混杂纤维混凝土的耐火性能研究及其在隧道工程中的应用

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混杂纤维是纤维混凝土中的一个新兴领域,它可以将不同纤维材料采用复合超叠加的方式对混凝土性能起到增强和改善作用。众所周知,无论是高强高性能混凝土还是普通混凝土,它们同样都有一个缺点是在高温下易发生爆裂破坏。然而,混杂纤维混凝土可以采用低熔点和高熔点纤维材料混杂的方法,对高性能混凝土的耐高温性能进行改善。因此,研究混杂纤维混凝土的耐高温性能具有很重要的现实意义。结合目前在隧道结构的消防设计中的方针,本文采用混杂纤维混凝土来改善隧道衬砌结构的耐高温性。在考虑经济性与性能并重的基础上,本文采用低掺量聚丙烯纤维与钢纤维混杂,进行了如下研究内容:1.火损试验,监测不同纤维掺量的试件内部温度。2.火损试验前后的基本力学性能试验等,包括抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和烧失量的计算。3.利用ANSYS有限元软件模拟实际隧道工程中的火灾情况,对钢筋混凝土和五种不同纤维掺量的混杂纤维混凝土隧道衬砌结构的火灾环境下温度场的模拟计算,分析其内部温度场和温度应力的分布规律。本文通过试验和数值模拟计算相结合的研究方法,得到了如下的结论:1.随着聚丙烯纤维掺量的增加,混凝土内部的温度传导有着明显的改善。当聚丙烯纤维掺量在2.0 kg/m~3左右时,混凝土内部的升温速度和温度差最小。2.混杂纤维的掺入可以提高火损试验后的抗压强度和劈拉抗裂强度,减小发生爆裂破坏时混凝土的烧失量。当掺量为35 kg/m~3的钢纤维和掺量为1.0~2.0 kg/m~3的聚丙烯纤维混杂时,具有上述优点。3.结合火损试验的温度传导曲线,利用有限元软件进行火灾模拟,得出不同纤维掺量混凝土的热分析物理参数。4.混杂纤维的加入可以提高混凝土高温后的压剪破坏强度值。当掺量为35 kg/m~3的钢纤维和掺量为2.5 kg/m~3的聚丙烯纤维混杂时,其高温后的压剪破坏强度值较钢筋混凝土的提高了27.6%。5.根据纤维混凝土的压剪破坏准则,对模拟计算的温度应力进行分析,得出随着聚丙烯纤维掺量的增加,不仅使混凝土在高温下发生破坏的面积范围减小,同时也减小了发生破坏的深度范围。当聚丙烯纤维掺量为2.0kg/m~3~2.5kg/m~3的时候,混凝土在高温下的爆裂现象有了明显的改善。6.综合试验与数值模拟计算的结果得到适用于实际隧道工程的混杂纤维混凝土的较优掺量为钢纤维掺量为35 kg/m~3和聚丙烯纤维掺量为2.0 kg/m~3~2.5kg/m~3。
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