基于颗粒紧密堆积理论的超高性能纤维增强混凝土的设计与性能调控

Due to the fact that the fibre design is not optimized and the fibre meso-parameters (e.g. direction, distribution) are difficult to be controlled, the produced Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) is facing series problems, such as heterogeneous, low fibre efficiency, and so on. Based on these premises mentioned above, to further optimize the mix design of UHPFRC, the particle packing theory will be used in the concrete mix design, and the fibres will be included into the particle packing model based on “equivalent packing diameter” model, which can improve the compatibility between the fibres and particle packing system in concrete. In addition, a series of self-compacting UHPFRC with different viscosities will be produced. According to the physical and chemical interaction among the fibres, concrete matrix and boundary conditions during the casting process of these self-compacting concretes, the dynamic process of the used fibres will be investigated, and an efficient method to control the fibres meso-parameters (e.g. direction, distribution) will be proposed. Moreover, a theoretical model between the fibres meso-parameters and properties of UHPFRC will be created. This research can effectively enhance the fibre efficiency in UHPFRC material system, and achieve the destination of rational control the properties of concrete based on the fibres meso-parameters adjustments.

在超高性能纤维增强混凝土体系中，纤维的设计不够精细以及纤维的取向、分布等细观参数难以调控易导致制备出来的混凝土存在匀质性不好、纤维利用率不高等问题。根据上述事实，为了优化超高性能纤维增强混凝土的设计，本研究拟基于颗粒紧密堆积理论设计超高性能纤维增强混凝土，采用“等效堆积直径”的计算模型将纤维材料嵌入到颗粒紧密堆积的理论模型中，提升纤维与混凝土颗粒堆积体系的协同作用，制备一系列具有不同粘稠度的自密实型超高性能纤维增强混凝土，利用该混凝土在浇筑过程中纤维、混凝土基体和浇筑模型的边界条件之间的物理化学作用，研究纤维的动力学问题，寻找到纤维取向、分布等细观参数合理调控的方法，并最终构建纤维细观参数与超高性能纤维增强混凝土宏观性能之间的关系和理论模型。该研究能有效提升超高性能纤维增强混凝土体系中纤维的增强效率，并实现通过调控纤维细观参数达到有效调控混凝土宏观性能的目的。

在超高性能纤维增强混凝土体系中，纤维的设计不够精细以及纤维的取向、分布等细观参数难以调控易导致制备出来的混凝土存在匀质性不好、纤维利用率不高等问题。基于上述问题，本研究从超高性能纤维增强混凝土的优化设计出发，首先以颗粒紧密堆积理论未基础，尝试采用“等效堆积直径”的计算模型将纤维材料纳入颗粒紧密堆积的理论模型中，提升了纤维与混凝土颗粒堆积体系的协同作用；其次，在优化设计方法的指导下，制备了一系列具有不同粘稠度的自密实型超高性能纤维增强混凝土，并研究了该混凝土在浇筑过程中纤维、混凝土基体和浇筑模型的边界条件之间的物理化学作用，阐明了超高性能纤维增强混凝土体系中纤维的动力学问题，明确了纤维取向、分布等细观参数合理调控的方法；最后，在前期研究结果的支撑下，构建了纤维细观参数与超高性能纤维增强混凝土宏观性能之间的关系模型，从而能够做到结合实际工程的需要合理的控制纤维的细观参数，实现超高性能纤维增强混凝土宏观性能和纤维使用效率的共同提升。该研究成果不仅对于各种实际工程提高纤维效率、降低材料损耗具有重要支撑作用，同时提供了超高性能纤维增强混凝土优化设计与性能调控的新思路，对丰富和完善水泥混凝土材料设计制备理论具有重要科学意义。