[发明专利]计算纤维增强混凝土中钢纤维朝向分布的方法

说明书

本发明提出一种计算纤维增强混凝土中钢纤维朝向分布的方法，通过统计纤维增强混凝土基体中钢纤维的朝向概率和朝向系数研究纤维的朝向分布，解决了传统试验中计算纤维增强混凝土中钢纤维朝向分布效率低、过程复杂的问题。其通过建立三维纤维空间分布立方体模型，使钢纤维在三维空间模型中乱向分布，利用夹角公式计算钢纤维的朝向角，并通过统计朝向概率获得钢纤维在混凝土的朝向分布规律。该方法通过简单便捷的公式计算，能够获得纤维在混凝土基体中分布的朝向规律，同时减少了大量的实验操作和计算过程，提高了运算效率。

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种计算纤维增强混凝土中钢纤维朝向分布的方法。

背景技术

混凝土是主要的建筑材料之一，具有原料丰富便宜、施工工艺简单、抗压强度高和耐久性好等优势，广泛运用于工程实际中。然而，传统混凝土的自重大、抗拉强度低、韧性差等缺点，极大限制了大型工程的发展。为弥补这些缺陷，纤维增强混凝土应运而生。

纤维对混凝土的力学性能的改善主要体现在三个方面：增强作用、增韧作用和阻裂作用。掺入纤维，混凝土的抗拉强度、弯曲韧性、极限应变和弹性模量都普遍提高。通常，纤维朝向与混凝土受拉方向平行时，纤维能够最大程度地发挥增强增韧效果；而当纤维朝向与混凝土受拉应力方向垂直时，纤维基本无增强增韧效果。在混凝土中掺入钢纤维，其纤维朝向表现为随机朝向。然而，研究表明随机取向的钢纤维其增强增韧效果的钢纤维利用效率仅占30％。因此，研究纤维的混凝土基体中的朝向分布对纤维在混凝土中实现定向具有重大的意义。

基于此，现有技术采用数值模拟的方法建立纤维混凝土三维空间分布模型，并通过统计三维空间模型中钢纤维的朝向概率来绘制朝向概率曲线和朝向系数曲线，以探究钢纤维在混凝土基体中的朝向分布规律，为纤维在混凝土实现定向作用奠定理论基础。

现有的对纤维增强混凝土中纤维的朝向角和朝向概率的计算研究主要有：

(1)《UHPC纤维定向法及对受拉性能影响》

文献中所述，图像处理方法是通过对纤维增强混凝土试件进行切片并拍照，获取切面图像信息，然后采用计算机对图像信息做二值化处理，提取UHPC切面上纤维的截面形状，计算纤维的倾斜角度，最终获得整个截面上的纤维朝向分布。

(2)《基于纤维分布的UHPC制备及其渗透性能研究》

X-CT扫描法是以影像学中的螺旋CT成像技术和X射线计算机断层扫描成像技术为测试手段，以实现图像的二维扫描到三维重建，来观察钢纤维在混凝土基体中的三维分布情况，文献便使用该方法。

(3)《钢纤维在混凝土基体中的分布规律及与韧性的关系》

电磁感应法是以介质电磁性(导电性、介电性、导磁性)的差异为基础，通过观测研究交变电磁场随空间分布的规律或随时间变化的规律，达到观测混凝土基体中纤维朝向这一观测目标的方法，文献便使用了该方法。

以上现有技术分别存在以下缺陷：

现有技术1：《UHPC纤维定向法及对受拉性能影响》

缺点1：耗时长、工序多

图像分析法的处理要经历多个程序：纤维增强混凝土的浇筑和养护便要花费海量时间，在此基础上，进行切片拍照处理，随后使用计算机将图片二值化，提取截面图像信息后才能计算纤维的朝向分布。整体来看，图像分析法工序多、步骤复杂，计算钢纤维朝向角的效率十分低下，严重制约了计算混凝土中纤维朝向方法的实际应用。

缺点2：无法准确反应钢纤维实际朝向分布状况

图像分析法属于破坏性方法，在切割混凝土试件过程中，无法避免对钢纤维实际朝向分布造成一定的影响，并且单个或少数试件的朝向分布也无法准确反应钢纤维的实际朝向分布。

现有技术2：《基于纤维分布的UHPC制备及其渗透性能研究》