摘 要

本文研究掺入短细钢纤维对超高性能混凝土堆积结构的扰乱程度。通过研究钢纤维对密实度的影响，寻找钢纤维的等效替代颗粒，为基于最紧密堆积的纤维增强超高性能混凝土的配合比设计提供参考。分别通过最小需水量法和浆体最大密实度法研究掺入钢纤维对超高性能混凝土的密实度影响，建立了密实度随纤维掺量变化的关系。并寻找钢纤维的等效替代颗粒，通过人工神经网络加以验证，为掺加钢纤维的超高性能混凝土配合比设计提供理论依据。实验结果表明：钢纤维在该配比下的实际等效堆积直径在4-5mm之间。

关键词：超高性能混凝土，密实度，钢纤维，等效堆积直径, 验证，人工神经网络

Abstract

In this paper, the effect of the addition of straight steel fiber on the disruption of Ultra-High Performance Concrete was investigated by evaluate the dense degree. After that, the equivalent particles of steel fiber was investigated aiming at optimized the mixture design. In detail, the minimum water demand method and maximum wet density methods are used. The results shown that the addition of steel fiber increases the dense degree and the effect is very similar with the addition of particles with 4-5mm. The results were verified by establishing an artificial neural network also shown good match.

Key Words：Ultra-High Performance Concrete, Dense degree, Steel fiber, Equivalent packing diameter, Verification, Artificial Neural Network

目 录

第1章 绪论 1

第2章 原材料及实验设计 3

2.1 原材料 3

2.2 实验设计 3

2.2.1 配合比设计 3

2.2.2 搅拌工艺 5

2.3 最小需水量法 6

2.3.1 最小需水量与粒径尺寸相关性 6

2.3.2 钢纤维与替代颗粒最小需水量实验 7

2.4 浆体最大密度法 8

第3章 结果与讨论 10

3.1 粒径变化与最小需水量分析 10

3.2 钢纤维与替代颗粒对密实度影响分析 10

3.3 密实度测量与分布曲线 11

3.4 人工神经网络预测钢纤维等效粒径 14

3.5 不同掺量下钢纤维等效粒径匹配度 17

第4章 总结 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

混凝土是一种以水泥，粉煤灰，硅灰等为胶结剂，按照一定的比例结合各种粗细骨料、外加剂等形成的水泥基水硬性胶凝材料^[1]。混凝土无疑是现今用量最大的建筑材料之一，相较于其他的建筑材料，混凝土的生产能耗低、原料来源较广范、生产工艺简便、成本低廉^[2]。并且混凝土具有很好的力学性能、耐久性、防火性、适应性强、加工成型方便，然而混凝土的抗拉强度与韧性对它的使用范围产生了一定的影响和限制^[3]。

随着时代的进步，社会经济不断地发展，工程技术也随之逐步的提高。工程结构的设计变得更加复杂，这就对混凝土的性能提出了更高的要求。早在1931年的时候，Andressen等研究者就建立了最大堆积密度理论的数学模型^[4]。在上世纪的七十年代末，使用该模型设计配制的一种高强度水泥基材料正式在丹麦奥尔堡的水泥与混凝土试验室中诞生，称作CRC(Compact Reinforced Composite)密实增强复合材料。当时的CRC已经拥有很强的力学性能，CRC所使用的骨料为烧结铝矾土，同时通过掺杂钢纤维来提高材料的韧性，所以被称作“复合材料”，但由于技术还不够成熟，当时的CRC振捣密实比较困难，而且不便于现浇应用^[4]。之后Birchall提出了无宏观缺陷水泥材料MDF( macro-defect free)，具有高抗压抗弯强度，但无流动性难以成型^[5]。在MDF的研究基础上法国的Bouygues公司于20世纪90年代开发出了活性粉末混凝土（Reactive Power Concrete，RPC）^[6]。随着以聚羧酸系为主要成分的超高效减水剂问世，发展出了现在的超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)^[7]。UHPC是过去三十年中最具有创新性的水泥基工程材料，实现了工程材料性能的一大跨越，具有超高的力学性能（抗压强度超过150MPa）和优异的耐久性。但超高性能混凝土的脆性很大，如果只是单纯的提抗压强度，并没有办法解决其脆性大、抗拉强度不足的问题^[8]。一般掺加钢纤维增强其韧性，制备出了纤维增强超高性能混凝土（Fiber-reinforced Ultra-high Performance Concrete, UHFRPC)^[9]。

紧密的堆积结构是保证UHPC高强高耐久的关键^[9]。UHPC一般通过剔除粗骨料，添加超细颗粒（硅灰和偏高岭土等）以最佳比例形成最紧密堆积。然而，钢纤维等材料特有的外形尺寸使其很难被直接纳入到颗粒紧密堆积模型中，如果先利用颗粒紧密堆积模型设计材料基体，然后再加入纤维，则容易造成原有的颗粒紧密堆积体系被加入的纤维所“破坏”和“扰乱”的现象。因此研究钢纤维对基体堆积模型的影响寻找钢纤维的等效颗粒十分必要。目前常用的解决方法主要有两种：（1）Grünewald S提出的使用纤维等效堆积直径模型，将纤维视为具有等效直径的球型粒子加入最紧密堆积体系^[10]：

对于柱状纤维： （1.1）

对于球状纤维： （1.2）

其中为等效堆积直径[mm], ψ为球度[-]。

球度(ψ)： （1.3）

体积平均直径（） （1.4）

其中为纤维直径[mm], 为纤维长度[mm]。