状
• 1.2.2 声发射技术的发展及其在混凝土领域的应用
• 1.3 存在的问题及本论文研究目标
• 1.3.1 存在的问题
• 1.3.2 研究目标
• 2 声发射基本理论
• 2.1 声发射的产生
• 2.2 声发射信号
• 2.2.1 声发射信号波形分类
• 2.2.2 声发射信号特征参数
• 2.3 声发射信号评价方法
• 2.3.1 概论
• 2.3.2 声发射信号参数评价方法
• 2.3.3 声发射信号波形分析
• 2.4 本章小结
• 3 基于RFPA的混凝土损伤数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 RFPA数值模拟基本原理
• 3.2.1 RFPA数值模拟基本思路
• 3.2.2 RFPA数值模拟材料特性参数
• 3.2.3 RFPA数值模拟损伤准则
• 3.3 基于RFPA的PVA纤维混凝土三点弯曲荷载下损伤过程的数值模拟
• 3.3.1 三点弯曲加载模型建立与数值参数分析
• 3.3.2 加载结果及破坏过程分析
• 3.4 基于RFPA的PVA纤维混凝土温度荷载下劣化过程的数值模拟
• 3.4.1 温度环境模型建立与参数设置
• 3.4.2 温度环境影响下模拟结果及混凝土劣化分析
• 3.5 本章小结
• 4 盐雾腐蚀条件下PVA纤维混凝土声发射特性研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 试件制备
• 4.2.2 加载设备与方法
• 4.2.3 实验数据采集设备
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 PVA纤维混凝土抗弯强度实验分析
• 4.3.2 PVA纤维混凝土三点弯曲荷载作用下声发射特征参数分析
• 4.4 PVA纤维混凝土材料损伤演化过程评价
• 4.4.1 NDIS-2421损伤评价准则
• 4.4.2 裕度指标评价PVA纤维混凝土损伤演化
• 4.4.3 基于声发射事件的强度分析
• 4.5 本章小结
• 5 温度疲劳条件下PVA纤维混凝土声发射特性研究
• 5.1 概述
• 5.2 实验方案
• 5.2.1 试件制备
• 5.2.2 载荷工况
• 5.2.3 声发射信号采集系统
• 5.3 PVA纤维混凝土温度疲劳荷载下声发射信号特征参数分析
• 5.3.1 基于声发射信号特征参数的损伤演化分析
• 5.3.2 基于声发射信号幅值-时间的损伤劣化过程描述
• 5.4 温度疲劳荷载下PVA纤维混凝土损伤劣化过程分析评价
• 5.4.1 裕度指标评估PVA纤维水泥胶砂损伤
• 5.4.2 Kurtosis指标评价PVA纤维水泥胶砂损伤演化
• 5.4.3 b值评价PVA纤维水泥胶砂损伤演化
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢