本文是一篇土木工程论文，本文通过对坍落度试验、立方体抗压强度试验以及四点弯曲试验结果进行分析，得到了钢纤维、PVA纤维对活性粉末混凝土工作性能、力学性能以及弯曲韧性的影响，并结合有限元模拟以及扩展有限元模拟，从细观角度分析纤维增韧机理。
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
活性粉末混凝土（RPC）因其比普通混凝的性能优越很多，其抗压强度高、孔隙率低、耐久性好，在桥梁工程、超高层建筑以及防爆工程等领域有广阔发展前景，然而由于现代工程多样化的需求，RPC在韧性上的表现还不够出色[1]。许多研究人员针对在RPC中掺加不同尺寸，不同类型的高强高弹性模量的钢纤维来改善性能，通过深入研究发现钢纤维虽然大大提高了混凝土的抗拉和抗弯性能，但总体桥接作用有限[2-3]。因此，添加单一类型钢纤维对混凝土性能的改善有限，要提高RPC的相关性能，应通过多尺度混合不同性能和尺寸的纤维来实现。目前的研究主要涉及添加镀铜钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯（PP）纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维以及其他粗合成等纤维。
随着PVA纤维等有机纤维的大量制备，在混凝土中掺入了不同种类的有机纤维，以提变形性能、韧性和耐热抗爆裂性。大量对高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)的研究结果表明，PVA纤维是有增韧效果的，可以显著改善普通混凝土的拉弯性能、冲击韧性和开裂变形性能。针对钢-聚乙烯醇混合纤维混凝土进行的研究中[4-5]，发现两种纤维在不同的开裂水平和加载阶段具有正向协同作用，具有良好的强度、韧性和耐久性。然而，目前对纤维系统中杂交效应机理的研究大多是定性解释，建立定量分析很少。
目前，关于RPC和纤维混凝土的研究有很多，但其中大部分研究都是基于传统浇筑试件试验进行的，比如，立方体抗压试验、单轴拉伸试验、四点弯曲试验等等，这些试验可以从宏观尺度上准确的得出材料的性能指标和合适的材料参数。但同时，试验研究也有明显的局限性，而且由于试验数量受各种条件的限制，并不能得到材料内部的变化过程和各种条件对性能的影响规律。基于此，建立细观数值模型，已经成为了目前国内外学者主要采用的方法之一[7-8]，虽然自19世纪80年代以来，国内外许多学者在普通水泥混凝土细观结构的建模和数值分析上取得了丰富的成果，但混杂纤维RPC的细观力学数值模拟较少。
1.2 课题研究的目的及意义
土木工程结构拥有属性复杂多变的使用环境、且需求体系多样、功能多样，因此应用的混凝土材料也需具有强度高、韧性性能好，使用耐久等诸多特点，这也是混凝土材料在实际研究与应用中的发展方向。然而现实问题背景下，复杂多变的工程因素对高强混凝土材料特性提出的诸多挑战，始终限制着其优势的发挥，而纤维的掺入能产生明显的抗裂、增韧和加固效果。
但单纯具有一种出色的高性能已经不能满足目前的工程需要，单掺一种纤维也难以有效发挥起裂纹桥接作用，而钢纤维、聚乙烯醇材料不同的材料特性，采用两种材料的纤维进行混合掺入，各自发挥其性能优势，能够实现在混凝土材料不同负荷阶段在内部结构层面表现出优异的混杂纤维性能效应，因此能够大大提高RPC混凝土性能，使其表现出高强度与高韧性配合匹配的性能要求。
我国对于RPC的研究起步比较晚，混杂纤维RPC的研究是一个新突破，近年来的研究结果已表明：掺入一定数量比例的混合复杂纤维群能够实现极大改善混凝土材料特性及力学性能这一目标，因此研究与发展的热度和前景空间极为广阔。但目前的研究开发还不完善，不同纤维的组合效应、以及对混杂纤维RPC的重要力学性能参数，如弹性模量、弯曲韧性系数、抗压抗拉强度及其峰值应变等，都缺乏定量化的研究。
随着计算机和有限元技术的不断发展，许多学者借助模拟对混凝土进行了数值分析研究，不仅可以省去实际试验研究中人为因素、环境条件的影响，而且可以快速分析各项参数对材料性能的影响，对混凝土材料的设计、优化和应用具有重要意义。
第2章 混杂纤维RPC试验研究与理论分析
2.1 原材料和配合比
2.1.1 原材料
（1）水泥
本试验选用冀东牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，抗压强度3d、28d实测值分别为24.1MPa，51.8MPa，抗折强度3d、28d实测值分别为5.2MPa，8.6MPa。符合通用硅酸盐水泥检验标准(GB175-2007)，具体矿物化学组成成分见表 2-1。
（2）硅灰
本试验选用山东博肯硅材料有限公司生产的硅灰，密度为2.214kg/m3，比表面积为19 m2/kg，活性指数为125%，烧矢量为2.4%，含水率为0.35%，氯离子含量为0.01%，需水量比为 110%，其粒径占比表2-2。
2.2 试验方案
2.2.1 RPC制备工艺
根据各组不同的配合比，对所需材料进行称量备用，因为纤维体积分数较大，且PVA纤维亲水性较强，所以采用湿拌同时撒纤维的方法进行拌合，根据CECS13-2009，对搅拌机检查无误后首先倒入三种粒径的石英砂，开机对其充分混合，约经2-3min即可；继续倒入水泥和硅灰，开机使其拌匀，为避免搅拌过程扬出造成材料浪费及误差，需将盖子盖严，约2-3min可肉眼观察到呈均匀状态；再分两次加入水和减水剂的混合物，约搅拌3min，可观察到拌合物从湿润到逐步粘稠；最后取出适量纤维撒入搅拌机中拌至宏观均匀分散，时间可自行控制，约30s即可，再关闭搅拌机继续撒入纤维，循环该过程直至全部拌匀结束拌和过程。出锅后迅速进行坍落度及扩展度测试，完毕后快速装模至满溢程度，放于振动台2min振捣密实并用抹刀刮平表面。
2.2.2 养护条件
振捣成型后的RPC试件标号后需要带模放入标养箱，环境湿度保持在95%、温度在20℃左右存放6小时以上，拆模取出完整试件移到高温蒸汽养护箱中90℃养护3天。升降温方法如下：初始为环境温度，升温速率为12℃/h，降温速率为≤15℃/h，最后将至室温，再移除养护箱水养至28天。
第3章 混杂纤维RPC有限元分析 .................... 32
3.1 引言 ....................... 32
3.2 有限元模型建立 ................................... 32
第4章 混杂纤维RPC开裂数值分析 ............................... 47
4.1 引言 ....................................... 47
4.1.1 扩展有限元的位移模式 ............................. 47
4.1.2 裂缝扩展准则 ..................................... 48
结论 .................................. 54
第4章 混杂纤维RPC开裂数值分析
4.2 模型建立
扩展有限元模拟中纤维的产生与投放、材料属性赋予以及网格划分都与第四章相同，不再过多赘述。
（1）建立不含预制裂缝的模型
但相比常规有限元建模，还需在相互作用模块中建立裂缝，选择相互作用类型为“XFEM裂纹生长”，从而在分析步中允许裂纹生长。裂缝尖端的单元密度对计算结果影响不大，因此考虑计算效率，不再缝端和跨中细化网格。边界条件的选取同4.2.5章。
（2）建立含预制裂缝的模型
建立有预制裂缝的模型需要创建一个“crack”部件，如图 4-2所示，在试件底部正中插入预制裂缝，由于裂缝尖端的单元密度对计算结果影响不大，因此不再缝端细化网格，但因为需要计算裂缝口张开位移，所以需要在跨中进行细化单数数量的网格，使裂缝在单元中间保证收敛性。
扩展有限元的模拟计算的三大类准则分别是基于最大名义主应力-应变、二次名义应力-应变以及最大主应力-应变。由于模拟计算时选取最大主应力准则，无需预先设置混凝土表面裂纹萌生与发展的方向，这一前提条件与实际试验中的现象保持一致，且裂缝的发展是由最大主应力的正交方向确定的。基于上述特性课题在开展有限元模拟分析时选取的破坏准则为最大主应力准则。在计算初始阶段材料单元表现为弹性力学特性，随着荷载的增加产生变形且所受应力增大，当最大主应力达到单元极限拉应力时产生拉伸损伤，最大主应力取9.5MPa，断裂能取1619.97J/m2，依旧采取位移加载方式，边界条件为不限制试件长度方向和沿宽度方向转动的自由度，其余方向不可平动和转动。
结论
本文通过对坍落度试验、立方体抗压强度试验以及四点弯曲试验结果进行分析，得到了钢纤维、PVA纤维对活性粉末混凝土工作性能、力学性能以及弯曲韧性的影响，并结合有限元模拟以及扩展有限元模拟，从细观角度分析纤维增韧机理，得出主要结论如下：
（1）钢纤维对RPC的工作性能影响不大，但PVA纤维对坍落度和整体流动性影响显著，纤维掺量越多下降越大，且掺量1.5%以上时混掺纤维容易出现结团现象；纤维的掺入改变了RPC立方体抗压强度试验以及四点弯曲试验的破坏形态，破坏后整体性较好表现出了延性特征。两种纤维都可显著提高RPC抗压强度，混掺组合对抗压强度也可起到正协同作用，考虑工作性能因素，S2.0P1.0是最优抗压组合；四点弯曲试验中，除S0P0.5以外其余组合均可提高抗折强度，但钢纤维对其影响最为显著，混掺组合中S2.0P0.5和S2.0P1.0两个纤维组合结果较好；单掺、混掺钢纤维和PVA纤维均对RPC综合力学性有积极作用，混掺时钢纤维占比较大的组合增益效果更显著。
（2）通过抗弯性能指标、纤维增韧指标以及根据日本JSCE-S4标准和国内JGT 472-2015标准，对初始弯曲韧度比和跨中挠度计算取值进行改进的弯曲韧性评价三种方法，对钢-PVA混掺纤维RPC的弯曲韧性进行分析得到：钢纤维可大幅度提高峰值荷载，对能量吸收能力的影响更加显著，增韧效果更强；PVA纤维可以提高峰值荷载对应
