混杂纤维混凝土在海水冻融侵蚀下的力学性能研究

作     者：孔令康 

作者单位：苏州科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙敏

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：纤维混凝土 抗冻性能 海水冻融循环 机理分析 数值模拟 

摘      要：当混凝土材料被使用在较为恶劣的环境中时,混凝土材料的耐久性问题日益凸显。针对于寒冷地区的道路、桥梁、水工、港工等工程中混凝土构筑物,其面临的耐久性不足问题主要是抗冻及耐盐类腐蚀性能不足。纤维材料的快速发展,高性能纤维混凝土的研究越来越广泛和深入。在这种背景下并基于聚乙烯醇纤维(PVA)和纳米SiO自身优异的物理化学特性,探究PVA-纳米SiO混杂纤维混凝土的基本力学性能和抗冻耐久性,并进行相应的冻融循环数值模拟。本文研究的主要内容及相关成果有以下几个方面:(1)对C(对照组)、P(0.1%PVA)、S(1%纳米SiO)、SP1(0.1%PVA和0.5%纳米SiO)、SP2(0.1%PVA和1.0%纳米SiO)、SP3(0.1%PVA和1.5%纳米SiO)混凝土试验组进行混凝土的工作性能,抗压、抗折强度的试验研究。通过试验数据发现,掺有0.1%PVA和1.0%纳米SiO的SP2试验组的抗压、抗折强度的提升效果最好,分别提高了11.62%、16.64%。(2)结合前人的研究,分析了PVA纤维和纳米SiO对混凝土抗压、抗折的增强机理。PVA纤维主要从复合材料理论和纤维间距理论去阐释,而纳米SiO主要从水化反应催化机理和对界面过渡区的优化两方面去解释其增强机理。(3)对PVA和纳米SiO混凝土的海水冻融破坏机理从两个方面进行了解释:冻融破坏是一种温度疲劳破坏,内部应力随温度的变化而变化,基体内部连续的施荷卸荷;海水中盐类物质对水泥基体的化学腐蚀作用。(4)通过海水快速冻融循环试验,研究了冻融后的外观破坏形态、质量损失、相对动弹性模量、抗压强度这几个抗冻性能评价指标。试验发现,掺有0.1%PVA和1.0%纳米SiO试验组SP2抗冻性能最好,在冻融循环结束后其相对动弹性模量、抗压强度剩余比分别为70.28%、77.29%。还发现质量损失评价指标对于该试验中的纤维混凝土不灵敏,不能评价出各试验组抗冻性能的优劣。(5)利用ABAQUS有限元软件,分别模拟对照组C和SP2混凝土冻融循环过程。数值模拟了温度场、热应力场及受冻融后的抗压强度,并将数值模拟结果和试验对比,其误差均在15%以内,模拟结果和试验结果整体一致。若进一步将SP2型混凝土材料用于冻融环境中的桥墩之上,需清楚墩柱的抗震性能,故对普通钢筋混凝土墩柱C(对照组)、钢筋纤维混凝土墩柱SP2(掺有0.1%PVA和1.0%纳米SiO)进行50次冻融后的抗震性能模拟及分析。抗震性能的模拟结果显示:SP2墩柱的滞回曲线面积大于C墩柱,C、SP2墩柱的最大承载力分别为103.43KN、119.94KN,故SP2钢筋纤维混凝土墩柱抗震性能更好。