超高性能纤维增强混凝土柱的性能评估（P-M 相互作用图的开发）
演讲人：Marwa Mahmoud Ibrahim，卡尔加里大学
尽管文献中已经研究并报道了纯轴向载荷下的同心超高性能纤维增强混凝土 (UHPFRC) 柱，但仍需要对偏心载荷 UHPFRC 柱的行为和设计有更多了解。本文提出的研究旨在填补这一研究空白。所用的 UHPFRC 材料包含碳纳米纤维 (CNF)，使材料具有 100 多年的使用寿命的出色耐久性，并增加了材料的首次拉伸开裂载荷和拉伸硬化率。这种材料在一天固化后具有约 99 MPa 的高早期抗压强度。小型 CNF-UHPFRC 圆柱将在轴向载荷下进行测试，偏心率范围从 0 到 0.4D，其中 D 是直径。钢纤维含量百分比将有所不同，包括体积百分比 1%、2% 和 3%。这些柱子将纵向用钢筋加固，横向用轻质钢筋加固，以保持钢筋笼的完整性。然后在建立实验荷载-力矩相互作用图时评估柱子的性能。还将根据 ACI 规定开发分析相互作用图。在验证 ACI 因子在应用于 UHPFRC 柱相互作用图开发时非常保守的假设后，将提供改进的 UHPFRC 柱设计指导和标准化。
https://www.youtube.com/watch?v=kJrgZefQ3zM&t=110s
介绍
大家早上好，欢迎参加今天的UHP（超高性能混凝土）会议。事不宜迟，我将开始我的演讲。我是卡尔加里大学的博士候选人，今天我将讨论通过四点弯曲简化方法和逆向分析来表征碳纳米纤维增强超高性能纤维增强混凝土的抗拉强度。我将从简短的介绍开始，然后讨论碳纳米纤维增强超高性能混凝土，接着是抗拉测试方法，深入讲解我使用的简化方法，最后是实验程序结果和结论。
概述
我们都知道，UHPFRC（超高性能纤维增强混凝土）是在1980年代发现的，主要特点是优异的耐久性和机械强度。具体来说，它的抗压强度通常超过150兆帕，这归因于使用较低的水胶比、去除粗骨料（即去除混凝土中最薄弱的环节——骨料与基质之间的过渡区）以及使用火山灰和高效减水剂。其次，它的开裂后抗拉强度通常超过5兆帕，这是由于使用了高强度纤维，主要是钢纤维，并减少了孔隙尺寸，从而使应力更加均匀，增强了材料的强度。
碳纳米纤维增强超高性能纤维增强混凝土
为什么选择碳纳米纤维？我们知道，通常在体积比为2%的情况下，钢纤维的加入使UHPFRC具有类似钢的应变硬化反应，因此这种材料被称为应变硬化UHPFRC。如果体积不足以使材料具有类似钢的应变硬化反应，则材料被称为软化。然而，问题在于这些钢微纤维的间距相对较大且价格昂贵，因此它们在开裂后阶段最为有效。因此，提出了引入低成本纳米材料的建议，于是碳纳米纤维应运而生。碳纳米纤维是一种石墨材料，具有优异的抗拉强度和高导电性。碳纳米纤维对UHPFRC的作用是提高其耐久性至100年以上，最重要的是增加抗拉开裂强度和应变硬化比。
抗拉测试方法
通常来说，表征纤维增强混凝土，特别是UHPFRC的抗拉性能是具有挑战性的。文献中最广泛使用的两种方法是直接拉伸试验和带有点对点逆向分析的弯曲试验。直接拉伸试验施加的弯曲应力较少，但难以进行；而弯曲试验易于进行，但需要复杂的后处理来预测单轴抗拉行为。每种方法都有其优缺点。
简化四点逆向分析方法（CSA S6附录8.1）
我所讨论的方法是一种简化的四点逆向分析方法，既简化了操作，又保证了准确性。该方法基于从实验载荷-挠度曲线中提取四个关键点。第一个点是弹性行为的两个点，分别对应初始刚度的75%和40%的交点。第三个点是硬化行为的裂缝定位点，取最大载荷的97%。第四个点是软化行为的点，取裂缝定位点的80%。这种方法与其他方法一样，也有其局限性。根据规范，材料必须是硬化的，即最终强度至少比弹性强度高10%。此外，初始刚度的40%必须小于裂缝定位点。该方法还要求最终应变至少是弹性应变的10倍。
实验程序
在实验中，我们测试了尺寸为75×75×300的未加固试件，使用了两个LVDT，每侧一个。我们使用了三个不同的批次，但它们的混合设计相同。混凝土从一个方向浇筑，浇筑方向与测试方向相同，养护为标准养护。我们使用了含有2%直钢纤维的NFUHPFRC，纤维尺寸为0.3×13毫米。试件在28天龄期使用100千牛顿的机器进行测试，加载速率分为两个阶段，符合ASTM C1609标准。
结果
如前所述，规范要求P3必须大于P2，这在这里得到了满足。然而，当我们查看图表时，可以看到这是S0，这是P1（初始刚度的75%），这是P2（初始刚度的40%）。可以看到，P1和P2位于软化区域，甚至不在硬化区域，而P3实际上大于P2，因此满足规范要求。然而，当我们进行逆向分析时，得到了不现实的数值，尤其是在最终部分。
在这个图表中，可以看到载荷和挠度随时间变化的曲线，并且可以看到加载速率变化的开始和开裂的开始。这是第一个样本。现在在第二个样本中，可以看到P3实际上小于P2，默认情况下，当P3小于P2时，该方法不适用。但仍然可以看到，初始刚度的75%和40%也位于应变软化区域，而不是应变硬化区域。
这是我们得到的典型载荷-挠度曲线与规范化载荷-挠度曲线的比较，类似的结果是最终部分得到了不现实的结果。
这里可以看到一些测试过的样本。
结论
这意味着，当满足规范限制时，P1和P2（分别为初始刚度的75%和40%）位于软化分支，这使得Δ3小于Δ1。因此，当我们将这些值代入逆向分析的方程时，会得到负值，这意味着该方法不适用。每当P3不大于P2时，默认情况下该方法不适用。因此，我们可以得出结论，选择75%和40%的刚度限制了可以建模的混凝土范围。如果使用90%和95%的割线刚度，这种混凝土可以建模，但会更难，因为从实验曲线中提取合适点会更困难，因为割线刚度和实验曲线之间的交点角度较小。
总之，这是一种简化的方法，但非常有限。
我的演讲到此结束，谢谢大家的聆听，欢迎提问。
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