导　　师： 黄小清

学科专业： H0102

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 桥面铺装在使用年限内的过早破损是桥梁运营中存在的普遍问题，探索新型的桥面铺装材料，使之具备较好的抵抗破坏的能力特别是抵抗动荷载下破坏的能力，成为近10多年来相关科技工作者共同追求的目标。相对于普通混凝土(plain concrete，pc)，钢纤维增强混凝土(steel fiber reinforced concrete，sfrc)能阻滞混凝土基体裂缝的发展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土有显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大的改善。但由于钢纤维对防止混凝土的初裂的贡献不大，作为桥面铺装材料的应用效果还不十分理想。钢纤维增强聚合物改性混凝土(steel fiberreinforced and polymer modified concrete，sfrpmc)是在钢纤维增强混凝土中加入聚合物，能较好地改善混凝土基体的内部结构，增强钢纤维与混凝土基体之间的粘结作用，优化材料的力学性能。初步的试验研究和工程应用表明sfrpmc是一种较为理想的桥面铺装材料。但是目前对sfrpmc的动态力学性能研究报道还很少，其中对于在动荷载作用下材料损伤的研究更为缺乏。而桥面铺装层在使用中经受的是复杂的静载、疲劳荷载和冲击荷载的耦合作用，因此有必要研究这种材料在疲劳荷载和冲击荷载下的力学响应、损伤及其演化规律，为材料的优化和改进提供坚实的理论基础，为其在桥面铺装领域的应用提供指导。 本文采用实验研究、理论分析和数值模拟等多种手段，研究了sfrpmc的动态力学性能和工程应用，对比了 sfrc和sfrpmc在疲劳循环加载时的力学性能及损伤演化规律，对比了pc、sfrc和sfrpmc在高速冲击加载时的力学性能、本构关系和损伤演化规律，并对sfrpmc在实桥桥面铺装中的应用情况进行了长期的观测。通过系统的研究，得到sfrpmc材料在疲劳、冲击荷载下的力学特性，充实发展了混凝土类材料的损伤、寿命预测等方面的理论研究，取得了良好的工程应用效果，在理论和工程实践方面均具有重要的意义。 本文首先针对骨料粒径对材料应力集中的影响进行了有限元计算和分析，提出了优化sfrpmc配合比的思路和实验方案，进行了不同聚合物掺量和不同骨料粒径级配的pc、sfrc、聚合物混凝土(pmc)和sfrpmc材料梁的三点弯曲试验，分析了钢纤维和聚合物的加入对材料抗折强度和弯曲韧性的影响。实验结果表明，在弯曲荷载作用下，pmc与pc都表现出脆性断裂特性，sfrc和sfrpmc表现出明显的塑性行为，而sfrpmc的延伸性比sfrc好；聚合物乳胶乳液的掺入降低了混凝土和钢纤维混凝土的抗折强度；pc和sfrc的抗折强度随着骨料粒径的增大而增大，但对于sfrpmc来说，乳胶乳液的掺量和骨料粒径之间存在一个最佳的搭配。根据实际情况，确定了sfrpmc对配合比优化后的sfrpmc和相同基准配合比的sfrc的疲劳性能进行了实验研究，比较了不同加载应力水平下两者的疲劳极限和疲劳寿命。针对基于两参数weibull分布的疲劳寿命预测方法，提出了weibull分布参数确定的新思路，据此给出了sfrc和sfrpmc材料的疲劳寿命概率分布。合理定义了可量测的损伤变量，给出了描述sfrc和sfrpmc材料损伤行为演变规律的力学模型，提出了损伤量和循环比的多项式幂次关系式的损伤演化方程。与试验结果对比表明该疲劳损伤演化方程能较好地描述sfrpmc和sfrc两种材料的疲劳损伤演化规律。 应用分离式hopkinson压杆对pc、sfrc和sfrpmc在冲击荷载下的力学响应进行了实验研究，观察比较了不同冲击速度下三者的破坏现象，证明了sfrpmc具有更好的耐冲击性能。分析了三种材料的应变率效应，发现sfrpmc的应变率强化特征不如pc和sfrc显著。基于实验结果，提出了一个描述混凝土材料应变率强化效应的双直线模型，此模型能较好地解释三种混凝土材料的应变率效应。比较了三种材料在冲击荷载作用下单位体积吸收的能量，结果表明sfrpmc比pc和sfrc具有更好的能量吸收性能。 试验表明在冲击条件下，三种材料都表现出一定的非线性粘弹性特性，因此采用朱一王一唐力学模型描述材料在冲击荷载下的本构关系，并考虑损伤的影响，得到了应变率相关的损伤型非线性粘弹性本构方程。对冲击实验数据进行回归分析表明该本构关系能很好地用于描述三类混凝土材料的冲击力学行为。理论模型分析的结果表明，文中涉及的三种材料可看作线粘弹性材料；混凝土材料破坏存在一个临界损伤值；在本文研究的应变率范围，损伤对应变率的变化不敏感。相同应变率下，sfrpmc材料的损伤比pc和sfrc材料的低。 从工程应用需要出发，为施工单位制定了sfrpmc材料在实际桥面铺装施工中的制作步骤、施工流程和施工方法，完成了三座桥梁桥面铺装的施工，并对使用情况进行了二至四年的长期跟踪，三座桥梁sfrpmc桥面铺装状况良好，这表明sfrpmc是一种较为理想的桥面铺装材料。

关 键 词： 混凝土 钢纤维增强 聚合物 疲劳 冲击 损伤

分 类 号： [O347.3]

领　　域： [理学] [理学]