摘要
超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，以下简称UHPC）是一种具有超高强度、韧性及优异耐久性的新型水泥基复合材料，由于需要掺入钢纤维，也被称为超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）。钢纤维在混凝土中的分布是随机乱向的，利用率较低。为实现钢纤维的高效利用，本文通过混杂纤维形式以及流动剪切诱导方式改善钢纤维在基体中的取向，并开展压缩、弯曲及单轴拉伸等力学性能试验；结合数字图像相关方法以及数值模拟，探讨纤维取向对 UHPC增强增韧效果的影响，揭示定向钢纤维的细观增强机理。本文主要工作及结论如下： （1）基于流动剪切效应制备定向钢纤维UHPC，结合多缝开裂理论，通过数字图像相关方法以及数值模拟，分析裂纹演化及钢纤维应力分布规律，探究纤维取向分布对弯曲、拉伸性能的影响机制，得出了以下结论：流动剪切诱导下定向钢纤维取向系数由随机浇筑的0.5~0.6提升到0.7~0.75（弯曲试验）与0.75~0.8（拉伸试验）；随机纤维UHPC的应变集中首先出现在试件跨中底部，并向上贯通，在主裂纹附近出现少量微裂纹，定向纤维UHPC的主裂纹在向上延伸的同时，在主裂纹两侧出现多条微裂纹；通过开裂面积比有效表征了UHPC的损伤程度，可作为描述其损伤评估的量化指标；弯曲荷载作用下，定向钢纤维的桥接作用叠加应力传导效应，促使纤维所受拉应力转移到同向纤维处，表现为受压区及高应变区纤维比例的减少以及中、低应力区纤维比例的增加。 （2）基于改进的韧性评估方法以及混杂效应，结合墙体效应探究了混杂纤维组合对UHPC纤维取向分布以及弯曲、拉伸性能的影响，得出以下结论：墙体效应受长短纤维混杂比例影响，当长纤维掺量大于短纤维时，墙体效应对弯曲试件的纤维取向影响显著；通过对受拉面纤维埋深的统计并结合界面效应理论，明确了抗折、拉伸强度的混杂效应判定条件。 （3）结合混杂效应以及纤维增强系数，定量评估了混杂组合以及浇筑方式对UHPC 抗压强度影响规律，得出以下结论：合理的纤维混杂比例可达到正混杂效应，大幅提高UHPC抗压强度；定向钢纤维UHPC在抗压强度上存在各向异性，当加载方向平行于纤维取向时，试验组 AP 抗压强度高于加载方向垂直于纤维取向的 AC 试验组。 （4）建立 UHPC 抗折、拉伸强度公式。在现有纤维混凝土强度计算公式基础上，将纤维取向系数作为影响因子，并结合纤维掺量、纤维长径比及混杂系数，建立UHPC抗折、拉伸强度公式。
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