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超高性能纤维增强混凝土结构行为,设计和应用综述
作者：Doo-Yeol Yoo1 and Young-Soo Yoon2，由国际混凝土结构与材料杂志出版
摘要：对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）构件结构性能的综合评述需要进行各种负载条件以防止重复研究并促进其实际应用。因此在这项研究中，各种UHPFRC结构在不同负载条件下的行为，如弯曲，剪切，扭转和高速负荷（撞击和爆炸）综合评论。另外UHPFRC和增强材料之间的粘结性能，是钢筋混凝土结构结构性能的基本信息[1]。全球最广泛使用的UHPFRC结构设计建议（AFGC-SETRA和JSCE）专门介绍了材料模型和弯曲和剪切设计。最后研究了UHPFRC在建筑和土木结构中的实际应用实例。
关键词：超高性能纤维混凝土，粘结性能，结构性能，设计规范，应用。
1.简介
超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）是在20世纪90年代中期开发的引起了研究人员和工程师的极大关注建筑和土木结构的实际应用，因为其优异的机械性能，即压缩强度大于150MPa和设计值抗拉强度为8 MPa（AFGC-SETRA 2002），耐久性,能量吸收能力和疲劳性能好。(Farhat等人2007; Graybeal和Tanesi 2007; Yoo等，2014C; 李和刘，2016）[2]。 特别是它的强度非常高性能导致结构显着减少重量，即UHPFRC结构的重量约为1/3（或1/2）一般钢筋混凝土（RC）的重量相同外部载荷下的结构（Tam et al.2012）。因此细长的结构适用于大跨度桥梁，可以用UHPFRC制造，降低整体建设成本。
为了应用这种新开发的创新实际结构的材料，许多研究已在欧洲，北美和美国的许多国家进行。在亚洲由于UHPFRC最初是由法国开发的研究组，第一个技术建议UHPFRC用于材料特性和结构设计于2002年在法国推出，被称为AFGC SETRA（AFGC-SETRA 2002）。此后关于UHPFRC涵盖所有材料的最新报告和设计方面于2003年在德国出版（DAfStB 2003）[3]。然后在2004年，日本民间学会工程师（JSCE）基于Ductal发布了他们自己的UHPFRC设计建议（Orange et al.1999），商业UHPFRC在世界上可用（JSCE 2004）。近年来韩国混凝土研究所（KCI）还开发了UHPFRC的设计代码（KCI 2012），与法国和日本相似，使用K-UHPC，韩国研究所开发的另一种UHPFRC材料土木工程和建筑技术（Kim et al,2008）[4]。
由于UHPFRC具有极好的纤维桥接能力裂纹表面，导致特殊的应变硬化（或偏转硬化）多个微裂纹的响应，许多研究人员都专注于将其用于结构由弯曲，剪切和扭转支配。此外UHPFRC也被认为是有前途的用于抗冲击和抗爆结构的材料，因为其增强的强度和能量吸收能力，以及含有聚合物纤维的应变硬化水泥复合材料（Astarlioglu和Krauthammer，2014）[5]。这些特性可以帮助解决普通混凝土的脆性破坏，这种缺陷影响爆炸的能量吸收能力。自从UHPFRC在弯曲，剪切和弯曲下的结构行为扭转，并在受到高速率加载时，如影响和爆炸，对许多因素高度敏感，即结构形状，载荷条件，应变速率，铸造方法，强化比例等，有必要综合评论分散研究。这项研究的目的是分析目前的状况结构行为知识，设计技术，UHPFRC在各种负载条件下的应用。 如上所述，本文的关注点是重点关注（1）UHPFRC和各种增援，这是所需的基本信息用于加固结构的设计。（2）结构行为UHPFRC在弯曲，剪切，扭转和高速率下的应用装载。（3）世界上使用最广泛的UHPFRC设计建议。（4）实用的例子在建筑和土木结构中的应用。
- UHPFRC的历史发展
Roy等人（1972年）和Yudenfreund等人,（1972）首先推出低强度超高强度水泥浆20世纪70年代初的孔隙度[6]。采用特殊固化方式使用热（250度）和压力（50 MPa），（1972年）获得了几乎为零的水泥浆孔隙率和抗压强度约为510兆帕。另一方面，Yudenfreund等人（1972）得到一种抗压强度为的水泥浆约240MPa，正常固化（25℃）180天。Yudenfreund等（1972年）提供了一种特殊的处理地上熟料，使用了低水灰比0.2，布莱恩表面积从6000到9000平方厘米/G。近10年后，Birchall等人（1981）和Bache（1981）可以开发出两种类型的超高强度具有非常低孔隙率的糊状物（或混凝土），例如致密化的具有小颗粒（DSP）混凝土和无宏观缺陷（MDF）粘贴，通过开发一种火山灰混合物和一种高效减水剂。 Birchall等人（1981年）实现了水泥浆体的开发，其抗压强度超过200MPa，抗弯强度达到200MPa。通过去除材料中的宏观缺陷不使用纤维或高压混合的制备, Bache（1981）也成功地研制出了具有DSP的抗压强度的混凝土120-270兆帕。密集包装空间的关键技术水泥颗粒之间是使用超细颗粒含水量极低，含量极高的高效减水剂[7]。在20世纪90年代中期，Richard和Cheyrezy（1995）首先介绍了活性粉末混凝土（RPC）的混合顺序，其中是UHPFRC的先驱。获得很高的强度，粒度通过包装优化密度理论，通过排除粗骨料和供热量（90和400度）和压力处理。此外1.5-3％（按体积计）的直钢微纤维，直径为0.15毫米，长度为13毫米增加以实现高延展性。因此，RPC由Richard和Cheyrezy（1995）开发的压缩强度为200-800MPa，断裂能量提高至40 kJ / m2。
3. 结构UHPFRC的性能分子
3.1 UHPFRC之间的键合行为和增援
为了实际应用新开发的UHPFRC在结构中与增援的粘合性能检查。许多研究人员（Jungwirth和Muttoni 2004，Yoo等人。 2014a，b，Muttoni 2004;Ahmad Firas e等人，2011; Yoo等人，2014a）研究了内部钢的粘结行为和纤维增强聚合物（FRP）增强剂UHPFRC。Jungwirth和Muttoni（2004）进行了拉出使用160毫米立方体测试变形钢筋。各种粘接长度范围从20到50毫米和两个采用不同的直径12和20 mm的棒材。在他们的研究中，嵌入钢筋的平均粘结强度在UHPFRC中发现为59MPa，大约10次数高于嵌入钢筋的粘结强度在普通混凝土中，理论发展长度在UHPFRC中提出了变形钢筋的建议lb = fydb / 4smax，其中fy是钢筋的屈服强度db是钢筋的公称直径，而smax是粘合剂强度[8]。 Yoo等人（2014c）研究了纤维的影响内容和嵌入长度对粘结行为的影响UHPFRC中嵌入的变形钢筋。为此Yoo等（2014c）通过执行了多项拉出测试修改测试方法，由RILEM建议提出（RILEM 1994）,150毫米立方体试样沿着中心轴垂直嵌入单个条制造并用于测试。嵌入长度相反，确定了条直径的1倍和2倍使用5db，如RILEM建议所示。纤维对粘合强度和嵌入长度的影响不大，但它明显影响抗压强度。 CEB-FIP型号代码（MC90）（CEB-FIP 1993），将smax定义为2.0fc00.5，大大低估了在UHPFRC中钢筋的粘结强度，因为参数是来自先前混凝土的测试数据。因此Yoo等人（2014c）提出了粘合强度的修正系数UHPFRC中的钢筋，基于许多测试数据。此外，CMR模型（Cosenza等，1995），其中设置s = smax 9（1 - e-s / SR）b，被发现适合模拟上升键应力与滑移行为嵌入UHPFRC的钢棒，参数建议为smax = 5.0fc00.5，sr = 0.07，b = 0.8，其中sr和b是基于测试数据的曲线拟合的系数。艾哈迈德菲拉斯等人（2011）实验研究了碳纤维增强聚合物之间的粘合性能（CFRP）棒材和UHPFRC根据表面处理，嵌入长度，棒材直径和混凝土龄期。根据测试数据，注意到粘合强度受到表面处理的影响微不足道，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）棒;类似的粘结光滑条和砂涂层条的强度[9]。另一方面，粘合强度降低通过增加棒直径和嵌入获得长度。CFRP棒材的最终粘结强度3天后UHPFRC的年龄变化不大因为它主要受到剪切强度的影响CFRP的核心和外层之间的连接。艾哈迈德菲拉斯等人（2011）提出了一个发展涂砂条的长度约为40db，a平滑条的开发长度超过40db。Yoo等人（2015b）还研究了当地的粘结行为嵌入UHPFRC的GFRP棒。发现UHPFRC中GFRP棒的强度来自对于12.7毫米的db，从19.3到19.8到22.8到22.8 MPa对于15.9mm的db，为27.5MPa，大约为73分别比粘结强度低66％变形钢筋。类似于CFRP棒的情况UHPFRC（Ahmad Firas等人2011），粘合失败由树脂和纤维分层产生的。基于GFRP的68个拔出测试结果的数据库UHPFRC中的条形图，Yoo等（2015b）提出了一个等式关于归一化键强度与使用回归分析和通过假设没有影响标准化的覆盖参数粘合强度如下（图2b）：
3.2弯曲主导增强UHPFRC梁，梁和复合结构
由于其优异的后裂纹拉伸性能多个微裂纹发生，UHPFRC已经吸引工程师注意结构元素的应用受弯曲。几项国际建议（AFGC-SETRA，JSCE和KCI）来自法国，日本和日本韩国（AFGC-SETRA 2002; JSCE 2004; KCI 2012）因此提供压缩和拉伸的应力 - 应变模型应力块的横截面，以及详细预测挠曲下UHPFRC元素极限承载力的过程。由于应变（和应力）的分布横截面根据梁的曲率而变化，多层截面分析（Yoo和Yoon 2015）是必需的计算适当的中性轴深度和力矩一定曲率水平的容量。Yoo和Yoon（2015）首先报告了一些测试结果加强UHPFRC梁的研究钢纤维纵横比和弯曲性能的类型。由于裂纹后的一部分拉伸应力为钢纤维抵抗，低配筋率（百分比）选择0.94%和1.50％。为了防止脆弱剪切破坏，箍筋是基于保守设计的标本由超高性能混凝土制成（UHPC）没有纤维。从测试结果（图3）来看UHPFRC制成的梁用2％体积的钢纤维制成表现出更高的后开裂刚度和最终与没有UHPC制造的那些相比，负载能力纤维，称为#39;NF#39;[10]。另外，使用长直或扭曲钢纤维（S19.5，S30和T30）导致更高延展性比使用短直钢纤维（S13），适用于商业UHPFRC北美（Graybeal 2008），在相同的纤维体积分数。但是，值得注意的是，非常有趣的是通过包括得到更低的延展性指数钢纤维。这是由于非常原因造成的UHPFRC与钢筋之间的高粘结强度及其裂纹局部化行为，钢筋在一个破裂处破裂相对较小的中跨偏转UHPC光束无光纤。因此Yoo和Yoon（2015）得出的结论是UHPFRC的应变硬化行为，不利于加固梁的延展性。为了建立合理的设计规范UHPFRC，Yang等（2010）进行了几个四点具有增强的UHPFRC梁的弯曲试验比率小于0.02。 测试变量是钢的数量钢筋和放置方法。 从他们的测试结果，放置梁末端的混凝土产生了更好的性能因为混凝土被放置在中间长度更好的纤维取向到光束长度方向最大力矩区。另外，他们报道了所有测试梁具有延性指数的延性响应从1.60到3.75不等，并且有效控制裂缝。 然而“韧性反应”的含义可能是错误地传递给读者，因为没有报告没有纤维的强制UHPC光束的测试结果。按照通过Yoo和Yoon（2015）的测试结果，加强了UHPFRC梁表现出较低的延性指数由于裂纹定位行为,没有光纤的光束,Dancygier和Berkover（2016）也报道了包含钢纤维的弯曲延展性降低传统配筋率低的梁。
Yoo等人（2011）研究了大规模预应力UHPFRC工字梁的弯曲行为。他们表示了UHPFRC中钢纤维的高含量有效控制裂缝宽度的增加，并导致多重由于纤维在裂缝表面桥接造成的微裂纹[11]。该预应力UHPFRC工字钢的抗弯强度为受到马镫的影响微不足道。格雷比尔（2008）也调查了全尺寸的弯曲行为预应力UHPFRC I梁（AASHTO II型梁）包含26条预应力钢绞线。 根据实验观察到的行为，他报告说UHPFRC I梁的弯曲能力大于具有类似横截面的传统混凝土梁的弯曲能力。另外，成反比关系裂缝间距和最大拉伸应变之间的关系通过实验观察，如图4所示，并提出了以下等式：
3.3结构UHPFRC的抗剪切性梁，大梁和桥面板
Baby等（2013b）进行了11个3米的剪切试验长UHPFRC I形梁，结合各种剪切力（箍筋和/或钢纤维，或两者兼而有之）带纵向预应力或被动钢筋。至检验实际纤维取向对剪切性能的影响，进行三点弯曲试验使用从两者中提取的缺口棱镜标本不同倾角的I型梁未受损的末端。测试结果如图7所示，清楚地表明了纤维取向明显影响机械（弯曲）表现。因此，他们注意到了实际的纤维剪切设计需要考虑方向，按照AFGC-SETRA建议的建议（AFGC-SETRA 2002）。通过包含2.5％的钢纤维，a观察到剪切强度增加近250％（Baby等，2013c）。马镫首先产生，而本地化剪切裂纹明显发生，如图所示因此，裂纹定位主要受到影响UHPFRC的应变能力，以及纤维桥接和箍筋达到屈服强度似乎只有在拉伸应变能力时才有效UHPFRC远远高于产量应变马镫。在他们的研究中（Baby et al.2013c），SETRA建议对剪切裂纹强度保守，但对于极限剪切
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资料编号：[1655]
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