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1、水利學(xué)報(bào)2009年9月SHUILIXUEBAO第40卷第9期文章編號:055929350(2009)0921055209超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料基本力學(xué)性能徐世,蔡向榮(大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)分室,遼寧大連116024)摘要:研制了采用高強(qiáng)高彈模聚乙烯醇纖維作為增強(qiáng)材,以精制水泥砂漿為基體的超高韌性水泥基復(fù)合材料。本文通過單軸拉伸試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)研究了這種新型材料的抗拉、抗彎、抗壓和抗裂性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,該材料在拉伸和彎曲荷載作用下具有假應(yīng)變硬化和多縫開裂特性,以及高延性、高韌性和高能量吸收能力。極限荷載時(shí)的最大裂縫
2、寬度在50μm左右。拉伸和彎曲試驗(yàn)測得的極限拉伸應(yīng)變在3%以上,平均裂縫間距1mm左右。其抗壓強(qiáng)度類似于混凝土,抗壓彈性模量較低,但受壓變形能力比普通混凝土大很多。通過三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)證明,該材料的峰值荷載及其對應(yīng)變形都較基體有明顯的提高。缺口拉伸試件和缺口梁試件均證明,該材料可以將單一裂縫細(xì)化成多條細(xì)裂縫,同時(shí)該材料具有對小缺口不敏感的特性。4種試驗(yàn)的結(jié)果證明該材料在各種破壞荷載作用下均能保持良好的整體性,不發(fā)生碎裂破壞。關(guān)鍵詞:超高韌性水泥基復(fù)合材料;假應(yīng)變硬化;多縫開裂;高延性;高韌性;高能量吸收能力中圖分類號:TU5281572文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1研究背景水利工程是我國的一項(xiàng)
3、基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)工程,目前我國正在大規(guī)模、高速度地進(jìn)行水利開發(fā),2008年第四季度國家新增200億元中央水利建設(shè)投資加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。水利工程建設(shè)耗資巨大,如果水利工程結(jié)構(gòu)耐久性不足,將增加建筑物使用過程中的修理與加固費(fèi)用,影響或限制結(jié)構(gòu)的正常使用功能并縮短結(jié)構(gòu)的使用年限,影響效益和安全,不僅造成經(jīng)濟(jì)損失,而且嚴(yán)重浪費(fèi)資源,引發(fā)社會(huì)問題。因此有必要全方位、多渠道地提高水工混凝土的質(zhì)量和耐久性,延長工程使用壽命,確保國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在水利建設(shè)開發(fā)過程中的有效實(shí)施。裂縫是影響水工混凝土質(zhì)量和耐久性的首要因素,如何有效地控制水工混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展是目前解決水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的關(guān)
4、鍵之一。從材料的角度來講,控制裂縫的方法主要是減少水泥用量、使用外加劑和添加纖維。其中纖維的添加可以更為有效地控制混凝土裂縫的形成和擴(kuò)展,提高混凝土的延性和韌性,能較好的解決由于荷載作用或其他變形作用引起的混凝土開裂,成為提高水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效方法之一。目前各種纖維混凝土的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了豐碩的成果,尤其是高性能纖維混凝土的研究和應(yīng)[1-4]用在較大程度上解決了混凝土的開裂問題。但是普通的高性能纖維混凝土通常采用較大的鋼纖維體積摻量,不僅成本增加,重量大,施工困難,而且其裂縫控制寬度一般在幾百個(gè)微米,尤其當(dāng)應(yīng)變超過[5]115%時(shí)基本上不能再控制裂縫寬度。根據(jù)國內(nèi)外設(shè)
5、計(jì)規(guī)范及有關(guān)試驗(yàn)資料,混凝土最大裂縫寬度的控制標(biāo)準(zhǔn)大致為:無侵蝕介質(zhì)無防滲要求時(shí)013～014mm;輕微侵蝕、無防滲要求時(shí)012～013mm;嚴(yán)重侵蝕、有防滲要求時(shí)011～012mm。為了能更好的控制混凝土在各種荷載和變形下的裂縫寬度,提高混凝收稿日期:2008212212基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50438010);南水北調(diào)工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用(JGZXJJ2006213)作者簡介:徐世(1953-),男,湖北人,博士,教授,主要從事混凝土斷裂力學(xué)基本理論與工程應(yīng)用、新型材料與結(jié)構(gòu)、超高韌性水泥基復(fù)合材料和非金屬纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)研究。E2mail:s
6、lxu@dlut.edu.cn—1055—土結(jié)構(gòu)的抗裂防滲性能,20世紀(jì)90年代初美國密歇根大學(xué)成功研制了一種中等纖維體積摻量的隨機(jī)[6-8]短纖維增強(qiáng)高性能水泥基復(fù)合材料(Engineeredcementitiouscomposites,簡稱ECC)。它采用聚乙烯纖維或聚乙烯醇纖維作為增強(qiáng)材,以水泥凈漿或特制水泥砂漿為基體,通過細(xì)觀力學(xué)、斷裂力學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法選擇合理的纖維、基體和界面性能參數(shù)。這種新型材料在拉伸、彎曲等荷載作用下具有假應(yīng)變硬化和多縫開裂的特性,最大裂縫寬度可以控制在011mm以內(nèi),可以有效的防止外界有害物質(zhì)的侵入,提高水工結(jié)構(gòu)的耐久性。由于荷載作用下大量細(xì)密裂
7、縫的產(chǎn)生使它同時(shí)具有高延性、高韌性和高能量吸收能力,解決了混凝土本身固有的脆性。目前這種材料已經(jīng)在日本、美國、韓國、瑞士和澳大利亞投入使[9-11]用。由于它在提高結(jié)構(gòu)的裂縫控制能力、增加結(jié)構(gòu)的延性、耗能能力、抗侵蝕性、抗沖擊性和耐磨性[8]方面具有顯著的效果,所以除了應(yīng)用于水利工程提高水工結(jié)構(gòu)的抗裂、抗侵蝕、抗凍融等耐久性能以外,它還可以用于橋梁工程、道路路面工程、地下工程、抗震結(jié)構(gòu)、大變形結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)和修復(fù)結(jié)構(gòu)等。本文采用高強(qiáng)高彈模聚乙烯醇纖維作為增強(qiáng)材,以精制水泥砂漿為
