随着现代土木工程技术的不断发展,高层、大跨以及有特殊功能需求的建筑结构形式不断涌现,要求混凝土材料向更高的强度和更好的耐久性方向发展,这些需求促进了现代混凝土材料和技术的进步。其中,重要的成就之一是超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)的出现。UHPC是一种具有超高强度、超高韧性和优异耐久性的新型水泥基复合材料,通常使用纤维作为增强增韧材料。目前已有较多纤维增韧水泥基材料的机理研究,但主要集中在纤维阻裂和桥联裂缝面等方面。实际上,纤维的引入一方面可起到阻裂和桥联裂缝的作用,另一方面却向复合材料引入界面缺陷。因为UHPC基体结构非常致密,纤维与水泥基体之间的界面缺陷对超高性能混凝土的力学性能影响尤其显著,随着基体强度的增加,纤维的负效应也会越明显,且与纤维尺寸密切相关。因此,在UHPC中存在着纤维正负效应的竞争机制,且随基体强度、纤维及其尺寸等的变化而变化,说明纤维与基体间存在匹配问题。为此,本文主要探究了纤维的种类、形状、尺寸和方向等参数对不同强度等级UHPC基体的正面作用(阻裂增韧)和负面作用(诱导裂缝),在此基础上根据不同纤维对不同强度等级UHPC基体性能的改善效果及机理提出了纤维与UHPC之间的匹配理论,丰富和完善了超高性能混凝土设计理论。主要研究成果如下:(1)获得了不同纤维与不同强度等级UHPC中水泥基体之间的粘结性能。在钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维这三种纤维中,钢纤维与基体之间粘结性能最好,高达15.8 MPa。通过减小水胶比、延长养护龄期、掺入掺合料和优化配比等方式提高基体强度等级均能改善纤维-基体粘结性能,另外通过改变纤维形状也可增加纤维与基体之间的粘结性能。异形纤维与基体的粘结强度大,因此更容易发生纤维拔断现象,提高基体强度等级对异形纤维的不利影响要大于平直形纤维。(2)通过表征UHPC中纤维与水泥基体之间的界面微结构,发现纤维-水泥基体界面区的氢氧化钙(CH)晶体含量比浆体区更多,排列取向性更大;孔隙率更高,硬度值更低。基于背散射(BSE)图像分析技术定量分析界面区孔隙率,并结合显微硬度、纳米压痕和能谱扫描(EDS)分析技术,确定纤维与不同强度等级UHPC的界面区厚度,发现纤维与高强混凝土基体的界面区厚度约为40μm,而与超高强UHPC基体的界面区厚度约为10μm。由此,证实并量化了纤维掺入向UHPC引入的薄弱区,提出通过减小水胶比、掺入掺合料、优化配合比、改变纤维种类和性能等优化界面区微结构的方法,从而强化界面薄弱区,改善纤维-基体的界面性能。(3)通过研究UHPC的断裂性能及其影响因素,发现在钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维这三种纤维中,钢纤维尤其是异形钢纤维对断裂性能的改善效果最好,聚丙烯纤维其次,碳纤维最差。在体积掺量均为0.5%条件下,钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维对复合材料的断裂能分别提高773.4%,648.1%,95.5%。在体积掺量小于2.0%的范围内,增大纤维的掺量可以提高纤维对断裂性能的改善效果。通过减小水胶比、延长养护龄期、优化基体颗粒级配和配合比以及热水养护等方式提高基体强度,均能改善断裂性能,但是以高温干热养护方式提高基体强度时会对断裂性能造成不利影响。(4)通过研究纤维排列方向对UHPC强度和断裂性能的影响,发现纤维的受力方向对强度影响不大,但对断裂性能有明显的影响。单根纤维提高基体断裂能最大可达119.7%,然而也可降低至59.4%,可见纤维对水泥基材料的断裂性能的影响分别有正面效应和负面效应。当纤维排列方向与基体受力方向平行时,纤维主要表现出阻裂增韧作用;当纤维排列方向与基体受力方向垂直时,纤维更多的表现出裂缝诱导作用。数量多、随机乱向排列且均匀分布的纤维综合表现出阻裂增韧效果。因此,当纤维方向难以控制时,应尽量使纤维分散均匀。改善纤维与水泥基体之间的界面粘结性能,能够更好地发挥纤维的正面效应,削弱其负面效应,从而改善UHPC的韧性。(5)通过研究纤维种类、形状等对不同强度等级UHPC增强增韧的效果,发现在钢纤维、聚丙烯纤维和碳纤维这三种纤维中,钢纤维的增强效果和增韧效果都最好,分别高达14.2%和946.3%,其中异形钢纤维比平直钢纤维更好,因此钢纤维(异形钢纤维)与不同强度等级的UHPC匹配性都最好;聚丙烯纤维增强效果较差,甚至会降低强度,但增韧效果较好,可达495.3%;碳纤维的增强效果较好,达12.7%,但增韧效果较差,仅为37.8%。(6)试验发现尺寸大的纤维与低强度等级UHPC匹配性更好,尺寸小的纤维与高强度等级UHPC匹配性更好。具体来说,在强度约200 MPa及以下的UHPC基体中,纤维的长径比越大,其增韧效果越好;但在强度约270 MPa及以上的UHPC基体中,长径比75.0的纤维增韧效果最好。在试验研究的基础上,基于细观力学模型计算了纤维在不同强度等级的UHPC中的拔出力,进而确定纤维在单位断裂面上的桥联应力。考虑纤维界面缺陷对纤维增韧效果的折减,对细观力学模型进行修正,并以此深入分析纤维与不同强度等级UHPC基体的匹配特点。