定量定向分布钢纤维增强水泥基复合材料连续梁优化、制备及力学性能研究

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传统的钢纤维增强水泥基复合材料中,钢纤维呈随机乱向分布,部分与主拉应力方向不一致的纤维不能充分发挥增强、增韧作用。已有研究成功制备出钢纤维沿单一方向分布的单向定向钢纤维增强水泥基复合材料以及纤维方向与试件受力状态下主拉应力方向一致的全场定向钢纤维增强水泥基复合材料。相比较于随机乱向钢纤维,单向定向、全场定向钢纤维的增强效率更高。但实际结构或构件在受力过程中,内部主拉应力方向和大小都随位置发生变化。若试件中的钢纤维均匀分布,那么主拉应力小的部位以及受压区的钢纤维增强效率低。若使钢纤维的方向与主拉应力的方向一致,同时钢纤维体积掺量(分布密度)随主拉力的增大而增加,即钢纤维既全场定向分布又定量分布,有可能显著提高钢纤维的增强效率,进一步提高材料或构件的力学性能。本文进行了定量定向分布钢纤维增强水泥基复合材料(Adaptively Distributed Steel Fibers Reinforced Cement-based Composites,AD-SFRC)两跨连续梁的纤维分布优化、制备及力学性能研究。首先通过有限元分析确定了连续梁受跨中集中荷载作用下的主拉应力方向与大小分布,根据主拉应力方向与大小分布优化确定各处钢纤维的分布方向和定量分布。然后制备符合优化的AD-SFRC两跨连续梁。制备过程中,通过电磁场控制钢纤维的定向分布,并通过分区、分层浇筑实现钢纤维的近似定量分布。随后进行了连续梁抗弯性能测试与分析,研究钢纤维定量分布与取向对连续梁受弯性能的影响。最后以连续梁在荷载作用下的应力解析解为基础,优化设计出AD-SFRC连续梁,并通过对比分析AD-SFRC连续梁与全场定向、单向定向、随机乱向钢纤维增强连续梁在极限荷载作用下的钢纤维数量及受力特征,揭示了定量定向分布钢纤维的增强机理。采用有限元分析方法优化的AD-SFRC两跨连续梁,其钢纤维方向与主拉应力方向基本一致,且钢纤维体积掺量随主拉应力的增大而增加。连续梁试件跨中正截面和中间支座斜截面上的纤维分布检测结果表明,钢纤维的分布与纤维分布优化结果基本一致,说明通过磁场定向与分区、分层浇筑的方法成功控制了钢纤维的定向与近似定量分布。连续梁抗弯试验结果表明,相比于随机乱向、单向定向、全场定向钢纤维增强试件,AD-SFRC试件的开裂荷载、极限荷载、弯曲韧性显著提升。通过不同纤维分布方式时钢纤维的数量及受力特征的对比分析,得到了定量定向分布钢纤维的增强机理,平均钢纤维体积掺量一定时,钢纤维定量定向分布使受拉力较大部位分配到更多的钢纤维,钢纤维合力显著增大,钢纤维增强效率得到显著提升。
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