玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态本构模型
玄武岩纤维布加固冻融钢筋混凝土柱性能分析
引言碱骨料反应、钢筋锈蚀及冻融破坏是混凝土耐久性的三种最主要破坏形式，尤其在使用除冰盐时更加严重[1]。
我国的西北、华北、东北地区属于寒冷区域，存在正负温交替作用，这些地区的混凝土结构如果暴露在有水环境中难以避免要遭受冻融循环作用，由此容易造成混凝土冻融损伤。
钢筋混凝土结构的冻融问题严重影响结构的使用与寿命，应当引起重视。
同时，我国的华北地震区、青藏高原地震区、四川龙门山地震带是近年来地震活动最为频繁的地区。
由此可知，冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，势必造成既有混凝土结构抗震性能退化。
随着技术的发展，纤维增强复合材料（FRP）在结构抗震加固中得到越来越多的应用。
FRP最早于1981年，瑞典联邦实验室使用碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer）加固桥梁结构。
FRP在建筑领域被广泛的研究与应用，其加固结构工程的效果好，施工效率高，尤其适用对腐蚀有极高要求的建筑物。
BFRP具有较高的耐热性能、弹性模量、耐腐蚀，其抗拉强度较高，比CFRP具有较高的延伸率，且价格低廉，是生态环保的绿色材料，逐渐在建筑应用领域扩展开来。
延长混凝土结构的使用寿命，解决冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，继而造成混凝土结构抗震性能退化的问题，开展BFRP加固冻融环境下混凝土结构抗震性能研究，可以进一步加强钢筋混凝土结构抗震性能，加固混凝土结构的耐久性，对混凝土结构工程防灾减灾具有重大的理论意义和工程价值。
1、有限元模型建立1.1 构件模型参数确定共设计16个钢筋混凝土柱，柱高1100mm，截面尺寸为200mm×200mm，水平加载高度为1000mm，剪跨比 =1000/200=5，基座的尺寸为900mm×500mm×400mm；柱为对称配筋，纵筋采用HRB335钢筋，每侧配筋为3Φ14mm，配筋率为2.308%；箍筋采用直径为6mm的HPB235钢筋，间距为80mm，钢筋的力学性能指标见表1，纵向受力钢筋的保护层厚度为20mm。
高抗海水侵蚀玄武岩纤维筋增强地质聚合物混凝土的研究与工程应用
高抗海水侵蚀玄武岩纤维筋增强地质聚合物混凝土的研究与工程应用在21世纪海上丝绸之路和南海岛礁建设的推动下,我国海洋工程建设规模空前。
而海洋环境下传统钢筋混凝土存在水化产物腐蚀、钢筋锈蚀等问题,严重影响海洋工程结构的长期耐久性能。
地质聚合物的反应产物与硅酸盐水泥不同,在海洋环境下稳定性高、不易腐蚀,且玄武岩纤维（Basalt-fiber reinforced polymer bars,BFRP）不存在锈蚀膨胀的问题,因此BFRP筋增强地质聚合物混凝土在海洋工程建设方面具有广阔的应用前景。
然而地质聚合物硬化过程中体积稳定性差、易收缩开裂,且目前尚无针对地质聚合物的混凝土配合比设计方法和步骤;同时BFRP筋抗拉强度高但抗压强度低,只能用于受弯构件,且海洋环境下BFRP筋增强地质聚合物混凝土结构的时变规律及服役寿命等问题尚待分析解决。
针对上述问题,本研究通过MgO活性搭配有效减少了地质聚合物浆体的收缩,建立了地质聚合物混凝土配合比设计方法,采用螺旋BFRP筋与地质聚合物混凝土组合制备了梁柱等构件,基于BFRP筋增强地质聚合物混凝土梁构件的力学性能及其在海水环境下的时变规律,建立了海洋环境下BFRP筋增强地质聚合物混凝土构件服役寿命预测模型,最后在海堤建设中进行了工程应用。
具体研究内容和结果如下:针对地质聚合物的自收缩历程,通过低活性（反应变色时间220 s）和高活性（反应变色时间60 s）MgO的协调搭配,分别补偿了地质聚合物早期和后期自收缩、干燥收缩等,获得整体变形较小、满足实际工程需要的地质聚合物胶凝材料（GII）。
地质聚合物浆体中MgO补偿收缩机制为:MgO活性不同,水化生成Mg（OH）<sub>2</sub>以及水化硅酸镁等产物的时间则不同,通过MgO活性合理搭配即可实现地质聚合物整个反应硬化历程中体积收缩的阶段性补偿。
结合地质聚合物混凝土的特点,建立了地质聚合物混凝土配合比设计方法和步骤,制备了地质聚合物混凝土并对其基本性能进行了研究。
玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究
玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究本文针对玄武岩纤维加筋黏土进行了数值模拟及机理研究。
首先，通过对玄武岩纤维加筋黏土进行拉伸试验和压缩试验，获取了材料的力学性能参数。
然后，利用有限元方法，在ABAQUS软件中建立了玄
武岩纤维加筋黏土的数值模型，并模拟了其在拉伸和压缩载荷作用下的应力-应变关系。
最后，通过分析数值模拟结果和试验结果，探讨
了玄武岩纤维的加筋机理及其对黏土强度和变形特性的影响。
研究结果表明，玄武岩纤维的加筋作用能够有效地提高黏土的抗拉强度和抗压强度，并改善其变形特性。
同时，玄武岩纤维的分布形态和纤维含量对黏土力学性能具有显著影响，其中纤维含量的适宜范围为
0.5%-1.5%。
本研究为深入理解玄武岩纤维加筋黏土的力学性能及其
机理提供了重要参考。
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高抗海水侵蚀玄武岩纤维筋增强地质聚合物混凝土的研究与工程应用
高抗海水侵蚀玄武岩纤维筋增强地质聚合物混凝土的研究与工程应用在21 世纪海上丝绸之路和南海岛礁建设的推动下, 我国海洋工程建设规模空前。
而海洋环境下传统钢筋混凝土存在水化产物腐蚀、钢筋锈蚀等问题, 严重影响海洋工程结构的长期耐久性能。
地质聚合物的反应产物与硅酸盐水泥不同, 在海洋环境下稳定性高、不易腐蚀,且玄武岩纤维（Basalt-fiber reinforced polymer bars,BFRP）不存在锈蚀膨胀的问题，因此BFRP筋增强地质聚合物混凝土在海洋工程建设方面具有广阔的应用前景。
然而地质聚合物硬化过程中体积稳定性差、易收缩开裂,且目前尚无针对地质聚合物的混凝土配合比设计方法和步骤；同时BFRP筋抗拉强度高但抗压强度低，只能用于受弯构件，且海洋环境下BFRP筋增强地质聚合物混凝土结构的时变规律及服役寿命等问题尚待分析解决。
针对上述问题，本研究通过MgO舌性搭配有效减少了地质聚合物浆体的收缩建立了地质聚合物混凝土配合比设计方法，采用螺旋BFRP筋与地质聚合物混凝土组合制备了梁柱等构件，基于BFRP筋增强地质聚合物混凝土梁构件的力学性能及其在海水环境下的时变规律，建立了海洋环境下BFRP筋增强地质聚合物混凝土构件服役寿命预测模型, 最后在海堤建设中进行了工程应用。
具体研究内容和结果如下:针对地质聚合物的自收缩历程,通过低舌性（反应变色时间220 s）和高活性（反应变色时间60 s ）MgO勺协调搭配,分别补偿了地质聚合物早期和后期自收缩、干燥收缩等, 获得整体变形较小、满足实际工程需要的地质聚合物胶凝材料（GII ）。
地质聚合物浆体中MgO补偿收缩机制为:MgO活性不同，水化生成Mg（OH<sub>2</sub>以及水化硅酸镁等产物的时间则不同,通过MgO舌性合理搭配即可实现地质聚合物整个反应硬化历程中体积收缩的阶段性补偿。
结合地质聚合物混凝土的特点, 建立了地质聚合物混凝土配合比设计方法和步骤, 制备了地质聚合物混凝土并对其基本性能进行了研究。
玄武岩纤维混凝土增强机理研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｎ ｅ ｅ ｔ Ｍ ｅ ｈａ ｉｍ ｓ ａ ｃ ｎ Ｅｎ ａ ｃ ｍ ｎ ｃ ｎｓ ｏ ｓ ｌ ｂ ｒ Ｃｏ ｃ ｅ ｅ ｆ Ｂａ ａ ｔ Ｆｉ ｅ ｎ ｒ ｔ Ｃ ＨＥＮ ｎ Ｃ Ｘｉ ＨＥＮ ｎ Ｆｅ ｇ
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和 强度 。研 究 结果 可为 玄 武岩 纤 维 混凝 土 在 实 际工 程 中的 推广 应 用 提供 理 论依 据 。
关键 词 ： 微裂纹 ； 阻裂 ； 界面力学 ； 强机理 ； 增 玄武岩纤维
中 图分类 号 ：Ｕ ２ Ｔ ５８
文献 标识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：０ ８— ２ ５ ２ １ ）２— ０ ３— ３ ． １０ ８ ４ （０ ２ ０ ０ ４ ０
爆 、 燃 性 好 Ｊ 这 使 其 在 建 筑 领 域 的 应 用 前 阻 ，
景 十 分 乐 观 。 本 文 从 混 凝 土 微 裂 缝 的 产 生 原
基于玄武岩纤维增强混凝土力学性能的研究
基于玄武岩纤维增强混凝土力学性能的研究20世纪至今，复合材料在实际工程中得到有效的开发利用，各种不同类型的复合材料被应用于混凝土工程中使用。
本文通過对玄武岩纤维的混凝土进行各种实验，得出混凝土中应该掺加多少玄武岩纤维才能保证混凝土最大程度的抵抗压、折、弯的冲击。
标签：玄武岩纤维；力学性能；环保性能引言：普通的混凝土较为脆弱，承受不住破坏，严重影响建筑工程的可靠和耐久性。
近年来通过在混凝土中掺杂不同纤维来增强混凝土力学性能，成为建筑工程研究的重点内容。
但是开发出的材料价格较为昂贵，不利于广泛应用于建筑工程中，玄武岩纤维作为一种新研发出来可以掺杂进混凝土中的材料，和其他材料相比成本较低并且具有耐高温抗腐蚀等特点，加强对玄武岩纤维在混凝土中的应用，是目前的各工程重点研究对象。
1、玄武岩纤维增强混凝土力学性能的实验国家对玄武岩纤维增强混凝土的力学性能实验研究处于初级阶段，对于玄武岩纤维混凝土的抗弯折冲击性能的研究成果极少，通过下面对玄武岩纤维混凝土的相关实验，来对玄武岩纤维的掺量、和复合矿物掺合料的性能分别进行实验，首先要准备相关原材料，水泥、河砂、石灰石、玄武岩纤维以及相关试剂，按照比例进行调配。
对玄武岩纤维混凝土的抗压抗折实验可以参照国家标准GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》，完成对应的实验步骤。
通过每组3个立方体试块进行抗压实验，每组3个小梁进行抗折实验，这次立方体的边长为100mm，小梁的长宽高均为150mm。
而因为国家对抗弯折实验较少，缺少相关步骤标准，可以借鉴欧美国家的弯曲冲击实验，利用一个做自由落体运动的球型装置进行冲击实验，查看试件损伤。
在实验过程中，一定要将应变片连接到动态应变仪上，进行数据收集。
所有实验应该循环重复，得到最准确的实验结果，最终得出了以下实验结果：混凝土在掺入玄武岩纤维后，混凝土的抗压、抗折的强度都有明显的提升，最高可增幅到百分之二十左右，但是掺量超过固定含量后，抗压、抗折程度均显著下降，而且纤维掺量对抗压、抗折也有极大的影响力。
玄武岩纤维增强聚合物筋混凝土循环拉拔试验及预测模型
玄武岩纤维增强聚合物筋混凝土循环拉拔试验及预测模型柴松华;杜红秀;吴凯;黄锐;周驰词
【期刊名称】《中国塑料》
【年(卷),期】2024(38)4
【摘要】为探究动荷载下玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋与混凝土的黏结行为,开展了BFRP筋混凝土正反向循环拉拔试验,对其黏结动力性能进行分析。
结果表明,从黏结应力⁃滑移关系曲线揭示,循环荷载下BFRP筋与混凝土黏结行为经历4个阶段的受力特征:弹性阶段、裂缝扩展阶段、裂缝闭合阶段和摩擦阶段;随BFRP聚合物筋直径的增大,降低了BFRP筋⁃混凝土界面的黏结强度;随循环次数的增加,BFRP 筋与混凝土的黏结强度减小,黏结强度对应的滑移量增加,剪切滞回面积减小,耗能能力降低;基于试验结果,提出了适用于计算循环荷载下BFRP筋与混凝土黏结性能的预测模型,从而为BFRP筋混凝土抗震和疲劳行为奠定试验和理论基础。
【总页数】7页(P47-53)
【作者】柴松华;杜红秀;吴凯;黄锐;周驰词
【作者单位】运城职业技术大学建筑工程学院;太原理工大学土木工程学院;四川省公路规划勘察设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ321
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玄武岩纤维系列增强沥青混凝土性能及机理研究_开题报告
➢ 对玄武岩纤维布进行渗透沥青试验，对玄武岩纤维布复合混合料进 行路用性能试验和抗反射裂缝试验，评价其工程特性，判断影响施 工质量的主要因素，并提出控制措施。
研究难点
一
玄武岩纤维沥青胶浆性能评 价指标选择
二
玄武岩纤维沥青胶浆与玄武 岩纤维沥青混合料性能间的
关系建立
预期的研究成果
了解玄武岩纤维技术特点，选出增强沥青混凝土效果 突出的玄武岩纤维类型和掺量。 不同纤维掺量、温度和荷载频率对沥青胶浆粘度、复 合剪切模量、相位角等流变参数的影响规律。 玄武岩纤维增强沥青混凝土性能及作用机理，建立起 纤维沥青胶浆与纤维沥青混凝土性能间的关系。 玄武岩纤维布技术特性及增强沥青混凝土性能评价。
玄武岩纤维系列增强沥青 混凝土性能及机理研究
导师： 学生： 学号
2019-3-16
开题报告内容
➢研究背景 ➢研究目的 ➢研究内容 ➢研究技术路线 ➢希望得到的研究成果 ➢工作进度与时间安排
研究背景
❖ 立题的背景及意义
沥青路面普遍存在的问题
气候和交通荷载条件恶劣，易发生早期损坏，实际使用寿命普遍短于 设计使用寿命。
玄武岩纤维布技术特性研究及增强沥青混凝土性能评价 整理资料，完成论文
有效措施—掺加纤维
在道路工程中广泛应用的纤维主要有木质素、聚合物纤维和石棉。
新型矿物纤维-玄武岩纤维
高效环保、化学成分稳定、原材料分布广且低廉 ，在公路建设中受 到越来越多的重视。
研究背景
❖ 国内外研究概况
▪ 使用目的：抗反射裂缝→综合性改善沥青混合料 ▪ 使用场合：沥青加铺层→各式各样的混合料 ▪ 研究深度：简单纤维、混合料指标→较全面的混合料性能试
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第27卷第4期 V ol.27 No.4 工 程 力 学 2010年 4 月 Apr. 2010 ENGINEERING MECHANICS111———————————————收稿日期：2008-11-05；修改日期：2009-07-06基金项目：空军工程大学工程学院优秀博士学位论文创新基金项目(BC07002)作者简介：*许金余(1963―)，男，吉林靖宇人，教授，博士，博导，从事结构工程、防护工程研究(E-mail: jinyuxu@)； 李为民(1982―)，男，江苏盐城人，博士，从事防护工程研究(E-mail: lwm_afeu0830@)；黄小明(1968―)，男，湖北云梦人，高工，硕士，从事机场工程、道面设计施工研究(E-mail: hxm1968313@)； 李 澎(1970―)，男，湖南长沙人，工程师，硕士，从事机场工程研究(E-mail: lp263@).文章编号：1000-4750(2010)04-0111-06玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态本构模型*许金余1,2，李为民1，黄小明3，李 澎3(1. 空军工程大学工程学院机场建筑工程系，西安 710038；2. 西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710072；3. 空后机场营房部，北京 100720)摘 要：以矿渣与粉煤灰为原材料制备玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)，采用f 100mm 分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对BFRGC 进行了冲击压缩试验，并对SHPB 试验过程中的波形整形技术展开了研究，以此来提高材料SHPB 试验的精度。
通过SHPB 试验，获得了BFRGC 在10s -1―102s -1应变率范围内的应力-应变曲线，分析了BFRGC 的强度和变形性能，并建立了BFRGC 的率型非线性粘弹性本构模型。
通过试验对模型进行验证，模型曲线与试验曲线吻合良好，该文建立的率型本构模型可以较为准确地描述BFRGC 的动态力学行为。
关键词：玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土；分离式霍普金森压杆；波形整形技术；冲击；本构模型 中图分类号：O347; TU528.572 文献标识码：ADYNAMIC CONSTITUTIVE MODEL OF BASALT FIBER REINFORCEDGEOPOLYMERIC CONCRETE*XU Jin-yu 1,2 , LI Wei-min 1 , HUANG Xiao-ming 3 , LI Peng 3(1. Department of Airfield and Building Engineering, Engineering College, Air Force Engineering University, Xi ’an 710038, China;2. School of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi ’an 710072, China;3. Department of Airfield and Barracks, Air Force Logistic Department, Beijing 100720, China)Abstract: Slag and fly ash were used as raw materials to produce basalt fiber reinforced geopolymeric concrete (BFRGC). Impact compressive tests on BFRGC of various fiber volume fractions were carried out using a 100mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB). For the valid SHPB tests on BFRGC specimens, the improved pulse shaping techniques were introduced. Stress versus strain curves of BFRGC at 10s -1―102s -1 were obtained through SHPB tests. The strength and deformation of BFRGC were analyzed, and a nonlinear viscoelastic constitutive model was established. A comparison between model results and experimental data indicates that the dynamic constitutive model can describe BFRGC ’s dynamic behaviors.Key words: Basalt Fiber Reinforced Geopolymeric Concrete (BFRGC); Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB);pulse shaping techniques; impact; constitutive model地质聚合物[1]具备比传统硅酸盐水泥更加优异的物理、力学性能，可用作高性能混凝土胶凝材料。
然而，地质聚合物混凝土(Geopolymeric Concrete,GC)属准脆性材料，为了改善材料的脆性，人们一般采用纤维增强的方法，以满足其工程应用的要求，尤其是抗爆、抗冲击要求较高的防护工程。
玄112 工 程 力 学武岩纤维是一种新型混凝土增强材料，由纯天然的火山岩(含玄武岩)矿石经高温熔融、拉丝而成，是典型的硅酸盐纤维，它具有优越的力学性能和天然的相容性。
李为民、许金余等[2―4]研究表明，玄武岩纤维增强普通硅酸盐水泥凝土具有较高的冲击强度与韧性。
Dias 等[5]指出，玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(Basalt Fiber Reinforced Geopolymeric Concrete, BFRGC)的准静态强度与断裂韧性优于玄武岩纤维增强普通硅酸盐水泥混凝土。
本文以矿渣与粉煤灰为原料制备BFRGC ，采用f 100mm 分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置，获得了BFRGC 在10s -1―102s -1应变率范围内的应力-应变曲线，分析了BFRGC 的强度和变形性能，并建立了材料的动态本构模型。
1 试验1.1 原材料与试件制备原材料：水淬高炉矿渣(比表面积约为500m 2/kg ，28d 活性指数≥95%)；一级粉煤灰；石灰岩碎石(5mm ―10mm, 15%; 10mm ―20mm, 85%)；中砂(细度模数为2.8)；化学纯氢氧化钠片状固体(纯度≥97%)；液体硅酸钠(模数为 3.1―3.4，SiO 2含量≥26.0%，Na 2O 含量≥8.2%)；短切玄武岩纤维。
矿渣、粉煤灰的化学组成及玄武岩纤维的物理、力学性能指标分别见表1、表2。
表3给出了BFRGC 的配比。
表1 矿渣、粉煤灰的化学组成 /质量%Table 1 Chemical compositions of slag and fly ash氧化物 SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO Na 2O TiO 2 MgO K 2O P 2O 5 SO 3 其它 烧失量 矿渣 29.2 19.4 5.8 38.6 0.2 0.6 2.8 0.1 ― 2.6 0.4 0.3 粉煤灰45.821.412.613.71.10.21.31.80.11.9―0.1表2 玄武岩纤维与碳纤维的物理、力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of basalt fiber andcarbon fiber单丝直径/ m m 短切长度/ mm 密度/ (kg/m 3) 弹性模量/ GPa抗拉强度/ MPa极限伸长率/ (%) 1518265093―110 4150―48003.1表3 BFRGC 配合比 /(kg/m 3)Table 3 Mix proportions of BFRGC玄武岩纤维V BF /(%)矿渣 粉煤灰 砂 石子 水 液体硅酸钠/氢氧化钠 0.1 0.2 0.3 3001006299681506.672.655.37.95试件制备：将BFRGC 拌合物装入试模并成型，室温暴露24h 后拆模，之后立即进行标准养护(T =20±2℃，相对湿度RH>95%)；28d 后取出，进行切割、水磨加工，形成f 95mm ×50mm 左右的圆柱形试件，注意保证试件的平面度、光洁度及垂直度在标准范围内。
1.2 试验技术BFRGC 的SHPB 试验中的问题主要有：由大直径压杆中质点的横向运动引起的弥散效应导致了应力波波形的高频振荡，经数据处理所得的应力-应变曲线的高频振荡常常掩盖了材料的真实特性；BFRGC 的破坏应变非常小，想从根本上解决应力均匀性问题，尤其是恒应变率加载问题并非易事；BFRGC 试件在高速变形的情况下，质点存在着轴向与横向运动，使得其内部不再是一维应力状态，对试验数据按照一维应力波理论处理所得的应力显然不再是单轴压缩状态下的应力，即试件中质点的横向惯性运动导致的惯性效应对应力测试的影响较大。
针对这些问题，文中采用波形整形技术。
如图1所示，该技术对入射波形有明显的改善效果，可将其上升沿的升时延长1倍―2倍，且呈现近似三角脉冲，使得试件在高速加载过程中有足够的时间达到应力均匀及恒应变率[6―7]。
此外，该技术还有助于解决弥散效应与惯性效应问题。
图1 BFRGC 的SHPB 试验中的应力脉冲 Fig.1 Stress pulses from SHPB test on BFRGC1.3 数据处理将型号为BE120-5AA 的胶基应变片用496胶粘贴于入射杆、透射杆，以分别测量入射应变、反射应变及透射应变。
采用三波法[8]，由弹性杆中的应变波形，可计算出试件的应力s s 、应变率s e &及应变s e ，即：时间/m s波幅/m V入射波透射波反射波入射波+反射波工 程 力 学11312120[()()()]()2[()()()]()()()d i r t ssi r t s s t s s E t t t A t A t t t c t l t e e t e t s e e t e t ee e t t ++++ì=ïïï-+-+=íïï=ïîò&& (1) 式中：E 为杆的弹性模量；c 为杆中波速；A 、A s 分别为杆、试件的横截面积；l s 为试件的初始厚度；e i 、e r 、e t 分别为杆中的入射应变、反射应变、透射应变；τ1、τ2分别为反射波、透射波相对于入射波的时间延迟。