钢纤维二级配混凝土韧性和断裂性能研究

Aimed at the requirement of cracking resistance and toughening properties of two-graded aggregate concrete (coarse aggregate maximum diameter as 40mm) in hydraulic engineering, the experiments for toughness and fracture properties of steel fiber reinforced concrete containing larger coarse aggregate will be carried out to break the limit for coarse aggregate maximum diameter in existing rule about steel fiber reinforced concrete. From the macro-level, the coupling influence of steel fiber length and coarse aggregate size on workability and mechanical properties of steel fiber reinforced concrete will be investigated. A rheological model of steel fiber reinforced concrete considering steel fiber length and coarse aggregate size will be established based on the rheological theory. Combining with the fractal theory and image processing technology, the quantitative relationship for fractal dimension varying with steel fiber distribution and coarse aggregate size will be defined at the fracture plane. Furthermore, the Flexural damage constitutive equation as well as the micro-fracture model will be deduced subjected to coupling effects of steel fiber property and coarse aggregate size relying on the damage theory. Lastly, the design method of mix proportion for steel fiber reinforced concrete containing larger coarse aggregate will be put forward. The formulas of fracture toughness and fracture energy will be proposed. The expected research results will develop the steel fiber reinforced concrete theory, expand application field of steel fiber reinforced concrete, especially in the application of hydraulic concrete structure, and also supply the research evidences for Code revising.

本项目基于水利工程对二级配(粗骨料最大粒径40mm)混凝土结构的防裂增韧要求，突破现有规程中钢纤维混凝土粗骨料最大粒径25mm的限制，以粗骨料最大粒径40mm为主要研究控制条件，进行钢纤维大粒径骨料混凝土韧性和断裂性能试验，探讨钢纤维长度与粗骨料粒径耦合作用对钢纤维大粒径骨料混凝土工作性能和力学性能的影响。基于流变学理论，建立含有钢纤维长度和粗骨料粒径参数的钢纤维混凝土流变模型；结合分形理论和图像处理技术，确定破坏断面分维数和钢纤维分布与粗骨料粒径关系的定量表述;应用损伤理论，建立钢纤维特性与粗骨料粒径耦合作用下钢纤维混凝土弯曲荷载损伤本构方程和细观断裂破坏模型。提出钢纤维大粒径骨料混凝土配合比设计方法；提出钢纤维大粒径骨料混凝土断裂韧度和断裂能计算公式。项目成果可完善钢纤维混凝土理论，拓展钢纤维混凝土工程应用范围，特别是在水工混凝土结构中的应用，也为相关规程修订积累研究依据。

本项目基于水利工程对二级配混凝土结构的防裂增韧要求，系统研究了钢纤维长度为30mm～60mm、粗骨料最大粒径为10mm～40mm、钢纤维长度与粗骨料最大粒径比值为1～4范围内，钢纤维长度与粗骨料粒径协同作用对钢纤维混凝土工作性能、弯曲韧性和断裂性能的影响，主要结论如下：(1) 基于流变力学理论，建立了钢纤维二级配混凝土坍落度随砂率和单位用水量变化灰色关联度模型，给出了钢纤维二级配混凝土中钢纤维体积率每增加0.1%相应增加1%砂率和3kg单位用水量来保证其工作性的配合比设计方法和成型工艺。(2) 依据损伤理论和Weibull统计分布理论，考虑混凝土强度等级、粗骨料最大粒径、钢纤维长度和掺量为主要影响因素，建立了弯曲荷载作用下钢纤维混凝土的损伤演变方程和损伤本构模型。建议了钢纤维二级配混凝土的弯拉强度修正计算公式。(3) 通过二值化图像处理技术，实现了用分散系数β定量描述纤维在混凝土基体中的分散程度。应用分形理论，采用像素点覆盖盒维数法，从细观层次上建立了钢纤维混凝土断裂面粗糙度分维数与钢纤维长度和粗骨料最大粒径的关系，实现了用分维数来定量表征断面粗糙度并建立与钢纤维混凝土断裂性能之间的关系。(4) 根据切口梁三点弯曲断裂试验结果和细观数值分析，钢纤维二级配混凝土具有良好的断裂性能。当纤维长度与骨料粒径的比值在1-2.5时，钢纤维混凝土的失稳韧度增益比均随lf/Dmax的增加呈增大的趋势。建议了含钢纤维长度和骨料最大粒径等参数的断裂韧度修正计算公式。在本文研究范围内，粗骨料最大粒径为40mm、钢纤维长度为60mm、钢纤维体积率为1.5%时的钢纤维二级配混凝土断裂性能最优。. 项目成果可完善钢纤维混凝土理论，拓展了钢纤维在大骨料混凝土特别是二级配水工混凝土中的应用，也为相关规程对水利工程二级配混凝土结构的防裂增韧要求相应内容的修订完善积累研究依据。