纖維混凝土高溫后力學性能試驗研究

1、武漢理工大學碩士學位論文混雜纖維混凝土高溫后力學性能試驗研究姓名：程龍申請學位級別：碩士專業(yè)：橋梁與隧道工程指導教師：劉沐宇20070401摘要正在中的武漢長江隧道是萬里長江第一條過江隧道，它連系著兩岸的千萬武漢市民，也是將來長江兩岸的重要交通樞紐，因此長江隧道的安全性問題更是得到了億萬人民群眾的關心?；馂膶τ谒淼朗菄乐氐陌踩詥栴}之一，一旦發(fā)生火災造成結構坍塌，將會帶來巨大的生命和財產損失。為了能提高其抗火性能，在管片混凝土材料中摻入混雜纖維（長短纖維復合），利用纖維的改性機理提高混凝土的高溫性能，因此對纖維混凝土的高溫性能研究是非常必要的。本文在武漢長江隧道工程的依托下，針對武漢過江隧道管

2、片混凝土材料的抗火性能進行了研究，在襯砌結構的混凝土中分別摻加了聚丙烯纖維和混雜纖維（聚丙烯纖維和鋼纖維），研究混雜纖維對高性能混凝土高溫作用后殘余力學性能包括殘余抗壓強度和殘余劈裂抗拉強度的影響。對三種不同鋼纖維摻量的混雜纖維混凝土在常溫至后的力學性能和超聲波測試進行了試驗研究，其主要內容如下：系統(tǒng)地對混雜纖維混凝土高溫后的力學性能開展了試驗研究，結果表明摻有混雜纖維的混凝土在高溫后力學性能上明顯要優(yōu)于聚丙烯纖維混凝土和普混，其表現(xiàn)在：普混在時發(fā)生爆裂，而高溫后混雜纖維混凝土抗爆裂性能好，能保持良好的完整性，裂縫明顯少于聚丙烯混凝土；混雜纖維混凝土后剩余抗壓強度為、剩余劈裂抗拉強度為，均高于

3、聚丙烯混凝土的和。系統(tǒng)地對三種不同鋼纖維摻量的混凝土試塊進行了測試對比，數(shù)據(jù)結果表明，當體積率在時，隨著鋼纖維含量的提高，其抗壓強度、劈裂抗拉強度、殘余抗壓強度和殘余劈裂抗拉強度也會相對提高，但當體積率大于時，混凝土的易和性不佳，纖維分布不均勻，因此本文推薦使用的體積率摻入量。系統(tǒng)地對高溫前后混雜纖維混凝土進行了超聲波測試與分析，給出了測強曲線，提出了抗壓強度（丘）、劈裂抗拉強度（）和聲速（）之間的關系式：，）。其結果均在工程誤差范圍之內，對即將建成的長江隧道的火災安全性能夠評價提供一定的數(shù)據(jù)支持。纖維增韌的高性能混凝土在各個性能方面都優(yōu)于普通混凝土，對其研究是一項綜合性很強的領域，而抗高溫性

4、能的研究又涉及很多的影響因素，要進行深入的研究難度較大，且在工程實際中對于纖維摻量的把握也是人們關注的問題之一。本文針對長江隧道管片的混凝土材料進行了高溫后的力學和超聲波試驗，取得了一些成果，并回歸分析了高溫后聲速和強度之間的計算公式，提出較為有效的纖維摻量，為今后纖維增韌混凝土理論研究和工程應用提供參考。本文得到“年武漢市重點科技攻關項目（）”資助關鍵詞：混凝土；高溫：纖維；力學性能，舭，（）曲，（），曲，：曲，曲，；，州，：厶，丘：；此頁若屬實，請申請人及導師簽名。獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方

5、外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：塑日期絲里關于論文使用授權的說明本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。（保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定）研究生簽名：盟新簽名：姓騭日期？哆擴武漢理工大學碩士學位論文第一章緒論概述年代出現(xiàn)波特蘭水泥后，混凝土作為一種新型建筑材料，以其骨料可以就地取材

6、，構件易于成型，具有水硬性等突出特點，日益廣泛應用于土建工程。尤其是世紀中葉以后，鋼鐵生產發(fā)展，隨之出現(xiàn)了鋼筋混凝土這種新的復合建筑材料，其中鋼筋承受拉力、混凝土承受壓力，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，初步克服了混凝土抗拉強度低、用途受限制的弱點。世紀年代開始出現(xiàn)預應力混凝土，其結構抗裂性能、剛度和承載能力，大大超過了鋼筋混凝土結構，從而顯著擴大了混凝土的應用范圍，擴展了許多新的應用領域，使土木工程進入了鋼筋混凝土和預應力混凝上占統(tǒng)治地位的歷史時期。混凝士給建筑物帶來新的經濟而美觀的工程結構形式，促使土木工程產生了新的結構設計計算理論和新的施工工藝技術，在土木建筑工程技術發(fā)展史上完成了一次新的飛躍?；炷连F(xiàn)

7、在已經成為土木工程最重要的建筑材料，但是因其也存在其固有的缺點，因此在實際工程中運用的混凝土都存在不同的缺陷，從而限制了它了應用范圍和效果，則在過去多年的歷史中，混凝土材料一直在向著優(yōu)質、高強、高性能的方向發(fā)展。普通的混凝土結構在建造過程和長期的使用期間，當處于正常的工作條件下，其溫度絕對值不高，波動不大，按照現(xiàn)行規(guī)范進行設計，可保證結構安全，并滿足建筑物的使用功能要求。但是，若結構的環(huán)境溫度升高幅度很大，或溫度差發(fā)生周期性交化時，可能使結構因為使用性能惡化或承載力下降而失效，甚至釀成局部破壞，以至整體倒塌。因此對于混凝土來說，抗高溫能力差是其很大的缺陷之一。混凝土在遭受火災的情況下，其力學性

8、能總體上呈現(xiàn)隨溫度升高逐漸劣化的趨勢，主要表現(xiàn)為強度逐漸降低，峰值應變加大，耐久性損失嚴重。尤為值得注意的是，火災工程中常常出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，使混凝土構件瞬間裂成大小不一的碎片而四處飛敖，減小了混凝土截面尺寸，致使內部混凝土和鋼筋直接暴露于明火中，加劇了混凝土構件的破壞。近年來，在工程實踐中，混凝土裂縫問題己成為普遍但難以解決的問題，武漢理工大學碩士學位論文地下室、樓（屋）面板開裂問題普遍存在，尤其是在隧道滲漏問題已經嚴重影響到結構的安全性和耐久性，成為社會關注的焦點?；炷亮芽p問題目前的解決方法主要有調整配合比、增加配筋、加強施工養(yǎng)護等手段，但效果不盡理想。長期以來許多專家學者也在不斷探索改善混

9、凝土性能（主要是提高抗拉性能，增強韌性和延性）的各種方法和途徑。纖維混凝土就是近年來研究和應用最廣泛的途徑之一。纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，在混凝土中加入非連續(xù)短纖維或連續(xù)長纖維作為增強材料的水泥基復合材料的總稱，目前處于研究和發(fā)展階段的有鋼纖維混凝土、聚丙烯（）纖維混凝土與一些高彈性合成纖維混凝土。本文主要討論混雜纖維棍凝土，它由改性聚丙烯和鋼纖維為主要原料，加以添加劑和改性工藝制成的高性能混凝土，作為一種新型的高分子建筑材料，具有強度高、不吸水，耐酸堿、耐高溫、防爆裂等的特點。纖維加入水泥基體中后，主要有以下幾種作用：提高基體的抗壓強度混凝土的破壞實際上是原始裂縫的發(fā)生、擴展

10、以致連通的過程，其內部缺陷是混凝土破壞的誘導因素，欲提高強度，必須盡可能地降低內部裂縫端部的應力集中程度，限制缺陷的擴展。纖維混凝土中均勻而任意分布的短纖維在混凝土硬化過程中改交了混凝土的內部結構，減少了混凝土內部的缺陷，提高了混凝土材料的連續(xù)性。在混凝土受力過程中纖維與混凝土共同受力變形，纖維的牽連作用使混凝土裂而不斷并能進一步承受載荷。這些都有助于提高纖維混凝土的抗拉強度。阻止基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并延緩新裂縫的出現(xiàn)纖維以單位體積內較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內部，纖維的加入猶如在混凝土中摻入巨大數(shù)量的微細筋，起到支撐集料的作用，從而阻止粗、細骨料的沉降產生的離析。另外纖維和基體之間

11、有很強的粘結力，能良好的保持基體的完整性。而微裂縫在發(fā)展過程中必然遇到纖維的阻擋，消耗了能量，從而阻斷裂縫擴展起到抗裂的作用，增強了混凝土的耐久性。提高基體的變形能力并從而改善其韌性及抗沖擊性混凝土凝固后被水泥緊裹的高強纖維絲粘聯(lián)成為致密的亂向分布的網狀增強系統(tǒng)，增強了混凝土的韌性。纖維與水泥基料緊密結合在一起，極大的保持了混凝土的整體強度。混凝土受到沖擊時纖維吸收了大量的能量，從而有效的武漢理工大學碩士學位論文減少了集中應力的作用。纖維對水泥裂縫有搭接作用，對分離的水泥塊有牽連作用，當纖維從水泥基體剝落時要消耗能量，這些影響都有助于提高混凝土的耐磨性。改善混凝土的抗高溫爆裂性能混凝土中添加纖

12、維，在高溫的作用下熔點較低的纖維會從混凝土中揮發(fā)逸出，并在混凝土內部留下所占的孔道，使混凝土內部毛細管數(shù)量增加，留下的孔洞為混凝土內部水蒸氣的逸出提供了通道，降低了混凝土內部的蒸汽壓力，從而有效地防止混凝土的爆裂。此外，高溫作用下熔點較高的纖維和混凝土之間強粘結力能保持結構良好的完整往，阻止其爆裂的發(fā)生”。纖維混凝土在國內外應用與研究現(xiàn)狀纖維混凝土的使用可以追溯到年，最初用在美國的軍事工程中，以增強混凝土的堅固性：英國則于年開始使用聚丙烯纖維混凝土，用在基樁樁帽上，以防止打樁時樁帽破壞。世紀年代中期研究用合成纖維作為水泥砂漿增強材料的可能性，發(fā)現(xiàn)尼龍、聚丙烯與聚乙烯等纖維有助于提高水泥砂漿的抗

13、沖擊性能【】。等的實驗結果表明，若在混凝土中摻加體積率為的聚丙烯纖維時，可使混凝土的塑性收縮減少。年代初，美國若干公司通過表面處理技術開發(fā)成功可均勻分散于混凝土中的直徑為聚丙烯、尼龍等單絲纖維，在纖維體積率為時即有明顯的抗裂和增韌效果。近十幾年來，美國與加拿大己在混凝土工程中廣泛使用加有低摻率合成纖維（聚丙烯單絲、聚丙烯膜裂纖維與尼龍纖維等）的預拌混凝土。目前美國所用混凝土總量中合成纖維混凝土約占，而鋼纖維混凝土只占左右在美國，纖維混凝土還被大量使用于地下防水工程、工業(yè)與民用建筑的屋面、墻體、地面、水池、道路以及橋梁隧道工程中。以杜拉纖維為例，從這種產品誕生至今只有多年，卻在美國、加拿大、澳大

14、利亞、日本、韓國，墨西哥以及東南亞等地區(qū)的混凝土工程中得到了相當廣泛的應用，其銷量的穩(wěn)定增長充分說明了高科技建筑材料無法低估的商業(yè)價值酊。根據(jù)等人的研究【。列，當在高強混凝土中摻入一定量的有機纖維特別是聚丙烯（）纖維后，纖維能夠大大降低混凝土高溫時的孔壓力，減小混凝土爆裂的機會。麗在高強混凝土中摻入一定量的鋼纖維不僅能改善抗拉、抗武漢理工大學碩士學位論文剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，顯著提高結構的疲勞性能及其耐久性，加上它施工簡便，且材料性價比好，因此在道路路面、橋面、混凝土枕軌、機場跑道、抗震抗爆結構等土建工程中應用日益廣泛。隨著纖維混凝土在中國的應用

15、推廣，建筑材料理論界也在國外學術界研究成果的基礎上開始關注并研究相關的理論問題。例如：中國建筑材料科學研究院沈榮熹研究了低摻率合成纖維在混凝土中的作用機制，歸納總結了合成纖維作為混凝土增強材料的特點，明確指出低摻率合成纖維在混凝土中具有阻裂作用和增韌作用【】。大連理工大學的戴建國、黃承逢、趙國藩研究了低彈性模量纖維混凝土的剩余彎曲強度問題，給出了可用于計算低彈性模量纖維混凝土構件抗彎承載能力的指標和計算方法，同時說明聚丙烯纖維在工程中不但可以用作非結構性補強材料來防止塑性收縮裂縫，而且可以作為結構性補強材料用于增強構件的抗彎承載力，改善結構延性。關于纖維混凝土的理論研究表明，纖維對混凝土綜合性

16、能改善的主要貢獻可能不是增強而是抗裂增韌。闡明纖維對混凝土增強作用理論的學說日前主要有纖維間距理論和復合材料理論。纖維間距理論早期由，與提出的，這種理論根據(jù)線彈性力學來說明纖維對裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。纖維間距理論認為在混凝土內部存在固有缺陷，如要提高強度，必須盡可能減小缺陷程度，提高韌性，降低混凝土體內裂縫端部的應力集中系數(shù)。復合材料理論則是將多種單一材料結合或混合之后所構成的材料整體看作一個多相系統(tǒng)，其性能乃是各個相的性能的加和值。混凝士從本質上說就是一種復合材料。我國棍凝土技術的先驅工程院院士吳中偉教授在水泥基復合材料的科學研究方面提出了具有創(chuàng)建性的思想。早在年，吳中偉教授發(fā)表“中心質

17、效應假說”，把水泥基復合材料的不同層次結合在一起。吳中偉教授認為，中心質效應是可以疊加的。這種思想的內核，正是復合材料理論的精髓【。復合材料之所以需要復合，首先是因為構成復合材料的那些基礎材料分別具有不同的性能特點，同時它們在相互結合的時候沒有或者基本上沒有不良的后果。在纖維混凝土中，纖維材料與水泥基體之間可以形成不存在負效應的良好復合體。其中最重要的前提有兩個：一是纖維材料具有嚴格穩(wěn)定的化學性質，即使在水泥水化時產生的強烈堿性物質也不發(fā)生任何變化；第二是纖維具有良好的自分散性，能夠在正常餛凝土制備所要求的攪拌時間之內完成在混凝土整武漢理工大學碩士學位論文體內無所不在的均勻性分散過程。在過去的

18、十幾年中纖維混凝土已經成為關注的焦點，因此很多的學者也對其的性能探索做了大量的試驗研究。國內的很多高校包括東南大學、哈爾濱工程大學、中南大學、同濟大學等對纖維混凝土的高溫力學性能做了大量的試驗研究。下面就是關于纖維混凝土在力學性能、抗裂性能以及收縮等方面的實驗研究成果。，纖維對混凝土高溫后抗壓、劈裂抗拉強度、抗折強度、彈性模量的影響同濟大學的肖建莊和王平通過試驗，研究了摻有聚丙烯纖維的高性能混凝土立方體試塊，在經歷了的溫度后抗壓強度變化，得出了外摻聚丙烯纖維高性能混凝土高溫后的質量損失率和殘余抗壓強度，以及未發(fā)現(xiàn)高溫爆裂的結論。分別針對試塊尺寸、強度等級和經歷溫度等因素，研究了聚丙烯纖維高性能

19、混凝土的高溫抗壓性能，通過統(tǒng)計回歸分析，得出了可供工程設計和事故鑒定用的抗高溫設計曲線”。哈爾濱工業(yè)大學的袁杰和吳波通過試驗，研究了纖維摻量對高強混凝土用水量及和易性的影響。結果表明：保持和易性不變情況下，高強混凝土的用水量隨纖維摻量的增加而逐漸增大；保持用水量不變時，高強混凝土的和易性隨纖維摻量的增加逐漸變差，混凝土坍落度逐漸減小。纖維摻入后，高強混凝土的抗壓強度明顯下降，高溫后高強混凝土試件的顏色隨受熱溫度的升高逐漸變淺，由常溫時的深灰色逐漸變?yōu)榛野咨⒚咨?，抗壓強度也逐漸降低，且摻與不摻纖維的高強混凝土抗壓強度的變化規(guī)律相同，降低幅度基本相同，并給出了相應的回歸公式。鄭州大學的高丹盈、趙

20、軍、湯寄予通過高強混凝土和鋼纖維、聚丙烯纖維高強混凝土試件的劈拉試驗，探討了纖維體積率（纖維摻量）及纖維類型對高強混凝土劈拉強度和變形性能的影響提出鋼纖維能有效的提高混凝土的劈拉強度，而且不同種類不同含量的鋼纖維對劈拉強度的影響都有所不同【”】。同濟大學的鞠麗艷和張道玲針對高性能混凝土的防火與抗爆裂性能低的特點，采用低熔點（聚丙烯纖維）及高熔點纖維（鋼纖維）復合的方法，對高性能混凝土高溫性能（抗折強度、抗壓強度及劈裂抗拉強度、抗爆裂性能）進行改善。研究表明，時，復合纖維混凝土的抗折強度剩余率約，明顯高于基準武漢理工大學碩士學位論文混凝土的抗折強度剩余率（約叼；抗壓強度剩余率約，與基準混凝土的強

21、度乖余率相當（約）；劈裂抗拉強度剩余率約，明顯高于基準混凝土的抗折強度剩余率（約）。另外，復合纖維對改善混凝土的抗爆裂性能特別有效，同時分析了復合纖維改善高性能混凝土高溫性能的作用機理【】。北京交通大學的趙莉弘、朋改非等人通過測定鋼纖維、聚丙烯纖維和混雜纖維（聚丙烯纖維和鋼纖維）增韌高性能混凝土的高溫殘余強度和斷裂能，研究聚丙烯纖維、鋼纖維和混雜纖維對混凝土高溫殘余力學性能的影響。實驗結果表明，鋼纖維和混雜纖維，尤其是鋼纖維，顯著提高高性能混凝土的殘余強度和斷裂能。聚丙烯纖維對高性能混凝土殘余力學性能的影響很小【閽。中南大學張彥春、胡曉波等人對鋼纖維混凝土進行最高溫度分別為、高溫試驗，考察其高

22、溫后抗壓、劈拉抗折、抗剪強度的變化情況，將其殘余抗壓、劈拉強度率與素混凝土進行比較。結果表明，鋼纖維混凝土高溫后各項力學性能均明顯優(yōu)于素混凝土。最后還對鋼纖維在高溫混凝土中的作用進行了初步分析【。上海市政工程研究院的孫家瑛對混凝土的抗折性能進行了實驗研究，結果表明：在水灰比不變的條件下，當聚丙烯纖維的摻量從增加到時，雖然聚丙烯纖維摻入對混凝土的抗壓強度影響不大，但是抗折強度可以提高【。纖維對混凝土的抗裂性能的影響焦作工學院的王正友等人針對目前高性能混凝土的防火、防爆裂性能低，采用低熔點及高熔點纖維混雜的方法，對高性能混凝土這方面的性能進行改善，試驗結果表明，混雜纖維混凝土高溫性能優(yōu)越，拓寬了高

23、性能混凝土的應用范圍，利于推廣。東南大學的游有鯤、錢春香等人研究得出高強混凝土的滲透性很低，高溫下可能出現(xiàn)爆裂破壞現(xiàn)象，嚴重影響混凝土及其內部鋼筋的結構使用性能。通過試驗改變聚丙烯纖維摻量，研究其改善高強混凝土高溫爆裂性能，以及高溫后高強混凝土吸水率、剩余強度性能及其恢復性能【嘲。纖維對混凝土的抗沖擊性能的影響北京參保設計研究院的胡金生、楊秀敏等人對兩種纖維混凝土材料纖維增韌及耗能機理進行了探討，并采用變截面大尺寸壓桿，對鋼纖維混武漢理工大學碩士學位論文凝土、素混凝土和五種纖維含量的聚丙烯纖維混凝土試件進行了三種應變率范圍的沖擊壓縮試驗，還給出了不同材料試件的破壞特征及試驗測試結果。并以應力一

24、應變全程曲線所圍面積作為韌性指標，對兩種纖維混凝土在沖擊荷載下增韌特性迸行了對比分析。研究表明，五種含量的聚丙烯纖維混凝土中，含量的三組混凝土韌性較高，其中含量的聚丙烯纖維混凝土韌性值最大；與素混凝土相比，兩種纖維混凝土韌性均有所提高，在達到應力峰值后的變形階段得以體現(xiàn)，在應變范圍內，鋼纖維混凝土、含量的聚丙烯纖維混凝土韌性指標比素混凝土分別提高了和【】。廣州大學的焦楚杰、孫偉等等人采用裝置對不同鋼纖維體積率（以）鋼纖維混凝土（）進行多應變率動態(tài)力學性能試驗研究，測出其應變率敏感閥值，試驗表明，當應變率在閥值內升高時，峰值應力增長緩慢，彈性模量基本不變，應變率超過閥值后升高時，材料動態(tài)強度和彈

25、性模量均增長較快，而且，以越大，動態(tài)強度提高幅度越大。在沖擊條件下，鋼纖維對最顯著的貢獻是增韌，當應變率較高時，基體試件破碎成渣，麗同應變率時的試件還能夠基本上保存中間的主體，呈現(xiàn)出“微裂而不散，裂而不斷”的破壞形態(tài)【”。中國科學技術大學中科院材料力學行為和設計重點實驗室的巫緒濤，胡時勝等人介紹了利用裝置獲得鋼纖維高強混凝土沖擊壓縮應力應變曲線的試驗研究。同一類試樣在靜態(tài)和動態(tài)共個不同應變率下的試驗結果揭示混凝土是應變率敏感材料，其破壞應變、峰值應變和彈性模量表現(xiàn)出顯著的應變率強化效應。從靜態(tài)和動態(tài)壓縮下混凝土損傷演化的不同形式對這種應變率強化效應進行了詳細討論。從相近應變率下不同鋼纖維含量試

26、樣的試驗結果中，發(fā)現(xiàn)沖擊壓縮下鋼纖維對混凝土的增強效應隨應變率的增大而減弱。從鋼纖維對混凝土靜態(tài)和動態(tài)壓縮下?lián)p傷演化形式的影響，討論了鋼纖維對混凝土的這種增強效應瞄。本文研究的目的與意義混凝土作為主導的結構材料用于土木工程已有一百多年的歷史。近年來，隨著現(xiàn)代混凝土技術的研究、應用與發(fā)展，強度高、耐久性好和工作性能優(yōu)異的高性能混凝土正逐漸迅速發(fā)展，并替代傳統(tǒng)的混凝土用于實際結構。高性能武漢理工大學碩士學位論文混凝土結構，能大幅度提高工程結構或構件的承載力，減小結構、構件的尺寸和自重，適應現(xiàn)代化工程結構向大跨、重載發(fā)展的需要，已被公認為是一種當代最有發(fā)展前途并可大面積推廣應用的新一代工程結構材料。

27、然而，高性能混凝土與傳統(tǒng)的普通混凝土相比，結構密實，脆性更大，滲透性低，造成了其一個弱點一抗火性能差田，尤其是高溫容易發(fā)生爆裂現(xiàn)象。近些年來，火災頻頻發(fā)生，火災已成為造成結構破壞主要因素之一。一旦發(fā)生火災，混凝土性能將嚴重惡化，在高溫下，通常容易軟化，結構性能大大削弱，混凝土構件在受熱時不可避免地發(fā)生表面爆裂，特別是承受較高應力的高強混凝土構件，如果不采取一定措施，在高溫中暴露較短的時間后，就會失去耐火能力。構件承載力會大大降低發(fā)生破壞，甚至坍塌，將造成巨額經濟損失。即將建設的武漢長江隧道是萬里長江第一條過江隧道，在國內首次將纖維增韌的高性能混凝土運用于大斷面過江隧道（隧道直徑達）襯砌結構中。

28、一旦發(fā)生火災，混凝土結構就會受到嚴重損傷，勢必將引起隧道火災事故，造成大量人員傷亡和財產損失，以及導致隧道襯砌的結構破壞，造成社會人心渙散。嚴重威脅社會的穩(wěn)定。研究隧道襯砌結構火災環(huán)境下和火災后的力學性能規(guī)律變化及損傷規(guī)律，提高襯砌結構的抗火性能是十分迫切和必要的，具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。同時，為我國建設優(yōu)質的、耐久性良好的大型越江隧道工程提供關鍵技術支撐，大幅提高長江隧道工程服役壽命、增長投資效益、保障人們生命財產安全，對武漢經濟的可持續(xù)發(fā)展將產生深遠的意義。本文擬以武漢長江隧道為工程依托，以提高隧道襯砌結構耐火性能以及提高火災后樹砌結構的安全鑒定為目的，對武漢長江隧道襯砌結構管片材料

29、纖維增韌的高性能混凝土進行高溫試驗以及高溫后的無損檢測試驗；通過對高性能混凝土試塊（分別摻入聚丙烯纖維、同時摻入鋼纖維和聚丙烯纖維的二種不同類型的高性能混凝土試塊）升溫到不同溫度等級后，進行力學性能試驗以及超聲檢測試驗研究。試驗的目的是通過高溫試驗研究其混雜纖維對混凝土高溫后力學性能的影響，探索各種纖維改善混凝士耐火性能的機理，找出加溫前后混凝土力學性能變化規(guī)律：通過超聲波檢測試驗，研究混凝土損傷的程度、強度的變化等，對其材料以及結構的安全性進行科學的評判，進行合理的修護與加固，讓其整個結構恢復正常的使用功能，以求達到減少經濟損失的目的。武漢理工大學碩士學位論文本文研究的主要內容纖維混凝土抗裂

30、增強機理研究；纖維混凝土抗壓、抗拉等力學性能試驗研究；纖維混凝土的抗爆裂試驗研究；高溫后纖維混凝土超聲檢測試驗研究：通過對組摻有不同纖維含量的高性能混凝土試塊的高溫后的力學實驗，研究相同含量纖維的混凝土在高溫后強度變化規(guī)律：對不同纖維含量的高性能混凝土高溫后剩余強度作對比，提出能發(fā)揮最大增韌效果的纖維含量：通過對試驗對實驗現(xiàn)象和力學實驗數(shù)據(jù)的分析，研究其損傷的程度及機理，通過對其高溫后顏色、剝落程度、裂紋情況等因素對襯砌結構的安全性做出合理的評判，提出一套有效的評定方法。武漢理工大學碩士學位論文第二章纖維混凝土高溫性能增強機理的研究纖維混凝土中的纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維亂向分布，并有不同程度、不

31、同類型的定向性，又由于纖維混凝土是種多相、多組分、非均質且不連續(xù)的材料，加之不同的纖維形狀和表面性能及不同的旌工方式，造成纖維不同形式的分布，導致纖維增強機理十分復雜。雖然自纖維混凝土問世后，有諸多研究者對其理論進行了研究【岳。纖維對混凝土的增韌效果可分為兩種，一種為強度的增強，另一種即為特殊性能的增強。對于準確反映纖維強度韌性增強的理論有兩種，一種是基于復合材料力學的混合定律，另一種是建立在彈性斷裂力學基礎上的纖維間距理論；而對于纖維改善混凝土高溫性能的研究，目前普遍認同的觀點是蒸汽壓機理（）。纖維對混凝土增韌機理研究【】復合材料混合定律混合定律是研究復合材料性能與復合材料各組分性能之間關系

32、的理論。年，首先研究出了由兩相組成的復合材料的混合定律。隨后，及等人相繼從不同的角度用混合定律的基本原理從不同方面（纖維的形狀、長短、體積率、纖維的缺陷等）研究了纖維對混凝土力學行為的影響。復合材料理論把纖維混凝土看成多相體系，纖維為一相，混凝土為一相，復合材料的性能是把各相性疊加，用混合定律研究纖維混凝土時，其基于以下假設：（）纖維混凝土在宏觀上是均質的：（）纖維與混凝土基體本身是各向同性（或正交各向異性）的線彈性材料：（）纖維與基體之間無任何相對滑動（即完全粘著狀態(tài)）。在上述條件下，可有兩種纖維狀態(tài)下的混合定律，即單向連續(xù)長纖維混凝土混合定律和不連續(xù)短纖維混凝土混合定律。（）單向連續(xù)長纖維

33、混凝土復合材料混合定律武漢理工大學碩士學位論文若纖維在基體連續(xù)均勻排列，并與荷載方向一致（如圖所示），即稱為單向連續(xù)纖維復合材料?；w荷載，纖維二荷載：圖單向復合纖維材料受力簡圖由于已經假定了纖維與基體之間完全粘著而無滑動，在承受荷載時，基體的應變與纖維的荷載勺及復合材料的應變乞都應相同，即：設作用在復合材料、基體和纖維上的荷載分別為芝、只和只，則有：吒，己以，弓町式中：、以彳，一分別為纖維復合材料、基體和纖維材料受荷載截面面積：咚、吁一分別為纖維復合材料、基體和纖維的應力。由于可得到名哎以町即得呼。甕峨甕妻野魯一纖維體積率（），其定義為：摻入的纖維總體積占復合材料總體積的百分率；令式中圪一基

34、體體積率（），其定義為：基體體積占復合材料體積的百分塞武漢理工大學碩士學位論文則有由于則得至七。吃卜疋町（一），。（）姻為式中疋、民、，一分別為纖維復合材料、基體和纖維的彈性模量。可得纖維復合材料的彈性模量；。疋巧峨（一）（）式（）和式（）即為單向連續(xù)纖維復合材料混合定律的表達式。由此表達式可知，纖維復合材料的拉應力與纖維的拉應力和基體的拉應力及纖維的體積率有關。由式（）還可求得單向纖維復合材料的抗拉強度。臺應為：吒盯唐。（一巧）式中（）盯。一纖維的抗拉強度；盛一基體斷裂時的拉伸應力。由以上理論推導可知，當無纖維存在時，即以時，；而當有纖維存在時，即吩時，吩仃。（一巧）。由式（）計算得到的復合

35、材料抗拉強度往往大于實際測定值。其原因是纖維強度較高時，基體受拉斷后纖維不一定完全與基體粘結而無滑動。考慮到這一情況，在盯。前應乘以一個小于或者等于的系數(shù)，即式（）應寫成：后口盯。（一）當基體開裂后，全部荷載由纖維承擔，這時復合材料抗拉強度為：。（）不連續(xù)短纖維混凝土復合材料的混合定律對于不連續(xù)短纖維復合材料（也稱為亂向短纖維復合材料），與前述的單向連續(xù)長纖維復合材料相比，纖維的長度不同，在基體中的分布狀態(tài)不同，在承受拉伸應力的材料斷裂時，纖維或被拉斷，或被從基體中拔出。在式（）和式（）的基礎上可以推導出亂向分布不連續(xù)短纖維混凝土的抗拉強度和彈性模量分別武漢理工大學碩士學位論文為下式：吒仍吒（

36、一巧）疋夠毋玩（一巧）式中仍一與纖維長度、取向、分布、纖維缺陷及纖維與基體的粘結力有關的綜合有效系數(shù)，其可用下式表示：吼。棚圓式中一纖維方向系數(shù)；仉一纖維與基體界面粘結的粘結系數(shù)；研一纖維長度有效系數(shù)。纖維間距理論纖維間距理論是在理論基礎上提出來的，理論認為，一些脆性材料（如混凝土）之所以為低應變脆斷，原因在于材料結構的微不均勻性和存在一定量的缺陷，如微裂縫或亞微裂縫及各種尺寸的孔。當受到應力作用時，裂紋尖端產生應力集中，裂紋迅速擴展，裂紋的數(shù)量、長度、開冷不斷增加，最終導致裂紋君誦，形成丈的裂縫而伸材料結構發(fā)生崩潰破壞。纖維裂縫（）纖維混凝土塊體截面）截面圖纖維間距理論模型圖當在脆性材料基體

37、中摻人纖維后，材料受到應力時，纖維的存在將會約束武漢理工大學碩士學位論文裂紋的引發(fā)和裂紋長度及開度的擴展，從而起到增強作用。圖表示連續(xù)纖維沿拉應力方向分布在基體中間，纖維之間的間距為，半徑為的裂縫存在于根纖維所圍成的區(qū)域中心。材料在受到拉伸時，拉伸應力在纖維上產生的粘結應力分布在裂縫端部附近，從而對裂縫尖端產生反向應力場，降低了裂縫尖端的應力集中程度，使裂縫的擴展受到約束，裂縫端部的擴展力減小，材料的強度特別是韌性得到明顯地增強，纖維的這種對裂紋擴展的約束作用與纖維之間的間距和纖維的數(shù)量有密切關系。纖維間距越小，單位體積中的纖維數(shù)量越多，這種作用就越有效。水泥基體中的凸透鏡狀裂縫的端部產生應力

38、集中系數(shù)為。當裂縫擴展到基體晃面時，在界面上會產生對裂縫起約束作用的剪應力并使裂縫趨于閉合。此時在裂縫端部會有一與虹方向相反的另一應力集中系數(shù)，故總的應力集中系數(shù)為：，一總的應力集中系數(shù)弓應小于纖維混凝土臨界應力系數(shù)，若弓恕，則材料會發(fā)生斷裂破壞。纖維混凝土的抗拉初裂強度按下式計算：盯，：皂遺式中一纖維混凝土臨界應力系數(shù)；一常數(shù)；纖維的平均中心間距。由以上分析及式可見，單位面積內的纖維數(shù)量越多，亦即纖維平均中心間距越小，抗拉初裂強度提高的效果就越好。下面來推導纖維間距的表達式，設纖維直徑為，長度為，在纖維體積率為（）的單位體積纖維混凝土中，含有纖維總根數(shù)為乏÷，因此，當纖維方向系數(shù)為

39、時，在纖維混凝。，萬：，土的任意端面上，纖維根數(shù)為，則：武漢理工大學碩士學位論文一麗。葡：萬川由上式可得纖維平均間距為：洶刪躒當纖維為一維亂向分布時，取，則：瑚嘲，厚當纖維為一維亂向分布時，取鋤，則：川居當纖維為一維亂向分布時，取鋤，則：由修由此可知，纖維平均間距與纖維直徑辦密切相關，當纖維體積率一定時，乃越小，也越小，對裂縫引發(fā)和擴展的約束能力越大；也與纖維體積率有關當纖維直徑由一定時，纖維體積率越高，則相應減小；還與纖維方向系數(shù)有關，當纖維體積率直徑和長度不變時，一維分布時纖維平均間距最小，三維分布時平均間距最大，二維分布的纖維間距處于兩者之間。纖維對混凝土抗高溫性能改善機理研究蒸汽壓機理

40、（）從先前的研究中一致認同混凝土混凝土爆裂的過程也是混凝土中水分從其內部逸出的過程。當混凝土受熱溫度在以下時，隨著混凝土中水的逸出，水泥石強度增加；超過后，隨溫度升高，混凝土內部收縮漸大于膨脹，這種復雜的收縮、膨脹和水泥石凝膠體結晶的破壞，使得混凝土在溫度被加至之后，強度迅速下降，時強度會損失，時強度損失在左右甚至會由于內部氣壓過高而爆裂，因此混凝土爆裂的過程也是混凝土中水分從其內部逸出的過程。對于高強度混凝土而言，由于其強度高，密實度大，武漢理工大學碩士學位論文孔隙率低，蒸發(fā)通道不暢，使水不能及時地逸出，從而產生過高的蒸氣壓，遠遠超過混凝土抗膨脹強度，導致混凝土因不能抵御這種過大的內部壓力而

41、更容易發(fā)生爆炸性破壞。常溫下凝膠結構完整、密實，（）結晶得非常整齊完整。在以內，主要是混凝土內自由水的蒸發(fā)，這對整個結構相貌沒有大的影響。溫度較低時，混凝土強度降低不多，這是因為在此溫度下，游離水的逸出使水泥顆粒更緊密，產生類似蒸汽養(yǎng)護的作用，促進了水泥顆粒的進一步水化，而且凝膠體低溫脫水使組織結構逐漸變得致密，有利于強度的增加，從而部分抵消了此階段由于骨料受熱破壞及水泥石與骨料問聯(lián)系的破壞所造成的強度損失。以后，凝膠體開始脫水分解，此時排出的主要是層間水和化學結合水，（）。也少量分解，使得原本結晶完整的片層結構破壞，強度顯著下降，裂縫產生。當溫度超過后，高強混凝土強度大幅度下降。此時，占水泥

42、石重量一的（）。在加熱過程脫水后即變成大量游離的，當冷卻后，游離又與空氣中的水汽接觸而逐漸消解成（）：，體積膨脹，產生很大的內應力，導致混凝土結構的破壞：另外，加熱過程中水泥石產生較大收縮，而骨料卻膨脹，這種差異也造成混凝土的破壞，強度持續(xù)下降。當在高性能混凝土中摻入纖維后，由于聚丙烯纖維的熔點低，當溫度為時，纖維已經熔化，這時混凝土還處于自蒸階段，內部壓力不大，但因纖維揮發(fā)后所形成的眾多小孔隙，使得混凝土內部孔結構發(fā)生了變化，孔隙的連通性加強，為混凝土內部水分的蒸發(fā)提供了有利的通道，也緩解了由于水分膨脹所形成的壓力過大，使內部壓力大大降低，從而防止了爆裂的產生，說明了聚丙烯纖維在混凝土抗高溫

43、性能中所起到了緩解壓力的作用。此外，當混凝土受熟溫度達到以后，這時聚丙烯纖維已經完全揮發(fā)殆盡，由于鋼纖維熔點高，在沒有達到熔點的狀態(tài)下仍然發(fā)揮著增韌作用。鋼纖維在高溫后，對基體起著增韌和租裂的效應，改變其脆性、易開裂性及其破壞形態(tài)，延長了混凝土的使用壽命。武漢理工大學碩士學位論文第三章混雜纖維混凝土高溫后力學性能試驗方案概述混凝土是以水泥為主要原材料，拌合一定比例的砂、石和水，有時加入外加劑，經過攪拌、振搗、養(yǎng)護等一系列工序后，逐漸凝結硬化形成的以水泥砂漿為膠結材料，粗骨料為骨架的人工混合材料，因此混凝土的熱工性能主要由水泥砂漿和骨料這兩部分決定。在高溫作用下，由于混凝土內部材料之間熱工性能的不相容性，導致內應力產生，出現(xiàn)大量細微裂縫，導致混凝土抗壓強度降低。一般來說，當溫度低于時，材料之間不相容性較小，化學反應較弱，混凝土抗壓強度變化不大。當溫度高于之后，材料問較大的不相容性導致構件內部內力的增大，從而引起骨料和粘結界面的開裂。此后，隨著溫度的升高，混凝土試件內