含裂隙混凝土棱柱体轴压裂纹扩展及纤维抑裂研究

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在实际工程中,混凝土等脆性材料往往由于冲击荷载、施工不规范、温度等因素的影响,其内部会产生各种形式的裂隙缺陷。这些裂隙缺陷对脆性材料的力学性能和破坏模式有较大影响,存在很大安全隐患。因此,为了改良材料的力学性能,提高抗裂能力,国内外学者已经对含既有裂隙的岩石、石膏等脆性材料的裂纹扩展、破坏模式进行了大量的试验分析与机理研究。然而,对含既有裂隙混凝土结构的研究较少,还需进一步试验研究分析,为实际工程提供一定的理论帮助。首先以含既有裂隙混凝土棱柱体为研究对象,对含不同角度和不同位置裂隙的试件开展了一系列单轴压缩试验,分析了试件的裂纹扩展规律与破坏模式。在此基础上,为了研究纤维掺杂对既有裂隙扩展的抑制作用,进行了含既有裂隙纤维混凝土棱柱体的单轴压缩试验,同时使用声发射技术监测每组试验过程,获取试件的轴压开裂过程的相关数据。最后使用GDEM软件对典型试验工况进行数值模拟,并与试验结果进行了对比验算,进一步解释了裂隙扩展及纤维抑裂机理。本研究主要成果如下:(1)制备了倾角为30°和45°的既有裂隙混凝土棱柱体试件,在室内进行单轴压缩试验。结果表明:由于靠近边界的既有裂隙尖端应变能释放率较高,裂纹更容易扩展。(2)纤维可以抑制既有裂隙尖端张拉翼裂纹的萌生和扩展,随纤维掺量的增加,裂隙尖端对称出现的翼裂纹逐渐缩短。当纤维掺量超过2kg/m3时,既有裂隙尖端翼裂纹基本消失,能有效抑制张拉破坏,防治脆性破坏,提高延性。(3)随纤维掺量的增加(0~4kg/m3),含裂隙聚丙烯纤维混凝土棱柱体试件的破坏模式由以张拉破坏为主变为以拉剪破坏为主,最终以剪切破坏为主。(4)随纤维掺量增加,含裂隙棱柱体轴压下起裂强度、峰值强度先增大后减少。起裂强度在2kg/m3时达到最大值,最大升幅为7%;峰值强度在1 kg/m3时达到最大值,最大升幅为7%。结果表明:适量纤维能有效抑制既有裂隙扩展,而过量纤维会使试件的有效承压面积减小,削弱其抗压性能。(5)结合声发射特征与应力随时间变化关系,纤维掺量的增加延长了含裂隙棱柱体试件的起裂时间、声发射信号峰值至消失时间和试件破坏过程总时间。结果表明纤维提高了裂隙尖端的起裂荷载,并且提高了试件的塑性和延性。(6)当既有裂隙位于边端时,靠近边界的裂隙尖端处拉应力区更大,且率先扩展;随纤维掺量的增加,既有裂隙尖端的拉应力区逐渐减少,起裂时裂隙尖端处的纤维充分发挥作用,起到分担、传递应力的作用,延缓了既有裂隙的扩展。
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