基于流变学的钢纤维空间分布调控与UHPC梯度增强理论研究

Ultra-high performance concrete (UHPC), with the ultra-high strength, ultra-high durability and high compactness, has obvious advantages in optimizing the utilization of structural space and prolonging the service life of buildings. However, steel fibers with uniform and random distribution in matrix are of insufficient strengthening and toughening effect in the tensile zone and are difficult to exert toughening effect in the compression zone for some flexural elements such as beams and plates. For the defect, this project proposes a novel design concept of gradient-reinforced UHPC material based on fiber spatial distribution optimal control, considering the sedimentation-trend characteristic of steel fiber in fresh UHPC, which aims to match the spatial distribution of steel fiber with the stress distribution of the flexural elements reasonably. Based on the quantitative characterization of UHPC fresh rheological properties as well as motion and distribution of fibers, the rheology-based steel fiber sedimentation mechanism and control method will be revealed, the fiber spatial distribution prediction model based on material composition and vibration time will be established, and the UHPC design and preparation methods for controllable fiber gradient distribution characteristics will be realized. On account of the microstructure evolution rule, material mechanics constitution and basic theoretical analysis of anisotropic materials, the strengthening and toughening mechanism of UHPC with fiber gradient distribution will be proposed. Laying a theoretical base for further improvement for UHPC material properties and the efficient application in flexural elements.

超高性能混凝土（UHPC）具有超高强度、超高耐久性及高密实性，在优化结构空间利用率、延长建筑物使用寿命等方面优势显著。然而，对于梁、板等受弯UHPC构件，基体中均匀随机分布的钢纤维在构件受拉区增强增韧效果不足而在受压区又难以发挥增韧作用。为此，本项目基于钢纤维在新拌UHPC浆体中趋于沉降的特性，提出基于钢纤维空间分布优化调控的梯度增强UHPC材料制备新理念，旨在实现钢纤维空间分布与受弯构件应力分布合理匹配；通过对UHPC新拌流变特性及纤维运动与分布状态的定量表征，揭示基于流变学的钢纤维沉降机理，建立以材料组成及振捣时间为参数的纤维空间分布预测模型，提出纤维梯度分布特征可控的UHPC材料组成设计与制备方法；基于材料微结构演变规律、力学本构及各向异性材料基本理论分析，提出纤维梯度分布对UHPC的增强增韧机理；为进一步提升UHPC材料性能及其在受弯构件中的高效应用奠定理论基础。

超高性能混凝土（UHPC）具有超高强度、超高耐久性及高密实性，在优化结构空间利用率、延长建筑物使用寿命等方面优势显著。然而，对于梁、板等受弯UHPC构件，基体中均匀随机分布的钢纤维在构件受拉区增强增韧效果不足而在受压区又难以发挥增韧作用。为此，本项目基于钢纤维在新拌UHPC浆体中趋于沉降的特性，提出基于钢纤维空间分布优化调控的梯度增强UHPC材料制备新理念，旨在实现钢纤维空间分布与受弯构件应力分布合理匹配。具体工作包括，.1. 通过试验对不同配合比的UHPC浆体新拌性能和力学性能进行研究。确定了水胶比，减水剂含量和钢纤维体积掺量等配合比参数对砂浆流变性，含气量和力学强度的不同影响。.2. 从分子结构设计的角度，采用低温自由基聚合法，通过引入强吸附硅烷偶联剂，合成了具有抗黏土效果的硅烷改性聚羧酸减水剂(S-PCE)。相比于传统HPEG型聚羧酸减水剂（H-PCE），S-PCE在含黏土环境展现出了更优异的水泥颗粒分散能力和流动度保持能力，并提高混凝土材料的力学性能。.3. 分析了钢纤维在新拌UHPC浆体内的沉降机理，并采用有损方法（断面图像分析法）和无损方法（X-ray CT扫描法），将试件内部结构通过2D和3D可视化方法进行呈现，结合新拌浆体流变性，对不同配合比的UHPC试件内纤维分布情况进行量化分析。 钢纤维在试件沿浇筑深度方向的分布变化受新拌浆体水胶比、减水剂含量和钢纤维掺量的影响，其关键因素主要取决于拌合物的流变参数，特别是屈服剪切应力。.4. 通过压痕试验等微观试验与考虑了界面过渡区(ITZ)的多尺度力学均匀化方法来定量评价高性能混凝土材料的力学性能。将混凝土材料划分为纳观到宏观的四个尺度，利用MT和SC相结合的匀化方法建立仿真模型，分析纳观、微观尺度上的物相和ITZ性能对于材料力学性能的影响，并证实了ITZ在变形分析中的重要性。.5. 通过调整配合比得到了钢纤维沿浇筑方向梯度分布的UHPC试件，并用纤维分布系数表征钢纤维的梯度分布情况。随着钢纤维含量的增加，UHPC切片的劈裂抗拉强度逐渐增加，毛细吸水率、气体渗透率和有效孔隙率均表现出降低的趋势。当UHPC试件受到损伤后，所形成的总裂纹长度和裂纹面积与钢纤维含量有明显的相关性，此时传输特性与残余裂纹张开位移（CODres）和钢纤维含量关系密切。