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超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用_徐世烺

超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用_徐世烺
超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用_徐世烺

基金项目:国家自然科学基金(50438010)、南水北调工程建设重大关

键技术研究及应用(JGZXJJ2006-13)

作者简介:徐世烺,博士,教授收稿日期:2007-04-26

超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

徐世烺

李贺东

(大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)

摘要:系统介绍超高韧性水泥基复合材料名称由来、分类、基本性能、材料设计方法及其在实际工程中的应用情况。在基本性能部分,详细地介绍超高韧性水泥基复合材料高于混凝土的受压变形能力、在直接拉伸荷载作用下表现出显著的准应变硬化特征和产生多条细密裂缝的能力、在弯曲荷载作用下表现出的超高韧性和产生多条细密裂缝的能力、在剪切荷载作用下表现出具有明显延性特征的破坏模式、与钢筋的变形协调性能,简要介绍

UHTCC对缺口的不敏感性、显著的韧性断裂特征,以及约束收缩特性。在材料设计方法部分,详细介绍准应变

硬化模型、准应变硬化性能参数,以及材料中纤维、基体和界面各组分的选择。在实际工程应用部分,介绍材料在提高结构耐久性、进行耐久性修补和在新型结构方面的应用,及其在新建、扩建工程中的使用情况。最后简要分析超高韧性水泥基复合材料在工程中的应用前景,并结合国内外的研究现状提出进一步研究的方向。关键词:超高韧性水泥基复合材料;聚乙烯醇纤维;应变硬化;耐久性;裂缝;修补中图分类号:TU528.58

文献标识码:A

文章编号:1000-131X(2008)06-0045-16

Areviewonthedevelopmentofresearchandapplicationofultrahightoughnesscementitiouscomposites

XuShilangLiHedong

(StateKeyLaboratoryofCoastalandoffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract:Thispaperintroducestheultrahightoughnesscementitiouscomposite(UHTCC),includingtheclassification,basicproperty,materialdesignmethodandtheapplication,etc.Thebasicpropertiesincludinghighercompressivedeformabilitythanconcrete,significantpseudostrainhardeningandmultiplecrackingcapabilitiesunderuniaxialtensileloading,ultrahighflexuraldeformability,significantductilefailuremodeundershearloading,andcompatibledeformabilitywithsteelreinforcementareintroducedindetail,whilethepropertiesofnon-sensitivitytonotch,ductilefracture,restrainedshrinkagebehaviorinbrief.Regardingthedesignmethod,pseudostrainhardeningmodel,pseudostrainhardeningperformanceindicesandhowtochoosefiber,matrixandinterfaceforUHTCCareintroduced.Suchpracticalapplicationsasinimprovingstructuraldurability,durablerepairing,usageinnovelstructure,andinexpansionprojectareintroduced.TheprospectofUHTCCapplicationissummarized,andtheneedforfurtherresearchneedisproposed.

Keywords:UHTCC;PVAfiber;strainhardening;durability;crack;repairE-mail:slxu@dlut.edu.cn

土木工程学报CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL

第41卷第6期2008年6月Vol.41No.6Jun.

2008

引言

混凝土具有抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽

度难以控制等缺点,因此,在传统的钢筋混凝土结构

中,由于裂缝问题导致钢筋锈蚀而出现的工程事故经常发生,据有关工程单位的调查,我国建国后兴建的

60多座70m以上的混凝土坝均出现了程度不同的裂

缝。已有大量的研究表明,混凝土结构性能劣化的快慢很大程度上取决于水、二氧化碳及氯离子等有害离子向混凝土内部侵入的速度,而混凝土裂缝的出现,若不进行有效控制,则必将大大加快这些有害介质向

?

?土木工程学报2008年

混凝土内部的侵入,最终将导致混凝土结构过早地劣化甚至完全丧失使用功能,即混凝土结构裂缝直接影响着结构的耐久性和工程的使用寿命。为克服混凝土这些缺点,聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土等应运而生,这类混凝土的纤维掺量通常小于2%,这样做虽然一定程度上起到了减轻混凝土早期开裂,提高材料抗弯韧度等作用,但在直接拉伸荷载作用下仍发生应变软化破坏,开裂后裂缝马上进入局部化扩展阶段。为了进一步提高混凝土材料的韧性和强度,纤维掺量非常高的高性能纤维增强混凝土(HPFRCC)开始出现,它们在直接拉伸荷载作用下可显示出明显的准应变硬化特性,但由于纤维掺量非常高(如SIFCON中钢纤维体积率用量高达4%~20%[1]),使得搅拌困难,需特殊工艺才能加工成型,并且纤维的高掺量也使得材料成本成倍的提高,这些都极大地约束了这类高性能材料在工程中的应用和推广。超高韧性水泥基复合材料(UltraHighToughnessCementitiousComposites,简称UHTCC)则是通过利用断裂力学和微观力学原理对材料体系进行系统地设计、调整和优化[2],得到的复合材料在仅使用体积率约2%纤维(主要是合成纤维,如PVA和PE纤维)的掺量下便可获得3%以上拉应变能力,使用常规的搅拌和加工工艺便可成型。纤维掺量的适中不但利于控制成本,也有利于工程技术人员在此基础上利用外加剂技术或者其他方法来适当调整材料的组成,生产具有不同工作性能的复合材料,如自密实和可喷射等品种[3-6]。由于上述优点,从1992年文献[7]给出有关理论基础后,该类材料的研究已经取得了长足的进展[8-10],在美、日等国家已经应用于实际工程[11-12]。

超高韧性水泥基复合材料早期的英文名称为“EngineeredCementitiousComposite”,缩写为ECC。最早由密歇根大学的Li教授和麻省理工的Leung教授采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念[7],随后该材料在日本获得了飞快发展和广泛应用,日本称之为“UltraHighPerformanceFiberReinforcedCementitiousComposite”,缩写为“UHPFRCC[11]”,欧洲称为“StrainHardeningCementitiousComposites”,缩写为“SHCC”。最初的名称中“Engineered”即“经设计的”,表明这类材料在材料设计方面的特别之处。普通的纤维混凝土(即FRC,如钢纤维混凝土)和常见的高性能纤维增强水泥基复合材料(即HPFRC,如SIFCON)通常仅仅是通过调整纤维掺量来实现特定的性能,而ECC是以断裂力学和微观力学的概念为指导,对纤维、基体以及纤维基体界面进行有意识地调整发展而来,对应复合材料通过产生多条细密裂缝来实现准应变硬化特

性。也正是基于以上的原因,国内早期在介绍这种材料时,文献[13]将其直接译为“经设计水泥基复合材料”,在后来的介绍中,文献[14]将其称为“设计纤维水泥基复合材料”,文献[15]称其为“工程水泥复合材料”,文献[16]称之为“纤维水泥基复合材料”,而文献[17]直接以“ECC”称呼,称谓的多样性显然不利于这种新型高性能水泥基复合材料在我国的发展与应用。并且近年来,关于ECC的界定也不断有着新的发展:最初认为凡是短纤维增强水泥基复合材料只要是利用有关断裂力学和微观力学相关原理对纤维、基体和纤维基体界面进行了有意识的设计、选择和调整,结果得到的硬化后的复合材料具有明显的准应变硬化特征便可称为ECC材料;但近年来,随着理论研究和试验研究的不断发展,以及工程应用实践的不断增多,发现ECC材料的性能只有当其拉应变能力稳定达到3%以上时其应变硬化性能才是稳定的,在变形增长的过程中才能稳定地伴有多条细密裂缝的产生,当前每每提及ECC材料时都会表述其具拉应变能力超过3%,对应为普通混凝土的150~300倍,普通纤维混凝土的30~300倍。综上所述,最初的ECC是一种广义的提法,而发展至今天的ECC材料仅指其中极限拉应变能力稳定地超过3%的超高韧性水泥基复合材料。因此该材料后来直接称为“超高韧性水泥基复合材料”,与中文相对应的英文名称使用“UltraHighToughnessCementitiousComposites,简称UHTCC”,其具体定义为:使用短纤维增强,且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%,硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征,在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝,极限拉应变可稳定地达到3%以上。需要说明的是,本文为叙述方便,在描述以往研究工作进展时依然沿用‘ECC’或“广义ECC”。

广义的ECC依据不同的分类方法可分为许多不同的类型。根据使用纤维可分为聚乙烯纤维增强ECC(即PE-ECC)[18]、聚乙烯醇纤维增强ECC(即PVA-ECC)[19]、碳纤维增强ECC[20]、钢纤维增强ECC[21]和混杂纤维增强ECC[22-23]。但需要指出的是,碳纤维增强ECC由于碳纤维在搅拌过程中极其容易折断,造成复合材料无法充分利用纤维本身的高强度和高弹模,对应ECC的应变能力要较PE-ECC和PVA-ECC小得多,最大仅为0.9%[20]。由于受纤维长细比等因素的限制,现有的钢纤维增强ECC最大拉应变能力也仅为0.5%左右[21]。显然,由于材料的离散性,这两种纤维增强ECC的性能是毫无保障的,因此这两种ECC都不具推广价值,当前还无法用来制作超高韧性水泥基复合材料。PE-ECC和PVA-ECC的极限拉应变能力都可以稳定地达到3%以上,在相

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?

?第41卷第6期图2

ECC拉应力-应变曲线[30]

Fig.2

Tensilestressvs.straincurvesofPE-ECCand

PVA-ECC

图1不同水泥基复合材料压应力应变曲线

[30]

Fig.1Compressivestressvs.straincurvesofconcrete,

PE-ECCandPVA-ECC

表1典型ECC配比(质量比)

Table1

TypicalmixproportionsofPE-ECCandPVA-ECC

(byweightratio)

PE-ECC[31]10.5组分

水泥精细砂PVA-ECC[32]11.0

0粉煤灰0.11水0.280.420.03减水剂0.012增稠剂消泡剂

纤维

0.05%01.5%体积率

0.049%0.048%2%体积率

徐世烺等?超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

同纤维体积掺量下,PE-ECC将具备比PVA-ECC略大的应变能力,其抗压强度也比后者高,但PE纤维的价格是同体积PVA纤维的八倍

[19]

,从性能-成本

效益角度出发,显然PVA-ECC更具推广价值。根据成型方法,可分为自密实ECC[3,4,24]、可喷射ECC[5-

6]

、挤压成型ECC

[25]

。根据密度可分为轻骨料ECC

[26]

和常规ECC。依据基体组成或功能特点,还可分为绿色ECC[27]、防水ECC[28]和自愈合ECC[29]等。总之,各种不同功能特点和不同加工性能ECC的开发,使其更易于满足不同工程的需要,必将有利于超高韧性水泥基复合材料在水利工程和土木工程领域中发挥更大的作用。

1超高韧性水泥基复合材料的基本性能

不同类型的ECC其力学性能有所不同,PE-ECC

和PVA-ECC是目前研究最多也是相对最成熟的两种超高韧性水泥基复合材料,因此这里仅介绍这两种纤维增强ECC的基本力学性能和约束收缩性能。

1.1受压特性

图1所示为典型的混凝土、PE-ECC和PVA-ECC

压应力-应变曲线。因为不使用粗骨料,所以PE

-ECC和PVA-ECC的弹性模量均低于混凝土;表1

中给出了典型的ECC配比,其中PE-ECC水灰比明显低于PVA-ECC,因此可以判断这是造成前者的抗

压强度和弹性模量均高于后者的主要原因;两者的压应变能力均大于混凝土(约为0.2% ̄0.3%),都在0.

5%左右,PVA-ECC试件在经过峰值荷载后,承载能力以相对混凝土缓慢得多的速率持续下降,而PE-ECC试件在到达峰值荷载后承载能力首先以很快的速率下降至峰值的50%左右,而后下降的速度与前

者相近。

1.2受拉特性

准应变硬化和产生多条细密裂缝是ECC材料基

本特征。ECC材料在承受直接拉伸荷载时产生多条细密裂缝的过程是非常稳定的:在轴向拉伸荷载作用下,随着荷载的增长,在拥有最大初始缺陷尺寸截面上的基体首先开始出现裂缝,此时ECC中的纤维能够提供足够的桥联应力,基体中的裂缝以“自相似”模式(即稳态开裂模式)扩展,在裂缝扩展过程中,裂缝尖端的应力场和变形场保持不变,直至裂缝贯通整个截面[33];当第一条裂缝出现后,对应试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复,裂缝宽度很快稳定在一个很细的水平上(和第一条裂缝的宽度大体相同),如此重复多次,试件上最终呈现大体均匀分布的多条细密裂缝,每条裂缝的宽度大体接近,此时裂缝间基体内嵌固纤维所提供的桥联应力不足以使基体内产生新的裂缝,裂缝处于饱和状态,此后随着荷载的增加,不再有新裂缝产生,取而代之的是原有裂缝的不断变宽,直至某一条裂缝(可以是所有裂缝中的任意一条)发生局部化扩展,试件最终断裂破坏。ECC超高的拉应变能力对应于试件上的多条细密裂缝,在从开裂至峰值荷载整个过程中,拉应力-应变曲线呈现明显的应变硬化特征。一些纤维混凝土虽然在弯曲荷载作用下可表现出应变硬化特性,但在直接拉伸荷载作用下仍表现为应变软化,因此只有拉应变硬化曲线才是ECC的特征曲线[19,34-35]。

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?

?土木工程学报2008年

图3

ECC构成对裂缝形成的影响[30]

Fig.3

InfluencesofECCcomponentsoncrackformation

ECC中通常使用的PE纤维抗拉强度为2700MPa,

弹性模量高达120GPa

[31]

,而PVA纤维对应的两个性

能参数都要低一些,仅分别为1620MPa和42.8GPa[19]

;与此同时,PE纤维属憎水性纤维,在纤维基体界面不存在化学黏结,仅有摩擦黏结,而PVA纤维具亲水性,在纤维基体界面不仅有摩擦黏结,并且存在很强的化学黏结

[36]

。纤维和纤维基体界面性

质的不同导致对应ECC在拉伸荷载作用下表现出的性能也有所差别,在相同的纤维体积掺率下,PE-ECC具有比PVA-ECC略大的变形能力。文献[30]对PE-

ECC和PVA-ECC在直接拉伸作用下表现出的性能进

行了进一步的比较和分析,结果发现在极限抗拉强度和极限拉应变能力都非常接近的情况(如图2所示)下,PE-ECC拉应力-应变曲线上的应力突降-恢复幅度要比PVA-ECC大得多,相应试件上前者平均裂缝宽度约200μm,间距约4mm,而后者分别仅为

25μm和0.5mm;依据缺陷尺寸理论,初始裂缝首先

在最大缺陷处产生,而后按照缺陷尺寸由大至小顺序不断产生新的裂缝;裂缝宽度差别产生的原因在于

PVA纤维由于化学黏结的存在使得材料在裂缝宽度为

零时就存在一个初始的桥联应力,并且对应桥联应力

-裂缝开口宽度曲线斜率相对高一些(如图3所示),

因此,PVA-ECC的裂缝仅需开展很小的宽度就足以使开裂处纤维的桥联荷载达到开裂前的水平,而相比之下,PE纤维由于不具备初始桥联应力,并且对应桥联应力-裂缝开口宽度曲线斜率相对低一些,所以要求裂缝开展到相对大一些的宽度后裂缝面上纤维的荷载才能达到开裂前的水平;事实上以上这些差别同样可以解释为什么PVA-ECC对应曲线上应力突降-恢复的幅度更小;与此同时这些差别也使得PVA-

ECC裂缝面处纤维将应力传递回基体需要的最小纤

维嵌固长度较PE-ECC小,因此前者的裂缝间距要比

后者小得多。在我们已进行的试验中,使用2%纤维体积掺率配制得到的超高韧性水泥基复合材料在28

天龄期时利用直接拉伸试验测试到了约4.46%的拉应变能力,在最终破坏前试件上均呈现出饱和的多条细密裂缝,平均裂缝宽度为48μm,裂缝间距0.99mm。

1.3弯曲特性

Maalej和Li在1994年的研究[37]中发现水泥基材

料的抗弯强度与拉伸开裂强度的比值是材料脆性比率

B的函数,它随B的增大而减小,在极端情况下当B→∞时,极限抗弯强度等于拉伸开裂强度(如砂浆

和混凝土等脆性材料),当B→0时,极限抗弯强度为受拉开裂强度的3倍(理想的弹塑性材料)。准脆性的常规纤维混凝土的极限抗弯强度高于拉伸开裂强度,但即使是极端情况最大也仅为后者的3倍,而对于具有准应变硬化性能的ECC材料,对应强度的比值必然会高一些。Maalej和Li在同年进行的试验[38]中发现,钢纤维混凝土的抗弯强度约为拉伸开裂强度的

2.12倍,而对应PE-ECC约为5倍。在我们已经进行

的超高韧性水泥基复合材料试验中,测试到28天龄期的极限抗弯强度约为16.01MPa,拉伸开裂强度约为3.16MPa,两者比值5.07。2004年,Lepech和Li的研究[39]发现,在保持试件跨高比为‘7’不变,仅跨度变化(0.175 ̄2.8m)的情况下进行的三点弯曲试验中,当PVA-ECC的拉应变能力超过一定值(小于

3%)后,其弯曲强度就几乎不存在尺寸效应;MinoruKunieda等[40]在对掺量为1.5%的PE-ECC的板试件

和梁试件的弯曲试验研究中也没有发现弯曲强度有明显的尺寸效应。

1.4抗剪性能

1998年Kanda和Watanabe[41]利用Ohno剪力梁,

对具有约1%拉应变能力的PVA-ECC进行抗剪性能测试,结果发现剪跨比为1时,在不配任何抗剪钢筋的情况下,PVA-ECC梁的抗剪承载力比混凝土梁高出42.6%,对应变形能力高出2.25倍,破坏模式具有明显的延性特征。2003年VasillagXoxa

[42]

利用平

面纯剪试验对PVA-ECC抗剪性能进行了较为系统的研究,试验发现:PVA-ECC板在剪切作用下从未裂到开裂是个渐进的过程,不会出现刚度的突然下降,而这在常规混凝土中是非常典型的脆性破坏特征;

PVA-ECC板在剪力作用下出现了大量的相互平行且

分布密集的裂缝,即使是在同一条直线上的裂缝也不会贯通(如图4所示),裂缝间距随配筋率的增加而减小;在整个试验过程中直至试件破坏,都没有出现

ECC剥落现象;在相同的抗压强度下,PVA-ECC比

常规混凝土试件具有更大的剪切变形能力和更高的抗

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?第41卷第6期图4

混凝土和PVA-ECC在面内纯剪作用下裂缝模式的比较

[42]

Fig.4

Comparisonofcrackingmodesbetweenconcreteand

PVA-ECC

图5约束收缩试件尺寸[11]

Fig.5Dimensionofrestrainedshrinkagespecimen

(a)俯视图(b)A-A剖面图

图6

约束收缩平均裂缝宽度随干燥时间的发展[11]

Fig.6

Developmentofaveragecrackwidthwithdryingtimeunderrestrainedshrinkagetest

剪承载力,其破坏的延性特征要比普通混凝土显著得多;当试件构造相同时,试件在周期性剪力作用下比单调剪力作用下具有更大的变形能力和更高的承载能力。

1.5与钢筋的变形协调性

在实际工程中,水泥基材料大都与钢筋结合使

用,因此在这里将ECC与钢筋的变形协调性也看作是ECC的一个基本力学性能。Li和Fischer

[43-44]

对长

500mm,横截面尺寸为120mm×120mm,沿纵向中

心线用直径为20mm的钢筋增强的PE-ECC试件(R/ECC)和混凝土试件(RC)进行了直接拉伸试验,结果发现:RC和R/ECC试件,在初始加载阶段钢筋和基体都发生弹性变形,两者变形一致,当荷载作用达到基体的开裂应力后试件上开始出现横向裂缝;在RC中这条裂缝逐渐变宽,对应位置钢筋经历着很大的应变增长,混凝土基体和钢筋的变形无法协调,从而导致次级裂缝和纵向裂缝的产生,当荷载增长到一定阶段后,下一条横向裂缝出现并伴随部分混凝土与钢筋的剥离,当荷载达到峰值的162kN时对应的裂缝宽度为6mm;在R/ECC中,试件上出现的第一条裂缝不会随荷载的增加而不断变宽,而是在达到50μm左右后便开始稳定并保持在这个水平上,在达到峰值荷载的175kN时,试件上已经出现了约40条裂缝,裂缝宽度依然保持在200μm以下,在这个加载过程中未发现ECC基体有剥落现象。以上结果表明R/ECC即使在经受很大变形的情况下仍能够保持构件的整体性,其中ECC材料不但不会发生剥落现象,而且仍然能够继续承担不低于开裂前的所能传递的荷载,若将这样的材料应用到抗震工程中,必然将极大地提高结构的安全性和可靠性。

1.6其他力学特性

Li[45]在对两侧对称开口的PE-ECC薄板的直接拉

伸试验中发现,有缺口情况下测得的抗拉强度竟然比在无缺口下测得的还要高,证明ECC材料具有良好的对缺口不敏感性。在T.Kanda等人[41]进行的缩尺试验中,甚至在将圆柱形金属块压进ECC时,材料都

没有碎裂,呈现明显的塑性,在拿开金属块后发现在留下的小坑周围存在着大量的微细裂缝,证明ECC材料具有非常高的容许破损能力,这一发现对ECC板的干接合具有重要意义。1993年,Li和Hashida[46]利用双悬臂梁试件测试到纤维体积率为2%的

PE-ECC在发生破坏时,在整个试件高度上出现了非

常大的圆葱形的非弹性断裂过程区,对应断裂能高达

24Jm-2,甚至还应更高,而相比之下混凝土断裂能量

级仅在0.01Jm-2,普通纤维混凝土也仅在0.1Jm-2到几个Jm-2内变化。

1.7约束收缩特性

Li等[11]采用环式试件测试了混凝土、PVA-ECC,

和使用低碱水泥的PVA-ECC(LA)材料在约束条件

下的收缩性能。试件尺寸如图5所示,试件浇筑完成

3天后拆模,然后暴露在30%湿度条件下。对于混凝

土试件,以3个不同位置测到的裂缝宽度的平均值作为约束收缩裂缝宽度的名义值;对PVA-ECC和PVA

-ECCLA(使用低碱水泥),由于试件上出现了多条细密裂缝,因此以不同位置上的10条裂缝宽度的平均

值作其名义宽度;结果测试到的收缩裂缝宽度随龄期的增长关系如图6所示。当测试到约65天龄期时,混凝土的裂缝宽度就已经达到了约1.016mm,而两种

ECC试件的裂缝宽度非常接近,在超过100天龄期时仍非常小约0.076mm(如图6所示)。

徐世烺等?超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

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?

?土木工程学报2008年2超高韧性水泥基复合材料的材料设计原理

及其组分的选择

2.1超高韧性水泥基复合材料的材料设计原理

1992年,Li和Leung[7]利用断裂力学方法分析了

柔性短纤维乱向分布增强脆性基体时出现的准应变硬

化现象,首先给出了这类材料在直接拉伸荷载作用下

裂缝以稳态模式扩展并产生多条细密裂缝须同时满足

的两个条件:

(1)基体中出现的裂缝若以稳态模式扩展,须满足:

K!≤K!crit(1)

K!=2

π

"c#s(2

c$s

%-1

c$s)(0≤c$s≤1)

式中:K!为归一化的基体韧度;K!crit为复合材料中的裂缝以稳态模式开裂时归一化基体韧度的最大临界值;c$s为裂缝扩展由失稳模式向稳态模式过渡的临界的归一化裂缝半径(缺陷尺寸)。

(2)若要出现多条细密裂缝,在满足公式(1)的基础上,仍须满足:

c$mc≤c$(2)式中:c$mc为复合材料可以出现多条细密裂缝的归一化裂缝尺寸的最小值;c$为归一化的初始裂缝尺寸。

此后,在针对纤维增强脆性基体复合材料如何才能够具备准应变硬化性能的研究中,Li和Wu[33]在总结文献[7]及前人工作[47-49]的基础上,以统一的形式给出了短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料的相关表达式,1993年,Li[50]参照MarshallandCox[51]在研究连续纤维时的分析方法,以J积分的形式给出了短纤维增强脆性基体复合材料的有关条件表达式。

总之,在经过一系列的发展和完善后,现今的ECC材料的设计理论以准应变硬化模型[7,33,50]为基础,以文献[52,36]提出的准应变硬化性能参数为重要补充,在具体实施设计过程中还应充分考虑纤维的可加工性和水泥基复合材料的可搅拌性的限制,并且在多数情况下还应充分考虑对材料收缩的控制。

2.1.1准应变硬化模型[7,33,50]

产生多条细密裂缝是ECC材料在直接拉伸荷载作用下表现出准应变硬化特性时的典型特征。纤维增强脆性基体材料若要产生多条细密裂缝必须同时满足两个准则,即稳态开裂准则和开裂强度准则。以上两个准则必须同时满足,否则材料受力开裂后由于裂缝局部化扩展而立即进入软化阶段,无法产生多条裂缝。

(1)稳态开裂准则

根据MarshallandCox1988年的研究[51],使用J积分来推导裂缝推动力表达式,Jb代表纤维桥联区的能量消耗。在稳态开裂(即裂缝扩展时,除裂缝尖端附近很小的区域外,裂缝宽度不会随着距裂缝尖端距离的增加而增加)过程中裂缝推动力等于Jtip,即裂缝尖端韧度。在纤维掺量较低的复合材料中,裂缝尖端韧度大体与基体韧度相当。因此:

Jtip=Jb=σssδss-

δ

ss

&σ(δ)dδ(3)

σss≤σ0(4)式中:σss为稳态开裂应力;δss为稳态开裂应力对应的保持稳定的裂缝开口宽度。如果稳态开裂应力小于最大桥联应力,则满足稳态开裂准则,否则,Griffith裂缝将成为主导破坏模式。

根据公式(4),则有裂缝尖端断裂韧度Jtip必须小于Jb',表达式如下:

Jtip≤σ0δ0-

δ0

&σ(δ)dδ=Jb'(5)式中:Jb'代表余能。该准则经常会因为σ(δ)曲线上升段消耗的能量不足并且(或者)裂缝尖端断裂韧度过高而无法得到满足。

(2)初始开裂应力准则

该准则要求初始的拉伸开裂应力σfc必须小于最大桥联应力σ0,即桥联应力决定了其所能承受的荷载不能超过最大桥联能力,否则将会由于纤维的断裂或者拔出而使承载力突然下降,如此一来,荷载也就无法传递回基体,更不会产生新的裂缝。该准则表达式如下:

σfc<σ0(6)这一准则经常会因为初始缺陷尺寸过小或者基体断裂韧度过高导致初始开裂强度过高而无法得到满足。2.1.2准应变硬化性能参数

1998年Kanda和Li[52]参考了Aveston等人[47]的研究工作,使用χtestd/χd(其中χd是利用理论计算得到的裂缝间距,而上标‘test’表示对应的裂缝间距为实测值)作为表征ECC产生多条细密裂缝饱和程度的指标,在此基础上将其与微观力学模型参数Jb'/Jtip和σ0/σfc建立联系,其中基于能量的性能指标Jb'/Jtip对应于材料满足稳态开裂准则的富余程度,基于应力的性能指标σ0/σfc对应于材料满足开裂应力准则的富余程度。能量指标或者强度指标必须同时大于1,否则对应复合材料都将不会展现准应变硬化性能,即使由于材料的离散性使部分复合材料可产生多条裂缝,表现出准应变硬化特性,这种性能也是不稳定的;如果两个指标都仅稍大于1,对应材料可产生不饱和的多条细密裂缝,对应复合材料仅具备很小的拉应变能力,

50

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?第41卷第6期图7

PVA-ECC基于微观力学的设计流程图[36]

Fig.7FlowchartofPVA-ECCdesignbasedon

micromechanics

再次考虑到材料的离散性,这样的性能同样是没有保障的;因此若想使ECC材料获得稳定的准应变硬化特性,必须同时保障两个指标有一定程度的富余。充分考虑到材料的离散性,并保证复合材料能够具备饱和的准应变硬化特性,对于PE-ECC,应该同时满足

Jb'/Jtip>3和σ0/σfc>1.2

[52]

;而对于PVA-ECC,由于对

应复合材料在受力开裂过程中,纤维发生断裂破坏,纤维最大桥联应力离散性大,因此要求强度富余指标

适当提高,取σ0/σfc>1.45

[36],而能量指标与PE-ECC相同。

2.2超高韧性水泥基复合材料组分即纤维、基体和界面的选择

纤维、基体和界面特性的选择将决定复合材料硬

化后的性能,图7以PVA-ECC为例,给出了PVA-ECC基于微观力学设计的流程图[36]。对于指定的材料参数范围是否可行,这完全依赖于我们对材料参数的控制程度。例如,若想将材料的缺陷尺寸仅仅指定在几个微米变化范围内,或者将纤维基体间相互作用参数指定在很窄的范围内,这些在现实中都是无法实现的。因此,在制定各参数范围时,应充分考虑现实的可行性[36]。

对于纤维本身来说,应该尽量选择强度高、弹性模量高、伸长率高的柔性合成纤维。根据微观力学模型的预测[36],如果纤维强度低于1000MPa,那么即使是在化学黏结强度较低的情况下,对应复合材料的余能也会非常普通,而在高化学黏结强度的情况下甚至会变得更低,从而不利于准应变硬化性能的实现。但需说明的是,纤维的高强度只有当与适宜的长度相配合时,才能更有效地提高桥联应力和余能,否则,过短时会因为纤维过早拔出而无法发挥高强度的作用,而过长时,纤维发生断裂破坏的趋势就会增加,断裂后的纤维不再具备桥联作用。研究[36]表明,当纤维长度<2Lc(Lc即临界嵌固长度)时,增加纤维的长度可明显提高复合材料的抗拉强度和余能,而超过这一长度后增加的趋势变缓,并且纤维过长时还会带来搅拌和分散的困难。ZhongLin与Li在1997年的研究[53]中发现,纤维从基体中拔出时发生的剪切应力滑移硬化现象有助于提高复合材料的极限拉应变能力和断裂能,但只有当纤维满足βLf/2df>2(其中β为滑移硬化系数)的条件时,这种提高作用才开始变得显著,因此,纤维长而细是有利的,然而在实际应用中纤维的长度选择还应受到复合材料的拌和性能和在使用过程中可能发生的断裂的限制。Zhang和Li

2002年的研究[54]表明,纤维的高弹性模量有助于降

低纤维在基体中的强度损失。日本纤维公司在1999年的研究报告[55]中指出,纤维伸长率高可减小纤维在基体中的强度降低系数,利于纤维强度的充分发挥。在对非合成纤维增强ECC的研究中,Li和Obla[20]发现碳纤维虽然具有高强度和高弹性模量,但在搅拌过程中折断现象严重,使用抗拉强度为4600MPa,弹性模量为268GPa的碳纤维,体积掺量用到3.0%时对应的水泥基复合材料仍无法具备准应变硬化性能,经过调整,改用强度和弹模都高很多的碳纤维时,虽然获得了准应变硬化性能,但对应拉应变能力也仅仅为

0.9%,并且这时候的纤维体积掺量已经达到了4%,这

显然不符合经济性要求;而使用直径为150μm的钢纤维增强的ECC,虽经使用偶联剂和高频振捣等手段具备了准应变硬化性能,但对应拉应变也仅仅达到0.

5%[22];显然,如果考虑到材料性能的离散性,那么无

论是碳纤维增强ECC还是钢纤维增强ECC,它们的性能都是没有充分保障的,因此,现有的钢纤维和碳纤维并不适合用来制作超高韧性水泥基复合材料。

徐世烺等?超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

51

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?土木工程学报2008年

(1in?kip=0.1130kN?m,1in=25.4mm)图8弯矩、裂缝宽度-曲率曲线[58]

Fig.8Momentandcrackwidth-curvaturediagrams

对于基体来说,根据稳态开裂准则的要求Jtip<Jb',而裂缝尖端断裂韧度与基体断裂韧度有如下关系[7]:

Jtip=

K2m

Ec

(5)

同时,根据开裂应力准则的要求,基体的断裂韧度和开裂强度越低越有利于准应变硬化性能的实现。基体低弹性模量将有助于降低纤维在基体中拔出时的强度损失[55],因而有利于材料应变硬化性能。基体的组成,通常包含精细砂、水、水泥、活性矿物细掺料和化学添加剂,这些成分的比例和用量决定了基体的性质。Li等人在1995年的研究[56]表明,当粒径大于

250μm时,砂子的高用量和低水灰比将导致基体的

高韧度,不利于准应变硬化性能的实现。但水灰比也不宜过高,否则对应材料的抗压强度和开裂强度都会过低,并会因此限制材料在工程中的推广应用;与此同时,纤维在基体中的摩擦黏结强度有个最佳范围,当水灰比过高时,对界面过渡区产生的影响,将致使摩擦黏结强度低于这个最佳的范围值。基体中的孔隙大小和分布基本上决定了复合材料缺陷尺寸的大小和分布,Li和Leung1992年[7]指出,若要产生新的裂缝,纤维增强复合材料中的缺陷尺寸必须大于最小缺陷尺寸要求,因此,基体中孔隙的大小和分布也将对复合材料产生多条细密裂缝的过程产生重要影响。在基体中使用一定量的低钙粉煤灰是有利的,Cynthia

Wu的研究

[36]

表明,粉煤灰有利于降低PVA纤维在

基体中原本过高的滑移硬化效应,在我们进行的

SEM观测中也发现,部分粉煤灰细颗粒将会附着到

纤维表面,避免了纤维和基体水化产物的直接接触,降低了基体对纤维的削刮作用。在化学添加剂中,最常用的是减水剂和HPMC,减水剂可以降低用水量,改善新拌复合材料的工作性能,HPMC通常用来降低ECC在新拌状态时的流动性损失[24],但事实上它是作为增稠剂来改善纤维在基体中的分布。

纤维基体界面,其特征参数主要有化学黏结强度和摩擦黏结强度。对于PE-ECC,因为PE纤维属憎水性纤维,所以纤维与基体间不存在化学黏结,仅有摩擦黏结,这类ECC属纤维拔出型破坏;摩擦黏结强度的提高有利于发挥纤维的高强、高弹模,起到降低纤维临界体积掺率的作用,Li等[57]为提高纤维在基体中的摩擦黏结强度,利用等离子体技术对PE纤维进行表面处理,结果对应复合材料的极限抗拉强度和极限应变能力都得到了显著提高。对于

PVA-ECC,由于PVA纤维属亲水性纤维,纤维与水

泥基基体间存在很强的化学黏结,同时亦存在摩擦黏结,材料破坏时属纤维断裂型,为提高复合材料的准

应变硬化性能,应使化学黏结强度尽量低,而文献[36]中纤维表面涂油处理技术的成功应用很好地证明了这一点。

超高韧性水泥基复合材料的实际工程应用

3.1

提高钢筋混凝土结构耐久性[58]

在钢筋混凝土结构中,氧气和水穿越裂缝到达钢

筋表面是钢筋发生锈蚀的必要条件[59],而侵蚀性物质则一般是随着水迁移到钢筋混凝土构件内部的。

Tsukamoto的研究

[60]

表明,水向混凝土内部渗透的

速率与裂缝宽度的三次幂成正比,并且当裂缝宽度小于一定临界值后便不会有水可以渗入到混凝土内部,并且纤维的掺入还可以进一步降低渗透速率,对应素混凝土的临界裂缝宽度为0.1mm,掺1.7%聚丙烯腈纤维的混凝土为0.14mm,掺1%钢纤维的混凝土为0.155mm。文献[61]指出,一般的工业及民用建筑,宽度小于0.05mm的裂缝对使用(防水、防腐、承重)都无危险性,因此可以假定宽度小于0.05

mm裂缝结构为无裂缝结构。对于最恶劣暴露条件下

钢筋混凝土构件裂缝宽度的限值,美国ACI224委员会规定为0.102mm[62],欧洲共同体委员会1984年版混凝土结构规范建议为0.10mm[63],我国《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)的2005年修订版中规定的裂缝宽度限值为0.10mm[64]。

1995年Maalej和Li[58]研究利用具有约5.4%拉

应变能力的PE-ECC替换受拉区钢筋两侧各一倍保护层厚度范围内的混凝土,试验采用三分点加载进行弯曲试验,对应梁跨度为914.4mm,横截面尺寸为

152.4mm×114.3mm,受拉钢筋配筋率约0.0147,

纯弯段未配置任何抗剪钢筋,试验采用同样配置的钢筋混凝土梁作对比试件,试验加载速率为0.0254mm/s。

52

?

?第41卷第6期图9

MDOT现场修补应用混凝土裂缝与ECC裂缝之比较[65]

Fig.9ComparisonofcrackmodesinMDOTfieldrepair

betweenconcreteandECC

在试验中发现,钢筋混凝土梁对比试件,在荷载达到4kips(即17.8kN,约为峰值荷载的六分之一)时便

开始出现裂缝,而后荷载以恒定的速率增长,在变形达到一定程度后钢筋开始屈服,荷载增长的速度变慢,在整个过程中弯曲裂缝宽度随着试件曲率的增加以较快的速率变宽;使用ECC作保护层的钢筋混凝土试件虽然也在几乎相同的荷载下开裂,但在ECC部分几乎看不见裂缝的存在(在上部混凝土内清晰可见),而后随着荷载的不断增加ECC中不断产生新的裂缝,并且试验中会发现,混凝土中的裂缝遇ECC便离散成很多的细密裂缝;以上两种试件弯矩-曲率和裂缝宽度-曲率关系如图8所示,比较发现虽然使用ECC作保护层的试件和对比梁试件中钢筋屈服(对应曲线上斜率开始明显变小位置)时对应的荷载基本相同,但前者的极限承载力明显高于后者,并且最为关键的是前者裂缝宽度增长的速率要明显低于后者;在图上可以量出对比梁试件钢筋屈服(对应弯矩约为97in?kip,即10.961kN?m)时的裂缝宽度约为0.240mm,使用ECC的试件为0.025mm(根据文献[61]的观点,可以认为是无害裂缝);当裂缝宽度达到0.100mm时,对比梁试件对应的弯矩值仅在60in?kip(6.78kN?m)左右,而使用了ECC的试件对应约135in?kip(15.255kN?m)。根据结构设计和工程应用实际,可以发现大多数结构在正常使用荷载条件下,钢筋一般还未达到屈服状态,因此根据上面的试验结果,可以认为使用PE-ECC替换受拉钢筋两侧各一倍保护层厚度范围内的混凝土可以基本上避免钢筋腐蚀的开始,从而可以极大的提高钢筋混凝土结构的耐久性。而根据直接拉伸试验中PVA-ECC可以较PE-ECC将裂缝控制在更小宽度范围内的事实

[34]

,我们可以推断使用PVA-ECC替换PE-ECC,结构

耐久性将得到进一步提高,并且前一种ECC较后者更具性能成本效益[19]。

3.2桥面板的耐久性修补[65-66]

2002年美国的密歇根大学和密歇根州交通局

(MDOT)合作,使用ECC对桥面板进行修补。作为

示范项目,为了便于监控和尽量少地影响交通,且修补厚度尽可能薄,工程地点选在MDOT管辖的一座建于1976年的四跨简支钢梁桥,上部钢筋混凝土桥面板厚9in(22cm),原有用来修补的沥青混凝土已经严重劣化,这座桥虽然交通量不大,但经常通过许多11轴的土石方车。在浇筑修补材料前,需要用汽锤将这部分沥青混凝土连带已经劣化的混凝土都除掉,直至7.5cm深(刚好到达顶层钢筋的下表面);用喷砂法除去表面残骸;替换所有已经劣化的环氧涂

层钢筋;此外,为提高修补材料和原有混凝土的黏结,用气锤将修补区域边界上的锯面进行凿毛,并用水进行湿润处理。紧接上面步骤,MDOT的养路工人浇筑混凝土修补桥面,并在临近的区域留出一小块面积待用ECC修补。完成抹面和鼓式搅拌机现场搅拌,浇筑完成以后的工序同前面使用混凝土材料修补的情况,养护2天后通车。

两种修补材料的长期性能通过一系列的现场观测进行比较。修补完成2天后,ECC中无可见裂缝,而混凝土中的裂缝清晰可见,对应宽度约为300μm。在经过了4个月的冬季暴露条件作用后,ECC中发现了许多宽度大约为50μm的微裂缝,而混凝土部分在浇筑完成不久后裂缝宽度便开展到2mm,对应位置出现混凝土劣化和剥落现象。10个月后观察发现ECC部分的裂缝宽度仍保持在50μm,而混凝土部分已经出现严重劣化迹象。约30个月左右,继续观测,ECC部分裂缝宽度依然保持在50μm,而混凝土部分已经严重劣化。在观测期间内两种修补材料的裂缝宽度与时间关系如图9所示。显然,在荷载和环境作用相同的情况下,使用ECC材料修补路面比较使用混凝土材料从浇筑完成开始便显得优越,并且随着时间的推移,这种优势也变得越来越明显,这表明ECC是一种耐久的建筑材料。

3.3使用ECC维修大坝[67-68]

位于日本广岛地区的三鹰大坝在历经60多年的

历史后,坝体表面出现了大量的裂缝,并伴有部分混凝土的剥落,这些都可能导致坝体发生渗水事故;

2003年,日本一公司使用喷射ECC成功地修复了600m2的受损坝面,如图10所示。3.4

ECC在铁路高架桥维修中的应用[12,69-70]

日本的东海道新干线从1964年建成通车,现今已经有40多年的历史,它是日本最早投入使用的高速铁路。2005年,日本一工程公司利用喷射ECC对

徐世烺等?超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

53

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?土木工程学报2008年

图10

日本广岛三鹰大坝修补[67]

Fig.10RepairofMitakaDaminHiroshimaJapan

这些高架桥进行了耐久性修补。模型试验中,喷射了10mm厚ECC的试件在相当于实际20年的疲劳荷载作用下10mm厚的ECC层未出现分层和剥落现象,

与对比梁相比挠度减小了20%,并且避免了裂缝进一步变宽的趋势,ECC的应用有效地分散了拉应力。

3.5无伸缩缝桥面板

[66]

桥梁伸缩缝经常会因容纳温度变形而损坏、渗漏,水和其他侵蚀性物质从伸缩缝位置渗入到桥面板的下部,从而导致桥的梁构件受到侵蚀,遭受一定时间的腐蚀作用后,结构遭到的破坏不再仅仅是要求更换伸缩缝,而是整个严重劣化的钢筋混凝土梁。在无需改造整座桥梁的前提下,构造连续的桥面板上表面,使用桥面板连接板是个非常好的选择[71],连接板连接相邻的简支在桥墩上的两跨桥面板,在防止渗漏的同时也可以容纳温度变形,这项技术在美国的很多州都已经开始使用。但仍存在的问题是:连接板在冬季会因为桥面板的收缩变形承受很大的拉应变而开裂,为控制裂缝宽度,通常使用很高的配筋率,从而导致连接板具有很高的刚度。相邻两跨简支桥面板的刚性连接将明显改变原来的弯矩分布,使构件所受荷载模式完全不同于原来的简支情况,这将导致设计工作变得复杂而困难,进一步讲,连接板部分的混凝土裂缝宽度控制也会因此而变得困难。2001年Gilani[72]

和2003年Li等人的研究[11]表明,使用ECC替代混凝土材料制作连接板,可以有效解决以上难题。ECC的拉应变能力通常为2%~5%,约为混凝土200 ̄500倍,有时甚至会更高,

因此说ECC是承受连接板位

置拉伸变形的理想材料。由于ECC本身固有的可以产生多条细密裂缝的特点,连接板中不再需要布置很多的钢筋来限制裂缝宽度,甚至有可能不需要配置任何钢筋。这样一来连接板就成为柔性部件,在相邻两跨桥面板的变形过程化中起类似铰链的作用,从而可以最小程度地改变原有的弯矩分布。显然,ECC的使用不仅使设计变得简单,并且对裂缝宽度的控制也变得更加有效。

2005年10月,ECC连接板示范工程在美国完

成,为充分容纳桥面板的温度变形,ECC连接板长度设计为桥跨度的5%,该桥共两跨,每跨长30m,所以ECC连接板长度为3m(每跨分布1.5m)。为容纳温度变形、收缩应变和荷载作用下的弯曲变形,在此基础上考虑一定的安全储备,通过简单计算估计,ECC连接板需要提供大约1.4%的拉伸变形能力,显然这远小于ECC实际拥有的变形能力(3%~

5%)。在实验室进行的足尺试验

[11]

证明:ECC连接

板的性能远优于混凝土连接板,前者在疲劳荷载作用下未见刚度损失,在经过了100,000次循环荷载作用后,裂缝宽度仍保持在0.050mm水平;而对应混

凝土连接板在经过100,000次循环荷载作用后,裂缝宽度达到了0.6mm。显然,ECC连接板技术的使用必将推动现有简支桥梁的改造。

3.6

ECC在输水渡槽维修中的应用[12]

2005年3月,日本一家公司使用PVA-ECC对滋

贺县一处受损输水渡槽进行了修补,同时用来作对比的修补材料还有玻璃纤维增强聚合物砂浆。工程完成一个月后,现场检测发现,在使用玻璃纤维增强聚合物砂浆段出现了数条很明显的宏观裂缝,而在

PVA-ECC段仅有微观裂缝,且需要近距离细心观察

才能发现,如图11所示。

3.7ECC在苏黎世火车总站扩建工程中的应用[73]

为提高苏黎世火车总站的运营能力,瑞士联合铁

道公司决定在现有轨道下面建造一条总长800m的隧道,但同时希望能够在不牺牲质量的前提下,既快又省(钱)地完成这个项目,因此他们委托一家公司设计一种新型的隧道。在调研期间,该公司发现:!"在使用常规技术建设隧道的过程中,钢筋的锚固工作将耗费大量的时间和经费;#$在常规技术中使用的钢纤维混凝土本身存在一些问题,最突出的是在振捣密实过程中钢纤维的沉降,而这即使是在使用自密实钢纤

54

?

?第41卷第6期图11使用ECC修复输水渡槽[12]

Fig.11Repairofwaterways

图12位于日本北海道的三原大桥[12]

Fig.12MiharaBridgeinJapan

维混凝土时也同样存在;!"用来驱动火车的电流会有部分流到基座混凝土中,因而混凝土内的钢筋将会因电解作用而遭受腐蚀。隧道中铁路基座的混凝土板,按构造分为两层,底板承受所有的静态和动态荷载,顶板提供足够的横截面来安装轨枕和钢轨。根据铁道公司的要求,基座混凝土顶层混凝土板中不能使用钢筋和锚固装置,不能出现裂缝(有害裂缝)和卷曲,使用的混凝土材料必须严格满足施工性能和抗冻性能要求,两层板间界面的粗糙度可以满足传递所有荷载的要求,在不使用模板的情况下可以浇筑出坡度为

6%的斜坡,对应表面应该平滑无波纹。在这样一种

情形下,该公司首先设计了一种干缩变形仅为普通混凝土的一半的基体,并在此基础上配制ECC。在成功使用ECC这种具有独特高性能水泥基复合材料的基础上,公司圆满地完成了工程任务,相应工期缩短了50%,成本降低了30%。

3.8ECC-钢混杂结构[12,74]

日本北海道三原大桥于2005年建成通车,该桥

桥面板很薄,使用的是钢-ECC复合结构。ECC超高的拉伸韧性和裂缝致密的特点,使得桥面板自重得以降低40%,预计寿命100年。

4ECC的工程应用前景

如前所述,超高韧性水泥基复合材料具有几百倍于混凝土的拉应变能力,无论是在拉伸还是弯曲荷载作用下都具有显著的应变硬化特性,即使是在剪切荷载作用下也可表现出明显的韧性特征,在压力荷载作用下具有较混凝土高的变形能力,它具有优异的裂缝控制能力,通过产生稳定的多条细密裂缝将裂缝宽度控制在很细的范围内,它具有非常高的断裂能,具有对缺口的不敏感性,具有与钢筋的变形协调性;超高韧性水泥基复合材料的加工工艺灵活多变,可工厂预制,可现场浇筑,可挤压成型,可自密实,亦可喷射,此外又有早强和轻骨料ECC等多种类型,因而可以满足各种工程的不同需求。此外,超高韧性水泥基复合材料还具有优异的抗约束收缩性能、优异的抗冻融性能、良好的抗碳化性能和较低的氯离子渗透性等优异性能。

综上所述,可以预见:超高韧性水泥基复合材料可以用来有效地解决混凝土大坝和输水渡槽等的防裂、抗渗问题;将其用作钢筋混凝土结构保护层可有

徐世烺等?超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

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?土木工程学报2008年

图13

超高韧性水泥基复合材料直接拉伸应力应变曲线[81]

Fig.13Uniaxialtensilestressvs.straincurvesofUHTCC

效地对混凝土裂缝进行无害化分散,降低氯离子等有害介质的侵入,从而显著提高结构的耐久性;超高韧性水泥基复合材料又是一种理想的耐久性修补材料,它可对遭受碱骨料破坏的混凝土结构和遭受疲劳荷载与冻融循环共同作用的混凝土结构进行有效修复,从而显著延长建筑物的使用寿命;超高韧性水泥基复合材料的使用可显著提高结构的耗能能力和吸收地震能能力,因此可广泛应用于钢-混凝土混杂结构、抗震节点和抗震阻尼器等;超高韧性水泥基复合材料在未配筋状态下显示出来的优异的裂缝宽度控制能力可有效减少或消除钢筋混凝土构件为控制裂缝宽度而额外设置钢筋的需求,而材料本身优异的抗剪性能也可有效减少甚至消除钢筋混凝土构件对抗剪箍筋的要求,因此超高韧性水泥基复合材料的使用可有效减轻结构自重,从而有助于结构向更大跨度发展;超高韧性水泥基复合材料的出现,也使得无伸缩缝桥面板连接板和拼装式剪力墙等新型结构成为可能,或更好地发挥作用;超高韧性水泥基复合材料所具备的优异的裂缝控制能力以及由此带来的低渗透性,都使得其在蓄水池、污水处理、放射性废物储蓄罐等结构中具备良好的应用前景。总之,超高韧性水泥基复合材料因其具有的超高韧性、优异的裂缝宽度控制能力、低渗透性、良好的耐久性等优异性能,将其用于无论是水工、港工、海工、道路、桥梁还是工业与民用建筑工程中,都将可以使得这些结构变得更安全、更耐久、更可靠,甚至是更经济。因此,随着其优异的性能不断为人所熟知,其组分不断优化,造价逐步降低,超高韧性水泥基复合材料在未来数年内必将得到逐步的推广使用。

5国内研究现状

众所周知,水泥基复合材料无论在研发还是工程

应用过程中都需要遵循的一个重要原则就是要使原材料尽可能地国产化乃至本地化,为此国内很多学者和科研团体都陆续开展了相关研究工作。2000年大连理工大学徐世烺研究团队开始了超高韧性水泥基复合材料的研究工作,并于2003年和2006年先后获得了国家自然科学基金重点项目和南水北调工程建设重大关键技术研究及应用项目的支持。2001年前后清华大学张君也开始了相关研究[75],此外又有中冶建筑研究总院丁一和陈小平等[76]也陆续开始了相关研究及介绍工作。

广义ECC包括超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的最显著特征就是应变硬化和在极限拉应变状态时仍然能够呈现多条细密裂缝。普通的纤维增强水泥基类复合材料进行弯曲试验,当加载过程足够

稳定时,材料也可能表现出一定程度的变形硬化特征,但在直接拉伸作用下仍显示明显的应变软化特征,因此,要检验所配制材料是否为超高韧性水泥基复合材料或广义ECC时,在当前状态下,还必须采用直接拉伸试验方法进行测定。我国的ECC研究很长时间里都受困于即使是在实验室条件下也无法配制出性能稳定的拉应变能力超过3%的超高韧性水泥基复合材料,2006年大连理工大学徐世烺科研团队的高淑龄博士配制得到了拉应变能力为0.7%的PVA纤维水泥基复合材料[77-79],并在此基础上对材料的断裂性能进行了测试,由于其拉应变能力仍然偏低,我们并未将其称为超高韧性水泥基复合材料,而直接称为

PVA-FRCC;2006年张君教授报道了极限拉应变能

力1.65%且平均裂缝宽度63μm的试验结果[75],相应符合广义ECC对拉伸性能的基本要求,但其拉应变能力仍显略低,仍无法称之为超高韧性水泥基复合材料;同年,王晓刚与Wittmann和赵铁军合作发表的文章中报道了极限拉应变仅大约为0.4%左右的试验结果[80]。最近,大连理工大学徐世烺科研团队已经成功配制了多组性能稳定的拉应变能力为3.6% ̄4.2%的超高韧性水泥基复合材料,对应极限拉应变时都能呈现多条细密裂缝,平均裂缝宽度33 ̄90μm,直接拉伸试验曲线及多条细密裂缝的分布情况分别如图13和图14所示;在此基础上进行的薄板四点弯曲试验则证明了该类材料超高的弯曲韧性(如图15所示),四点弯曲梁试验进一步说明了其超强的对裂缝无害化分散能力(如图16所示),带缺口的三点弯曲梁断裂试验则说明了超高韧性水泥基复合材料断裂破坏模式具有显著的韧性特征;此外,所进行的大量试验还表明,超高韧性水泥基复合材料的抗压强度可在20 ̄60MPa之间进行有效的调整,对应弹性模量在12~21GPa范围内变化,超高韧性水泥基复合材料还具有良好的

56

?

?第41卷第6期图14

超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试件上出现的饱和多条细密裂缝(经表面处理后拍摄)[81]

Fig.14

Saturatedmultiplecrackingintheuniaxilatensiontest(phototakenaftersurfacetreatment)

图15超高韧性水泥基复合材料超高的弯曲韧性

[81]

Fig.15UltrahighflexuralductilityofUHTCC

图16四点弯曲梁试验[81]

Fig.16

Four-pointbendingtestsofconcrete,

SFRCand

UHTCC

(c)

试件上出现的多条细密裂缝(经表面处理后拍摄)

(a)混凝土、钢纤维混凝土和超高韧性水泥基复合材料挠度-应力曲线

(b)荷载临近峰值时试件上出现的多条细密裂缝

抗冻融性能和良好的抗碳化性能,将其用作修补材料能够与原有旧混凝土发生良好的黏结,用作混凝土结构永久性模板可以对混凝土裂缝进行有效地无害化分散,从而极大地提高结构的耐久性,我们还进行了其他理论和试验研究工作。这些工作我们将写专文陆续介绍,这里由于篇幅所限就不再加以介绍。

6需要深入研究和解决的问题

关于广义范围内的ECC,美国与日本等国家已

经进行了大量的理论与试验研究工作,并已开始付诸实际工程应用。国内现在虽然已经可以配制出拉应变能力稳定超过3%的超高韧性水泥基复合材料,但由于研究工作起步较晚,所以仍然有大量的研究工作急需开展:

(1)为了加快超高韧性水泥基复合材料本地化的研制工作,需要国家有关产业部门投资生产优质的

PVA纤维;

(2)深入开展超高韧性水泥基复合材料基本力学

性能的研究工作,如对直接拉伸性能、弯曲性能、抗剪性能、抗疲劳性能、断裂韧性等性能的研究;

(3)为了统一超高韧性水泥基复合材料的测试标准,当务之急需要尽快建立超高韧性水泥基复合材料

直接拉伸性能标准化的测试方法;

(4)需要研究超高韧性水泥基复合材料的收缩性能以及在限制收缩条件下的抗裂防裂特性;

(5)深入开展超高韧性水泥基复合材料在工程环境条件下的耐久性能,包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨,以及在日照、淡水、海水及其他有害离子作用下的抗腐蚀性能和老化机理研究;

(6)开展在高腐蚀环境下钢筋混凝土结构的维修加固新方法研究;

(7)开展在输水渡槽、碾压混凝土大坝、面板坝及其他水工建筑防裂抗渗技术研究;

(8)开展在大体积混凝土结构温度裂缝防治应用研究;

(9)开展提高桥梁耐久性、防裂防水新技术研究;(10)开展提高飞机跑道、高等级公路路面耐久性新方法研究;

(11)开展高层建筑抗震新技术应用研究。

徐世烺等?超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

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李贺东(1977-),男,博士研究生。主要从事超高韧性水泥基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构的研究。

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超高韧性水泥基复合材料耐久性能研究

超高韧性水泥基复合材料耐久性能研究 摘要:超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是一种新型建筑材料,它既具有优良的抗拉与抗压能力,同时又具有良好的耐久性能。本文通过两个关于超高韧性水泥基复合材料耐久性的实验,证明了该水泥在工程耐久性能方面具有独特的优势。 关键词:超高韧性水泥基复合材料(UHTCC);耐久性;抗裂缝能力;抗冻融能力 Abstract:Ultra high toughness cementitious composites is a new kind of construction material with excellent tensile and compression resistance and excellent durability. Based on two experiments of the durability of ultra high toughness cementitious composites, the unique advantage of this mateial in durability is proved. Key words: ultra high toughness cementitious composites; durability; anti-crack performance; anti-freeze performance 1 引言 为减少乃至消除混凝土早期收缩裂缝、减小荷载裂缝、提高材料的抗冻性,近年来纤维混凝土材料得到了广泛的应用[1],如聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土等的使用都取得了良好的效果。但这些纤维混凝土在荷载作用下仍然无法有效控制裂缝宽度,在直接拉伸荷载作用下仍表现出应变软化特性,在展示高于普通混凝土韧性的同时通常以较宽的有害裂缝为代价,同时抗冻融循环的能力也不明显。这些都极大地限制了纤维混凝土材料的推广应用。 2006年,针对以上普通纤维混凝土材料在耐久性的问题,我国研发出了超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cement itious Composite,简称UHTCC),该材料能有效控制裂缝宽度和提高混凝土的抗冻能力。 2 超高韧性水泥基复合材料的耐久性研究 2.1 超高韧性水泥基复合材料的抗裂缝能力 在钢筋混凝土结构中,氧气和水穿越裂缝到达钢筋表面是钢筋发生锈蚀的必要条件[2-4],而侵蚀性物质则一般是随着水迁移到钢筋混凝土构件内部的。Tsukamoto的研究[5]表明,水向混凝土内部渗透的速率与裂缝宽度的三次幂成正比,并且当裂缝宽度小于一定临界值后便不会有水可以渗入到混凝土内部,并且纤维的掺入还可以进一步降低渗透速率,对应素混凝土的临界裂缝宽度为0.1 mm,掺 1.7%聚丙烯腈纤维的混凝土为0.14 mm,掺1%钢纤维的混凝土为0.155mm。 2003年Maalej和Li[6]研究利用具有约5.4%拉应变能力的UHTCC替换受拉

浅谈水泥基混凝土材料

浅谈水泥基混凝土复合材料 姓名:陈聪学号:S11085213015 专业:建筑与土木工程44班 摘要: 随着社会快速发展,单一的水泥材料已经不能满足人们日常工程需求,高性能水泥基复合材料既是在近代科技成就的基础上发展起来的,又将在高新技术工程领域中开发应用。本文结合相关论文资料[1]对近年来出现的几种高性能水泥基复合材料进行了初步阐述。 关键词: 高性能水泥基功能复合材料发展状况困惑展望 Abstract:With the development of society, single cement material already can't satisfy people's daily engineering requirements, high performance cement-based composite materials is developed on the basis of modern scientific and technological achievements, and in the development of new and high technology in the field of engineering application. Based on the related papers [1] to the trend in recent years several high performance cement-based composite material has carried on the preliminary in this paper. Keywords:High performance cement-based functional composites; status of development ; Perplexity; Prospect; 第一章前言 论文[1]介绍了国内外水泥基功能复合材料的研究进展及应用,重点对几种重要的水泥基功能复合材料,如导电、压电、介电、磁性、屏蔽等材料的组成、特性、工艺及发展状况进行了综述。 通过查询相关资料[4],对水泥基功能复合材料有了初步的了解,功能材料是指通过光、电、磁、力、热、化学、生物化学等作用后,具有特定功能(导电性、压电性、热电性、磁性和防辐射性)的新材料[1]。随着科学技术的迅速发展,功能单一的传统水泥材料,已不能适应日新月异的多功能工程需要,现代建筑对水泥基复合材料提出了新的挑战,不仅要求水泥基复合材料要有高强度,而且还应具有声、光、电、磁、热等功能,以适应多功能和智能

水泥混凝土路面设计参数(有用)

1、水泥混凝土路面的力学及工作特点 (1)水泥路面的力学特征 ①混凝土的强度及模量远大于基层和土基强度和模量; ②水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度; ③板块厚度相对于平面尺寸较小,板块在荷载作用下的挠度(竖向位移)很小; ④混凝土板在自然条件下,存在沿板厚方向的温度梯度,会产生翘曲现象,如受到约束,会在板内产生翘曲应力; ⑤荷载重复作用,温度梯度反复变化,混凝土板出现疲劳破坏。 (2)水泥混凝土路面的力学模式 ①弹性地基上的小挠度薄板模型; ②弹性地基:因为混凝土板下的基层与土基的应力应变很小,不超过材料的弹性区域; ③弹性板:因为板的模量高,应力承受能力强,一般受力不超过弹性比例极限应力,挠度与板厚相比很小。 ④水泥混凝土路面设计理论:弹性地基上的小挠度薄板理论。 (3)水泥混凝土路面的工作及设计特点 ①抗弯拉强度低于抗压强度,决定路面板厚度的强度设计指标是抗弯拉强度; ②车轮荷载作用主要的影响是疲劳效应; ③温度差造成板有内应力,出现翘曲变形及翘曲应力,也有疲劳特性; ④板的使用还受限于支承条件,不均匀支承及板底脱空对板内应力的分布影响极大。 2、水泥路面的主要破坏类型与设计标准 (1)水泥路面的主要破坏类型 ①断裂 ②唧泥 ③错台

④拱起 ⑤接缝挤碎 (2)水泥路面的荷载作用 重载作用 (3)水泥路面的设计标准 ①结构承载能力 控制板不出现断裂,要求荷载应力与温度应力的疲劳综合作用满足材料的设计抗拉强度,即: ; ②行驶舒适性 控制错台量,要求设置传力杆(基层及结构布置满足) ③稳定耐久性 控制唧泥与拱胀,要求基层水稳定性好,板与基层联结。 3、水泥路面结构设计的主要内容 (1)路面结构层组合设计; (2)混凝土路面板厚度设计;

纤维增强水泥基复合材料

纤维增强型水泥基复合材料 一、纤维增强型水泥基复合材料的概述 纤维增强型水泥基复合材料是以水泥与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体作为基体,以不连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。 普通混凝土是脆性材料,在受荷载之前内部已有大量微观裂缝,在不断增加的外力作用下,这些微裂缝会逐渐扩展,并最终形成宏观裂缝,导致材料破坏。 加入适量的纤维之后,纤维对微裂缝的扩展起阻止和抑制作用,因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。 二、纤维增强型水泥基复合材料的力学性能 在纤维增强水泥基复合材料中,纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展,具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。 ? 2.1 抗拉强度 ?在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形,纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷,可使水泥基材料的抗拉强度得到充分保证;当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时,可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。 ? ? 2.2 抗裂性

在水泥基复合材料新拌的初期,增强纤维就能构成一种网状承托体系,产生有效的二级加强效果,从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生; 在硬化过程中,当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时,如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载,则纤维能承受更大的荷载,纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。 ? 2.3 抗渗性 纤维作为增强材料,可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展,减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外,纤维起了承托骨料的作用,降低了材料表面的析水现象与集料的离析,有效地降低了材料中的孔隙率,避免了连通毛细孔的形成,提高了水泥基复合材料的抗渗性。 2.4 抗冲击及抗变形性能 在纤维增强水泥基复合材料受拉(弯)时,即使基体中已出现大量的分散裂缝,由于增强纤维的存在,基体仍可承受一定的外荷并具有假延性,从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。 2.5 抗冻性 纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用,从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散,提高材料的抗冻性;同时,水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。 ?纤维的纤维掺量对混凝土强度的影响很大 ?合成纤维可有效地控制由混凝土内应力产生的裂缝,使混凝土早期收缩裂缝减少50~90%,显著提高混凝土的抗渗性和耐久性,使混凝 土内钢筋锈蚀时间推迟2.5倍。除抗裂外,合成纤维还能提高混凝土的粘 聚性和抗碎裂性。 ?以聚丙烯合成纤维为例 ?掺入聚丙烯合成纤维后,混凝土的性能将发生变化,当纤维含量适当时,混凝土抗压强度、抗弯强度等均有不同程度的提高。纤维掺量对混凝土强 度的影响见下表。 三、几种主要增强型水泥基复合材料的应用现状

水泥基复合材料

水泥基复合材料 艾ai青摘要: 本文论述了水泥基材料改性用聚合物种类、聚合物改性机理、聚合物改性水泥基材料研究进展和发展趋势。加入了聚合物材料后,水泥基材料的性能,如强度、变形能力、粘结性能、防水性能、耐久性能等都会有所改善,改善的程度与聚灰比、聚合物的品种和性能有很大关系。但也存在不足之处,如抗压强度提高不大,有时还降低,最高使用温度不如普通混凝土等。笔者认为,研究如何大幅度提高聚合物改性水泥基材料的抗压强度和最高使用温度很有意义。 关键词: 关键词聚合物改性水泥基材料进展机理性能 1.引言 普通混凝土因抗压比低,干缩变形大,抗渗性、抗裂性、耐腐蚀性差,密度大,其使用范围受到很大限制。随着工业的发展,出现了钢筋混凝土、自应力混凝土和纤维混凝土。但在这些改进中,胶结材料水泥的性能没有发生改变,因此也限制了混凝土性能的提高。水泥混凝土(砂浆)的一个新动向就是水泥混凝土(砂浆)与有机高分子材料复合,这样可以有效地改善混凝土(砂浆)的性能。因为有机高分子聚合物的长分子链结构以及大分子中的键节或链段的自旋转性,决定其具有与无机非金属材料不同的性质—弹性和塑性[1]。所以在水泥混凝土(砂浆)中加入少量有机高分子聚合物,既可以使混凝土获得高密实度,又不至于使混凝土(砂浆)的脆性加大,这样便可制得高强度、高抗渗和高耐腐蚀性的混凝土。如今,聚合物改性砂浆和混凝土不仅在混凝土结构的修补和维护方面成为一种非常重要的材料,就是在新的建筑中也获得越来越广泛的应用,尤其是在桥面、停车场、码头、瓷砖和石材粘结、建筑防水、防腐等工程领域。 2. 聚合物改性水泥基复合材料 1.1. 改性用聚合物种类 聚合物改性水泥基复合材料是指在水泥混合时加入了分散在水中或者可以在水中分散的聚合物材料,包括掺和不掺骨料的复合材料、水泥浆、砂浆和混凝土。用于水泥混凝土(砂浆)改性的聚合物有四类,即水溶性聚合物、聚合物乳液(或分散体)、可再分散的粉料和液体聚合物。聚合物乳液通常是将可聚合单体在水中进行乳液聚合而获得的,但也有一些聚合物乳液不是通过单体乳液聚合而获得的,如天然橡胶胶乳是直接从橡胶树上获得,再经适当浓缩制成的;环氧乳液则一般是用乳化剂将环氧树脂乳化而成的。可再分散的聚合物粉料一般是由聚合物乳液经喷雾干燥而成的,聚合物粉末与聚合物乳液就像是奶粉与牛奶一样。它对水泥砂浆和混凝土的改性机理与聚合物乳液是相同的,只不过它往往是先与水泥和骨料进行干混,再加水湿拌才重新乳化成乳液。水溶性聚合物品种很多,可以分为三大类:天然水溶性、半合成水溶性和合成水溶性。一般说,水溶性聚合物的用量非常小,通常在水泥质量的0。5%以下,对硬化砂浆和混凝土的强度没有大的影响[2]。因此,水溶性聚合物主要用来改善水泥砂浆和混凝土的工作特性,有时候也可以把其归类为增黏剂。用于水泥改性用的液体聚合物有环氧树脂和不饱和聚脂,在与水泥混合时还要加入固化剂。与聚合物乳液改性相比,使用液体聚合物时聚合物用量要更多,因为聚合物不亲水,分散不是很容易,所以用液体聚合物改性混凝土的情形要比其他类型聚合物少得多。聚合物水泥砂浆的配比一般为,水泥∶砂=1∶2~3(质量比);聚灰比=5%~20%;

高性能水泥基复合材料的性能分析及应用研究概述

高性能水泥基复合材料的性能分析及应用研究概述 发表时间:2019-04-02T11:08:48.373Z 来源:《防护工程》2018年第35期作者:夏春强 [导读] 关系到整个建筑的施工和质量。本文主要针对水泥基复合材料的性能和应用进行分析。 胜利油田营海集团山东东营 257087 摘要:我国建筑业正处于快速发展时期,为提高建筑施工质量,保障建筑使用性能,各种新材料和新工艺不断引入到建筑行业,水泥是建筑施工中使用最多的材料之一,关系到整个建筑的施工和质量。本文主要针对水泥基复合材料的性能和应用进行分析。 关键词:水泥基复合材料;性能;应用 引言 21世纪以来,科学技术高速发展,社会时代飞速进步,伴随着环境恶化、资源紧缺和能源危机问题日益凸显。这些问题的出现对人类的可持续发展提出了新的挑战,同样也对我们材料科学提出了更高的要求。因此,高性能水泥基复合材料的出现和应用将会存在巨大潜力。 1水泥基复合材料的发展 混凝土作为一种力学性能优良的建筑材料,已广泛应用于在土木工程的各个领域。但其仍存在以下两方面的问题:1)由混凝土开裂引起的耐久性问题。结构中的混凝土往往处于裂缝状态。裂缝的形成会引起钢筋锈蚀,降低混凝土的承载能力。同时,外界的有害影响也会侵入结构部件内部,降低结构的耐久性能。2)极端荷载条件下的脆性破坏问题。已有的研究工作表明,在爆炸与冲击等高速动荷载作用下,混凝土材料往往呈现脆性破坏模式,导致结构破坏具有突然性,不利于人员避险。同时混凝土材料失效时会产生飞散的破片从而对结构内部的人员与设备造成伤害。混凝土材料在正常工作荷载下的开裂及在高速动荷载作用下的破碎与剥落的原因在于其本身断裂韧性和抗拉强度的不足。因此,有必要采用一定的方法改善和优化混凝土材料的力学性能,增加其断裂韧性,从而提高其抗拉强度。 近年来,国内展开了对水泥复合材料材料的研究,徐世烺团队的研究成果具有代表性,该团队定义了一种超高韧性水泥基复合材料(UHTCC),使用的纤维体积掺量不超过2.5%,并且硬化后具有应变-硬化的特性。UHTCC在直接拉伸荷载条件下可以观察到多条细小的裂纹,通过测量可发现达到峰值应力时,对应的裂缝宽度能稳定在100μm以内,对应极限拉应变达到3%以上。对纤维体积掺量为2%的PVA-水泥复合材料进行单轴抗压应力-应变曲线分析。结果显示,PVA-水泥复合材料的极限压缩应变(强度下降到峰值应力的20%时对应的应变)是混凝土的5~10倍,峰值应变是混凝土的4~7倍,由此可显示出PVA-水泥复合材料极强的压缩韧性;通过单轴抗拉伸试验,三点/四点弯曲试验和单轴压缩试验探究了UHTCC的力学性能,试验结果证实了UHTCC在不同破坏荷载作用下会通过产生多缝消散能量,具有明显的延性,不会发生脆性破坏,具有良好的整体性。此外,对低收缩率的水泥复合材料单轴抗拉伸、抗压缩性能、弹性模量及极限压缩应变等进行研究,试验结果表明该种水泥复合材料在拉伸时表现出明显的塑性变形,其极限应变、裂缝宽度都有明显的改善;采用快速冻结法将高韧性水泥复合材料与混凝土和砂浆的抗冻融性能进行对比,并且还深入探究了国产PVA纤维与进口PVA纤维对水泥复合材料抗冻融性能的影响,通过300次冻融循环试验,发现国产PVA-水泥复合材料的质量损失率要比进口PVA-水泥复合材料高1%左右。 2水泥基复合材料基本性能 纤维增强水泥基材料一般可划分为变形硬化和变形软化两类,其中变形硬化材料又可细分为应变硬化和应变软化。应变硬化材料具有裂缝形成后的材料强度会大于初裂强度,试件应变均匀且多缝开裂的典型特点。UHTCC材料在直接拉伸和弯曲荷载作用下均表现出应变硬化材料的受力和变形特点。 水泥基复合材料在单轴拉伸试验过程中表现出应变硬化的本构特性,极限抗拉强度可稳定达到6.0MPa,峰值拉应变接近3.6%;且该材料裂缝无害化分散能力突出,即便在峰值荷载作用下,裂缝宽度仍可以有效控制在100μm以内,有些甚至可以控制在50μm以内。 水泥基复合材料的压缩性能试验研究表明,在水泥基体材料中添加适当比例的纤维能改善材料的应力应变关系,使其具有的开裂后的荷载承受能力、压缩韧性和塑性变形性能明显优于混凝土。水泥基复合材料和混凝土的多轴压缩试验发现,与普通混凝土相比,在侧向压力存在的情况下,强度和延性改善幅度更明显。 水泥基复合梁构件承受横向荷载作用时表现出应变硬化和多缝开裂的特点,但与直接拉伸性能并不完全相同。试件受弯出现第一条裂缝后,裂缝宽度可以稳定在非常细窄的水平,此时材料的开裂强度与单向开裂强度几乎相等。随荷载增加,在梁截面弯矩作用较大的范围内先后出现与初始裂缝宽度相当的大量细微裂缝,载荷达到峰值后,某条微裂缝开始局部扩展导致试件失效破坏,破坏时刻材料的极限抗弯强度约为开裂强度的五倍。 3水泥基复合材料研究现状 3.1对矿物掺合料的研究 矿物掺合料,是为了改善混凝土工作性能,节约用水量,调节混凝土强度等级,而在混凝土拌合时掺入天然的或人工的能够改善混凝土力学性能和工作性能的粉状矿物质。活性掺合料是在掺入减水剂的情况下,能够增加新拌混凝土的工作性能,并能提高混凝土的力学性能和耐久性。在高强混凝土中掺入适量的硅灰,在一定程度上增强了混凝土的抗压强度和抗折强度。硅灰能够显著改善混凝土的工作性和耐久性,过量的硅灰的自收缩性大,会降低混凝土的抗压强度。超细石灰石粉具有微集料效应,微显核效应等,能够促进C3S的水化,显著提高混凝土抗压强度。超细高含硅质矿粉增强了集料与胶结料界面的粘结力。通过研究指出,掺10%粉煤灰或矿渣粉不会影响低水胶比浆体的水化进程,粉煤灰对水化进程的延缓效果要优于同等掺量的矿渣粉。双掺超细磨粉煤灰和硅灰能够显著提高混凝土的早期强度。以上研究表明,不同的矿物掺合料单掺、双掺和三掺作用机理不一样,对抗压强度的影响也就会产生不同。矿物掺合料的掺入可以替代部分水泥,降低成本,最根本的是可以降低水化热,优化孔洞结构,增强各相间的粘结,从而提高强度。矿物掺合料在降低水泥水化热的同时,也对水泥水化起到一定促进作用。 3.2对纤维掺量的研究 通过纤维技术与混凝土技术结合,可研制出能够改善混凝土力学性能,提高土建工程质量的高性能混凝土。不同纤维对于混凝土的作用不同,影响程度也不同。例如,钢纤维对于机场、大坝、高速公路等工程可起到抗渗、防裂、抗冲击和抗折性能,合成纤维可以起到预

水泥基复合材料的制备

水泥基复合材料的制备 一、实验目的 (1)了解水泥各种技术性质定义,进一步理解水泥胶凝和硬化的原理,水灰比、掺合料对水泥强度的影响; (2)掌握玻璃纤维增强水泥基复合材料的制备工艺和操作方法; (3)学习水泥相关仪器,例如胶砂搅拌机、振实机等的使用。 二、实验内容 以水泥为基体材料、玻璃纤维为增强材料,制备水泥基复合材料。 三、实验原理 水泥,粉状水硬性无机胶凝材料,加水搅拌后成浆体,能在空气中硬化或者在水中更好的硬化,并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。用它胶结碎石制成的混凝土,硬化后不但强度较高,而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。长期以来,它作为一种重要的胶凝材料,广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。 硅酸盐水泥的化学成分:硅酸三钙(3CaO·SiO2,简式C3S),硅酸二钙(2CaO·SiO2,简式C2S),铝酸三钙(3CaO·Al2O3,简式C3A),铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3,简式C4AF)。 水泥的胶凝和硬化: 1)、3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O(凝胶)+Ca(OH)2; 2)、2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O(凝胶)+Ca(OH)2; 3)、3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(水化铝酸钙,不稳定); 3CaO·Al2O3+3CaSO4·2 H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(钙矾石,三硫型水化铝酸钙); 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2(3CaO·Al2O3)+4 H2O→3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)(单硫型水化铝酸钙); 4)、4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O。 当水泥拌水后,半水石膏迅速水化为二水石膏,形成针状结晶网状结构,从而引起浆体固化。 本实验采用短玻璃纤维为增强材料,将其混合在水泥胶砂里,入模成型,经过养护固化之后,形成复合材料,得到产品。 四、实验仪器和药品 1、原材料:水泥(PC32.5)、河沙、玻璃纤维等; 2、仪器:水泥胶砂搅拌机、水泥胶砂振实机、水泥板块标准模具、天平等。 五、实验步骤 1、模具准备 将水泥板块标准模具表面擦洗干净、拼装、涂抹脱模剂,备用。 2、水泥胶砂原料称量 分别称量水292.5g,水泥450g,河沙1350g,备用。 3、玻璃纤维称量 各组按照配比要求,分别称取20g、30g、40g玻璃纤维,备用。 4、胶砂的搅拌与振实

高性能纤维增强水泥基复合材料的研究

第24卷 第6期2002年6月 武 汉 理 工 大 学 学 报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY V ol.24 No.6 Jun.2002 文章编号:1671-4431(2002)06-0015-04 高性能纤维增强水泥基复合材料的研究 王悦辉 谢永贤 林宗寿 涂成厚 (武汉理工大学)   摘 要: 介绍了在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维制备出高性能水泥基复合材料的研究结果。研究了水灰比(W/C)、砂灰比(S/C)、钢纤维掺量对水泥基复合材料性能的影响;并用XRD 、SEM 分析其微观结构和形貌。试验结果表明:将钢纤维掺入到高性能蒸养水泥中并采用适当的工艺,可制备出抗压强度达133M Pa ,抗折强度达24.5M Pa 的高性能水泥基复合材料。 关键词: 高性能蒸养水泥; 钢纤维; 复合材料中图分类号: T U 5 文献标识码: A 收稿日期:2001-11-20.作者简介:王悦辉(1974-),女,硕士;武汉,武汉理工大学材料学院(430070). 高性能混凝土是当今混凝土材料的发展趋势,降低混凝土结构物能源、资源的消耗,减少污染以获得可持续发展的环境,也正成为混凝土界关注的热点。虽然高性能混凝土的抗压强度比普通混凝土成倍提高,但抗折强度却提高很少,表现为脆性显著增大。为了改善混凝土的脆性,通常在混凝土中掺入钢纤维,制成钢纤维混凝土,改善混凝土的脆性。钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高,弯曲韧性、抗冲击耐疲劳、阻裂限缩能力优异等特点,在工程中得到广泛的应用,取得了良好的技术经济效果。 钢纤维混凝土是以混凝土为基体,非连续的短纤维作为增强材料所构成的水泥基复合材料,钢纤维在混凝土中各向随机分布,跨越混凝土中存在的微细裂隙,并对裂隙产生约束作用,阻止裂隙扩展,从而达到增强的作用。其增强效果主要取决于钢纤维的尺寸,基体的粘结强度及掺量。前两者可由选用的钢纤维原材料来确定,钢纤维的掺量太小增强效果不明显,太大则不易搅拌分散。钢纤维虽然能大大提高混凝土的抗拉强度和韧性,但对混凝土的抗压强度影响较小。而由本试验制得的高性能水泥基材料,在水泥中掺入超细矿渣,具有良好的火山灰效应和微粒充填效应,能改善混凝土的密实性,提高抗压强度和抗渗性。在实验中应用以下基本原理配制超高性能混凝土: (1)去除混凝土中原有的粗骨料,从而消除粗骨料和水泥浆体之间的薄弱界面,增加了整个基体的均质性;(2)以多元粉体细颗粒优化级配,提高整个基体的堆积密度;(3)通过掺加微细的钢纤维,增强韧性;(4)优化搅拌、成型和养护制度;(5)采用外掺硬石膏的蒸养水泥,进一步提高制品强度。 1 试验研究 1.1 试验原材料 (1)水泥 试验用水泥采用作者已研究开发的高性能蒸养水泥[1]。其最佳配比如表1所示。(2)细集料 标准砂,粒径0.25~0.65mm 。(3)减水剂 采用UNF5高效减水剂,掺量为1.0%。(4)钢纤维 选用东洲钢纤维发展公司生产的冷板型钢纤维,见表2。试验用配比见表3、表4、表5、表6。1.2 试件制备 钢纤维在水泥砂浆中的分散、搅拌工艺:采用先干后湿的搅拌工艺,水和高效减水剂混合均匀,按配比将水泥、砂、钢纤维加入到水泥胶砂搅拌机内干搅2min;加入水和高效减水剂湿拌10min,达到钢纤维在水泥砂浆中均匀分散的目的。这种方法可避免钢纤维尚未分散即被水泥砂浆包裹成钢纤球现象。

超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

2009年9月 水 利 学 报 SH UI LI X UE BAO 第40卷 第9期 收稿日期:2008212212 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50438010);南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(J G ZX JJ2006213) 作者简介:徐世 (1953-),男,湖北人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型材料与结构、超高韧性水泥 基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究。E 2mail :slxu @https://www.doczj.com/doc/5f15675576.html, 文章编号:055929350(2009)0921055209 超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能 徐世 ,蔡向荣 (大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室结构分室,辽宁大连 116024) 摘要:研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。本文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和抗裂性能。试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性和高能量吸收能力。极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm 左右。拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,平均裂缝间距1mm 左右。其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。4种试验的结果证明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。 关键词:超高韧性水泥基复合材料;假应变硬化;多缝开裂;高延性;高韧性;高能量吸收能力中图分类号:T U5281572 文献标识码:A 1 研究背景 水利工程是我国的一项基础产业工程,目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发,2008年第四 季度国家新增200亿元中央水利建设投资加快水利基础设施建设。水利工程建设耗资巨大,如果水利工程结构耐久性不足,将增加建筑物使用过程中的修理与加固费用,影响或限制结构的正常使用功能并缩短结构的使用年限,影响效益和安全,不仅造成经济损失,而且严重浪费资源,引发社会问题。因此有必要全方位、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性,延长工程使用寿命,确保国家可持续发展战略在水利建设开发过程中的有效实施。 裂缝是影响水工混凝土质量和耐久性的首要因素,如何有效地控制水工混凝土裂缝的产生和扩展是目前解决水工混凝土结构耐久性问题的关键之一。从材料的角度来讲,控制裂缝的方法主要是减少水泥用量、使用外加剂和添加纤维。其中纤维的添加可以更为有效地控制混凝土裂缝的形成和扩展,提高混凝土的延性和韧性,能较好的解决由于荷载作用或其他变形作用引起的混凝土开裂,成为提高水工混凝土结构耐久性的有效方法之一。 目前各种纤维混凝土的研究和应用已经取得了丰硕的成果,尤其是高性能纤维混凝土的研究和应用在较大程度上解决了混凝土的开裂问题[1-4] 。但是普通的高性能纤维混凝土通常采用较大的钢纤维体积掺量,不仅成本增加,重量大,施工困难,而且其裂缝控制宽度一般在几百个微米,尤其当应变超过 115%时基本上不能再控制裂缝宽度[5] 。根据国内外设计规范及有关试验资料,混凝土最大裂缝宽度的控制标准大致为:无侵蚀介质无防渗要求时013~014mm ;轻微侵蚀、无防渗要求时012~013mm ;严重侵蚀、有防渗要求时011~012mm 。为了能更好的控制混凝土在各种荷载和变形下的裂缝宽度,提高混凝 — 5501—

玻璃纤维增强水泥基复合材料

低水平热储量聚合物相变材料的热传导的调查和研究 姓名:张金标学号:Z09016025 摘要:一种新型的低水平热储量材料已经被阐述。这是一个水与水溶性聚合和交联单体的稳定聚合如聚丙烯酰胺.介绍了定量结果的热物理性质的材料。这些参数是用来描述在板的有限厚度相变前理论方法的进展,计算结果发现,在良好的协议与实验数据的考虑时间冻结和解冻样品。 关键词:能量储存潜热模拟冷储存 命名 A, B, C, D =无量纲数 C, =热容量(kJ kg-’K-l) E, e =浓度(m) k =导热系数(Wm-’K-r) L =潜热(kJ kg-‘) n =整数 Q, q=热量(kJ) r, s =指数 7’=温度(K) t, u =时间(s) x =空间坐标 希腊符号 a = 无量纲系数 x = 扩散系数(m2 s-l) p = 密度(kg m-‘) D = 表面(m2) t = 持续时间(s) 下标 a =理论 b = 最后 c = 相位变换 f = 冰点 i = 冰 WI = 中间 f = 解冻 w =水 o = 最大限度 相变材料的热传导 介绍 各种方式的储热,在一个相对较小的空间,在一个恒定的温度,潜热存储似乎是最有效的一个积累了相当数量的能量,这是很好的适应了各种方案的加热或冷却

建筑物,特别是应用在生产涉及低温间隔,如冷却过程和空调.目前,由于其较高的 成本,选择这样一个系统是唯一的理由时,它提供了重要的优势,存储系统采用显热储存。潜热蓄热系统的设计可以作为一个热交换器之间的相变材料(相变材料)和回收液。传热表面通常是最昂贵的一部分存储系统, 和这对一个显着的成本刑罚潜热的设备。许多调查已进行了解决这一问题,采用直接接触之间的存储介质和回收液。同时,直接接触传热,需要一个稳定的形式 编码,不粘在一起的熔点以上温度。前实验表明,[4-61 很难保持分离而出现不 稳定,导致凝血和聚。到现在为止,没有令人满意的解决这个问题已被发现。一个充满希望的解决方案被提出,使用新材料,保持一致的固体的相变温度以 下。这个想法是包括在一个三维网络聚合物的聚合过程。相变元件,因此,保留在网络,因为界面应力和化学键,无渗出的水发生在一个阶段的变化周期。这种方法含有相变材料应用在水中聚丙烯酰胺。最后的材料仍然是一个好的形状确定样本,无需涂层,并可以直接使用在一个存储单元的 第一部分是本文致力于该结果有关的热物性参数的材料。一个比较之间的物质和商业化是提出并显示实际潜力的这种物质积累大量的能量。 其次是研究材料的热行为的有限扩张的动态条件下的冻结和解冻。许多研究已被用于传热问题的相变,并详细列出了出版的文献关于这一主题可以从隆拿甸尼[ 7]。仿真模型先前制定的[ 8]为样品材料受温度的一步在边界。该方法,在这 一部分,是在这里给出一个完整的描述的进展冻结或融合前板。数值结果显示出很好的符合我们的实验数据和结果的文学经典。最后,用数值计算结果获得全球表达有关时间冻结或解冻的不同参数的问题。 热管材料的研究 准备材料[ 9]可概括如下。首先,混合制成的溶液从两个最初的途径获得:丙烯酰胺和,和起始途径(过硫酸钾)。该混合物,然后保持在313钾,和聚合完成后约12小时。结构材料是图式中图1。样品平行六面体几何实现研究。该材料具有一致性的凝胶,是透明的和非毒性。这是必要的,保持它在有机纲要避免水分蒸发。该材料具有满足2矛盾的制约:最大水的热容量高和最大的聚合物,刚性好;材料含有90%的水似乎是一个很好的妥协。这里报告的结果获得了这一公式。 知识的确切价值的热参数是一个必要的调整一个模型描述的热行为和,因此,为了更好地利用材料。研究开发了热扩散性的测定。实验细胞只允许正常的热通

高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用

史才军等:混凝土中氯离子迁移特征的表征 · 531 · 第35卷第4期 高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用 LI Victor C (Department of Materials Science and Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109–2125, USA) 摘要:高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC)是经系统的微观力学设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料。综述了ECC的研究进展,介绍了配筋ECC结构的耐久性、安全性及可持续性等混凝土必须满足的关键性能。根据ECC近来的应用情况及在工程上推广应用的需要,总结了ECC长期性能方面的研究结果。 关键词:复合材料;纤维;延展性;耐久性;可持续性;安全性;设计;基础设施 中图分类号:TQ172 文献标识码:A 文章编号:0454–5648(2007)04–0531–06 PROGRESS AND APPLICATION OF ENGINEERED CEMENTITIOUS COMPOSITES LI Victor C (Department of Materials Science and Engineering, the University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109–2125, USA) Abstract: Engineered cementitious composite (ECC) is a fiber reinforced cement based composite material systematically designed on the basis of micromechanics and engineered to achieve high ductility under tensile and shear loading. ECC as an emerging con-struction material is overviewed. Emphasis is placed on the accumulated knowledge on durability, safety, and sustainability of rein-forced ECC (R/ECC) structures, recognizing that the concrete of the future must meet these characteristics. In light of recent and fu-ture full-scale field applications of ECC, the limited studies on long-term performance of ECC are also summarized. Key words: composite; fiber; ductility; durability; sustainability; safety; design; infrastructure 混凝土作为建筑材料,其性能已经有了一定程度的改善,但应用于基础设施建设时仍有不足之处,主要存在以下3方面的问题:(1)极端荷载下的脆性破坏。通常所观察到的破坏模式,比如开裂、剥落、冲击或爆炸荷载下的破碎均与混凝土不良的拉伸行为有关[1–3]。(2)正常工作荷载下的破坏。在正常工作荷载下,钢筋混凝土结构耐久性不足的主要原因是混凝土的开裂引发的钢筋锈蚀及其他相关问题[4]。(3)钢筋混凝土结构的可持续性问题[5–7]。基础设施面临的挑战要求未来混凝土必须满足高延展性、高耐久性、可持续性,确保人造设施与自然环境之间的和谐共处。1 高延性纤维增强水泥基复合材料 高延性纤维增强水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC)是经系统设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料[8–10]。采用基于微观力学的材料设计方法、纤维体积掺量仅为2%的ECC,其单轴拉伸荷载下最大应变大于3%[8–11]。使用掺量适中的短纤维能满足不同的施工要求,包括自密实ECC[12]和喷射ECC[13]。目前,通过挤压成型已经生产出了ECC结构构件[14]。在增强结构的安全性、耐久性及可持续性方面,ECC有很大的优势。 图1是聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维 收稿日期:2006–12–25。修改稿收到日期:2007–01–10。 基金项目:美国国家自然基金会MUSES Biocomplexity计划(CMS–0223971, CMS–0329416)基金资助。 第一作者:LI Victor C (1954~),男,教授。Received date:2006–12–25. Approved date: 2007–01–10. First author: LI Victor C (1954—), male, professor. E-mail: vcli@https://www.doczj.com/doc/5f15675576.html, 第35卷第4期2007年4月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 35,No. 4 April,2007

水泥基复合材料定义及常见种类

建筑构件,如内、外墙板、天花板等。 第二章纤维水泥基复合材料 水泥基复合材料可分为水泥基和增强体两部分!目前比较热门的水泥基复合材料为:纤维水泥基复合材料。它通常是指以水泥净浆,砂浆或者混凝土为基体,以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料,也叫纤维混凝土。 在混凝土中加入纤维,可以强化、韧化水泥砂浆,提高水泥基复合材料拉伸、弯曲以及冲击强度,控制裂纹的扩展,改善失效模式和未成型时材料的流动性,是改善其性能的最有效途径。 纤维在水泥基体中至少有以下三个主要作用[2]: 1,提高基体开裂的应力水平,即使水泥基体能承受更高的应力。 2,改善基体的应变能或延展性,从而增加它吸收能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性的改善往往比较显著,甚至在它对基体的增强作用小的情况下也是如此。 3,能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向,减少裂纹的宽度和平均断裂空间。对于早期的水泥基材料来说,由于纤维的存在,阻碍了骨科的离析和分层,保证了早期均匀的泌水性,从而阻止沉降裂纹的产生。不定向分布的纤维有助于削弱砂浆或者混凝土塑性收缩及冻融时的张力,收缩的能量被分散到无数的具有高抗拉强度的纤维上,从而极为有效地增强了混凝土或砂浆的韧性,抑制了微细胞的产生和发展。 第三章纳米水泥基复合材料

水泥是大众建材,用量大,人们还未充分重视使用纳米技术对其进行改性。其实,水泥硬化浆体(水泥石)是由众多的纳米级粒子(水化硅酸钙凝胶)和众多的纳米级孔和毛细孔(结构缺陷)以及尺寸较大的结晶型水化产物(大晶体对强度和韧性都不太有利)所组成的。借鉴当今纳米技术在陶瓷和聚合物领域内的研究和应用成果,应用纳米技术对水泥进行改性的研究,可望进一步改善水泥的微观结构,以提高其物理力学性能和耐久性。 最近,国内外许多学者利用纳米技术,用一定的纳米矿粉代替一部分普通混凝土掺合料,以提高混凝土材料的密实性,从而改善材料的性能。其内在机理是:纳米矿粉表面能高,表面缺陷多,易与水泥石中的水化产物产生化学键合,CSH凝胶可在纳米SiO2和纳米CaCO3表面形成键合;钙矾石可在纳米Al2O3或Fe2O3和CaCO3表面生成;Ca (OH)2更多的在纳米SiO2表面形成键合,并生成CSH凝胶。更重要的是在水泥硬化浆体原有网络结构的基础上又建立了一个新的网络,它以纳米矿粉为网络的结点,键合更多纳米级的CSH凝胶,并键合成三维网络结构,可大大的提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性。同时,纳米矿粉还能有效的填充大小在10~100nm的微孔。由于这类纳米矿粉多数是晶态的,它们的掺入提高了水泥石中的晶胶比,可降低水泥石的徐变。纳米矿粉的掺量一般为水泥质量的1%~3%时就有明显的效果[5]。 采用纳米技术改善水泥硬化浆体的结构,可望在纳米矿粉-超细矿粉-高效减水剂-水溶性聚合物-水泥系统中,制得性能优异的、高性能的水泥硬化浆体-纳米复合水泥结构材料,并广泛应用于高性能或超高性能的水泥基涂料、砂浆和混凝土材料中。在不远的将来,继超细矿粉之后,纳米矿粉将有可能成为超高性能混凝土材料的又一重要组分。这也是传统水泥材料的改进和又一次革命[6]。 第四章水泥基复合吸波材料 隐身技术是一种通过控制和降低武器系统和其它军事目标的特征信号,使其难以发现、识别、跟踪和攻击的综合性技术。因而它广泛应用于运动军事目标,如飞机、导弹、坦克、潜艇等,同时也可用于非运动军事目标,如雷达站、军用机场、军事掩体等。 通过对水泥基复合材料进行改性,使它能够吸收电磁波,从而达到对雷达的隐身性能,即得到所谓的水泥基复合吸波材料。水泥基吸波材料是在水泥或混凝土中掺入吸波剂而具有吸收电磁波功能的一类新型材料。在民用方面,它即可以用来屏蔽电磁波对人体的辐射,达到净化电磁波污染环境的目的;还可以用来防止计算机中心的数据泄密,起到保密作用;在军事上,水泥基复合吸波材料可以起到干扰雷达探测目标,减弱回波信号,使雷达无法探测到地

浅谈纤维增强水泥基复合材料

浅谈纤维增强水泥基复合材料 (卢静娴)一、什么是纤维增强水泥基复合材料? 纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材,以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂缝的扩展和跨越裂缝承受拉应力的作用,因而使复合材料的抗抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。 二、纤维增强水泥基复合材料有哪些特质?(主要指力学性能) 纤维增强水泥基复合材料具有抗裂、大延性、高韧性、抗冲击、抗渗、抗剪、耐高温、耐腐蚀、良好的化学稳定性和优越的能量吸收能力,在减小混凝土裂缝、提高混凝土耐久性、改善混凝土脆性破坏、电学性能等方面都起了重要作用。在纤维增强水泥基复合材料中,纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展,具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。 1.抗拉强度 内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要因素,任意分布的短切纤维在复合材料硬化过程中改变了其内部结构,减少了内部缺陷,提高了材料的连续性。在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形,纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷,可使水泥基材的抗拉强度得到充分保证;当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时,可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。

在水泥基复合材料新拌的初期,增强纤维就能构成一种网状承托体系,产生有效的二级加强效果,从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生;在硬化过程中,当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时,如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载,则纤维能承受更大的荷载,纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。宏观上看,当基体材料受到应力作用产生微裂缝后,纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力,基体收缩产生的能量被高强度、低弹性模量的纤维所吸收,有效增加了材料的韧性,提高了其初裂强度、延迟了裂缝的产生,同时,纤维的乱向分布还有助于减弱水泥基复合材料的塑性收缩及冷冻时的张力。 3.抗渗性 内部孔隙率、孔分布和孔特征是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。以纤维作为增强材料,可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展,减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外,纤维起了承托骨料的作用,降低了材料表面的析水现象与集料的离析,有效地降低了材料中的孔隙率,避免了连通毛细孔的形成,提高了水泥基复合材料的抗渗性。 4.抗冲击及抗变形能力 在纤维增强水泥基复合材料受拉(弯)时,即使基材中已出现大量的分散裂缝,由于增强纤维的存在,基体仍可承受一定的外荷,并具有假延性,从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。

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