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原文传递寒冷地区纤维混凝土力学性能及其在地铁车站工程应用研究

论文题名：	寒冷地区纤维混凝土力学性能及其在地铁车站工程应用研究
关键词：	地铁车站;低温环境;冻融循环;纤维混凝土;力学性能
摘要：	在我国东北、西北等寒冷地区，由于气温的季节性周期变化，混凝土结构会经历冻结与融化的周期循环作用，易导致结构冻融破坏。随着我国东北地区城市地下空间结构建设规模增大，混凝土材料的需求和要求也逐渐提高。与此同时，如何提升混凝土材料在地下工程中的应用性能已成为国内外学者研究的热点。为此，本文针对寒冷地区混凝土与纤维混凝土力学性能及其在地铁车站结构中的应用情况，综合运用文献检索与分析、室内宏观力学试验、微观结构试验及数值计算分析方法，开展了寒冷地区纤维混凝土力学性能及其在地铁车站工程应用效果研究。主要的研究工作和成果如下: 　　（1）综合考虑混凝土强度等级、冻融循环次数、不同的纤维材料和试块受冻条件等因素，采用超低温冻融循环和低温抗压力学试验方法，研究了不同冻融循环次数、不同强度等级、不同纤维材料下的混凝土试件破坏形态和抗压强度特征。结果表明:经历冻融循环作用后的混凝土各项力学性能发生劣化;混凝土抗压强度和弹性模量随冻融循环作用次数增加逐渐减小，峰值应变则有相反的变化规律;掺加纤维的混凝土表现出一定的抗冻性，纤维混凝土的抗压强度随冻融循环作用次数增加变化幅度较小;混合掺加聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维在抗冻性上强于单独掺加聚丙烯纤维和单独掺加聚乙烯醇纤维，混合掺加玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混凝土次之，掺加玄武岩纤维的混凝土抗压能力最弱。　　（2）综合考虑混凝土强度等级、冻融循环次数、不同的纤维材料和试块受冻条件等因素，采用扫描电镜（SEM）方法，研究了不同纤维混凝土的微观结构形式及其机械咬合作用。结果表明:纤维通过与水泥的粘结在混凝土中起到抗裂的作用，就三种纤维与浆体的机械啮合作用而言，聚丙烯纤维最优、聚乙烯纤维其次、玄武岩纤维较差;在混凝土中加入纤维后，能够很好的将混凝土骨料与骨料、骨料与胶凝材料连接起来，混凝土骨料紧紧包囊这纤维，两者相互协同作用，使其力学性能得到改善和提升，减少原有微裂缝的数量和尺度，推迟宏观裂缝出现，增强混凝土力学性能和耐久性能。　　（3）基于ABAQUS大型有限元计算程序，采用所建立的严寒地区纤维混凝土材料数值计算方法，采用Python语言二次开发，建立了基于张广泰等所提出的基于Weibull分布的冻融循环下纤维混凝土损伤数值计算模型;通过对比试验试块破坏形态和试验抗压性能验证其可行性;以此方法研究了不同冻融循环次数、不同强度等级、不同纤维材料条件下混凝土试块的抗压和抗拉力学性能。结果表明:混凝土通过掺加纤维材料可以提高自身抗压和抗拉力学性能，增强其韧性，进而提升了混凝土材料的抗冻能力;纤维材料可以有效提升严寒低温环境中混凝土材料的力学性能，其中聚丙烯纤维的抗压性强于聚乙烯醇纤维，玄武岩纤维的抗冻性最差;针对纤维混凝土抗压强度和抗拉强度，分别给出了不同纤维材料的最佳掺量建议值。　　（4）针对典型寒冷地区地铁车站工程混凝土力学性能，研究了寒冷低温环境中纤维材料对于增强地铁车站结构自身力学强度和减少冻融损伤的作用和功能。结果表明:掺加纤维材料后，地铁车站各部分结构最大主应力均明显降低，变形均大幅减小;由此可见，纤维材料可以提高混凝土的力学性能，增强寒冷地区地下工程结构的稳定性。
作者：	韩宇聪
专业：	结构工程
导师：	武科
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023