超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究

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第42卷 第9期徐世烺等 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究 33

构及锚杆体系等因应力集中而产生灾难性的突然破坏、使钢筋混凝土结构在遭受地震荷载时受压区混凝土过早崩裂等风险。

近现代大量的试验研究和工程实践都表明,混凝土结构开裂几乎是不可避免的,在现有的经济和技术

水平下科学的要求是将混凝土的裂缝控制在有害程度允许的范围内

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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教授也开始了相关研究中冶建筑研究总院

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,此外又有

。为减少乃至消除混凝土早期收和青岛理工大学

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等单位也陆

缩裂缝、减小荷载裂缝、提高材料韧性,近年来纤维混凝土材料得到了广泛的应用,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。即使为我们通常所熟知的高性能纤维水泥基复合材料(HighPerformanceFiberReinforcedCementitiousComposites,简称HPFRCC)砂浆渗浇钢纤维混凝土(SlurryInfiltratedFiberConcrete,简称SIFCON)和砂浆渗浇钢纤维网混凝土(SlurryInfiltratedMatConcrete,简称SIMCON),其裂缝宽度也仍仅能控制在几百个 m量级内,加之高达4%~20%的纤维体积掺量

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续开始了相关研究及介绍工作。我国的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

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,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,因此并未

将其称为超高韧性水泥基复合材料,而直接称之为PVA-FRCC;2006年张君教授报道了极限拉伸应变能力1.65%且平均裂缝宽度63 m的试验结果

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,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

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,不仅成本难以控制,而且需要特

。大量的试验及工程实践表明短纤维增

殊的工艺才能加工成型,这些都极大地限制了HPFRCC的推广应用。

超高韧性水泥基复合材料(UltraHighToughnessCementitiousComposite,简称UHTCC)依据微观力学和断裂力学理论的指导

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强应变硬化水泥基复合材料,只有当极限拉应变稳定达到3%以上时对应材料才能具备稳定的抗拉变形能力和稳定的裂缝无害化分散能力,显然,利用国内生产的基体原材料配制性能稳定的超高韧性水泥基复合材料是目前研究工作的当务之急。

众所周知,在加载过程足够稳定的情况下,许多纤维混凝土材料都可以表现出弯曲变形硬化特性,但在直接拉伸荷载作用下却仍然表现为应变软化特征,而诸如超高韧性水泥基复合材料等应变硬化材料,则无论是在弯曲荷载作用,还是直接拉伸荷载作用下都将表现出明显的变形硬化(或应变硬化)特征,因此,可以认为只有直接拉伸试验才是验证纤维水泥基复合材料是否具有应变硬化特性最直接有效的试验方法

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发展而来,虽然同属于高性能

纤维水泥基复合材料,但它却与SIFCON和SIMCON有着明显的不同:它仅使用适量的短纤维增强,可灵活采用多种方式搅拌加工成型,具有非常高的韧性和优异的裂缝宽度控制能力,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%,使用常规的搅拌和浇筑工艺便可以加工成型,硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征,在直接拉伸荷载作用下仍可产生多条细密裂缝,极限裂缝宽度至少能稳定控制在100 m以内,对应极限拉应变可稳定地达到3%以上。 诸如UHTCC类的应变硬化水泥基复合材料一出现,就引起了国际范围内的广泛关注,现已经开始在美国、日本、瑞士、韩国等地开始实际工程应用,而俄罗斯的 大众机械 杂志更是将其作为未来能使人类生活更完美的 十大新技术 之一

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。由于直接拉伸试验可以同时给出拉伸弹性模

量、初裂强度、初裂应变、极限抗拉强度、极限拉应变

和极限裂缝宽度等参数,所以该方法无论是在超高韧性水泥基复合材料等应变硬化材料的配制验证,还是给出结构设计参数等方面都起着举足轻重的作用。

当前,在测试超高韧性水泥基复合材料等应变硬化材料的直接拉伸试验中最常用的为平板型试件,适用于材料配比的验证以及结构(尤其是薄层及薄壁结构)材料参数的测定,其中典型的如日本利用哑铃形试件进行的直接拉伸试验件进行的直接拉伸试验

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,因

此,可以预见在未来数年内超高韧性水泥基复合材料必将受到越来越广泛的关注,并逐步在实际工程中得以推广应用。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

及美国利用矩形薄板试

,这两种试验方法的实施无

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