3.超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

本文将通过单轴拉伸试验
四点弯曲试验 单轴抗压试验 三点弯曲缺口梁断裂试验研究这种超高韧性水泥基复合材料的抗拉 抗
弯 抗压和断裂性能
试验原材料和搅拌工艺
原材料 胶凝材料包括 剂 拌和水为饮用自来水 采用
纤维名称
名义强度
水泥和矿物掺合料 骨料为特制沙 外加剂为商用高效减水
纤维 有关性能参数见表 纤维体积掺量为
和
加
载方式为三分点加载 采用荷载传感器和
测量抗弯荷载和跨中挠度 德国进口的 全自动数
据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理
试验得到的荷载 挠度曲线如图 所示 右侧纵坐标是根据材料力学公式计算得到的抗弯应力
由荷载 挠度曲线可得开裂荷载和开裂挠度 极限荷载和极限挠度 然后分别采用如下公式计算开
裂强度 抗弯强度和极限拉伸应变预测值 计算结果见表
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 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
文献标识码
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
以看出除了梁试件中 号试件的 低于 以外
的弯曲残余强度指标都在
具有相对较高的塑性性能
表 残余强度指标
编号
薄板韧性指标
梁韧性指标
从表 中可 以上 说明
Fra Baidu bibliotek
平均值
试验中观测试件的变形情况和多缝开裂形式可以发现 薄板试件在峰值荷载时产生较大的弯曲变
形 并且保持良好的试件完整性 仅在试件的底面可以观测到大量近似平行的细小裂缝 裂缝宽度
后期强度增加较大 龄期时抗拉强度较 增
加了
试验中观察拉伸试件的开裂情况 可以看到接近极限抗拉强度时 试件的受拉区内产生了大量近似
平行的细密裂缝 采用
裂缝观测仪观测到的峰值荷载附近的裂缝张开宽度在
左右 由于
图 试验测得的荷载 变形曲线
开裂混凝土的抗渗性是裂缝宽度的三次方 所以如此小的裂缝宽度可以有效地阻止侵蚀性物质的侵
拉伸性能 通过直接拉伸试验测定超高韧性水泥基复合材料的拉伸性能 试件尺寸
试件测量标距
试件形式分为不带切口试件和双边切口试件 所有试件均先制成
不带切口试件 试验前采用约 宽的碳化钙锯对部分试件进行双边切口 切口尺寸分别为 和
不带切口试件的试验龄期分别为 和 切口试件的试验龄期为
试验时加载速率
采用荷载传感器和夹式引伸计测量荷载和拉伸变形 德国产 全自动数据采集处理系统
为受拉区高度 与构件截面高度 的比值 根据试验得到的裂缝沿构件高度方向的扩展深度进行
估算 为跨中挠度
由计算结果可见 无论是薄板试件还是梁试件 拉伸应变预测值均在 以上 远大于混凝土的极
限拉伸应变 充分体现了
的高延性性能 预测拉伸应变与实测拉伸应变的误差约为
弯曲韧性是评价材料弯曲性能的重要指标之一 根据试验测量结果 参考
化和多缝开裂的特性 最大裂缝宽度可以控制在
以内 可以有效的防止外界有害物质的侵入 提
高水工结构的耐久性 由于荷载作用下大量细密裂缝的产生使它同时具有高延性 高韧性和高能量吸
收能力 解决了混凝土本身固有的脆性 目前这种材料已经在日本 美国 韩国 瑞士和澳大利亚投入使
用
由于它在提高结构的裂缝控制能力 增加结构的延性 耗能能力 抗侵蚀性 抗冲击性和耐磨性
条数高达 条之多
图 裂缝宽度和裂缝条数随应变的增长关系
从图 和图 中可以看出 双边切口 的拉伸试件 测量标距内的总变形量明显大于切口
的张开变形量 双边切口
的拉伸试件 测量标距内的总变形量与切口的张开变形量大体相当 由
于试件的变形主要来源于试件上产生的裂缝条数和裂缝宽度 测量结果证明纤维具有非常良好的连接
入 如果利用这种材料作为钢筋的混凝土保护层 则可以有效地减慢钢筋的腐蚀速率 提高钢筋混凝土
结构的耐久性 由
裂缝观测仪观测到的裂缝宽度和裂缝条数随拉伸应变的增长关系如图 所
示 从图 可以看出 随着变形的增加 裂缝宽度先增长 当增加到一定值 本试验为
时随
着变形的增加 裂缝宽度不再增加 而裂缝条数随变形的增加近似成线性关系增长 峰值荷载附近裂缝
的纯弯曲段逐渐出现了大量近似平行的细密裂缝 试验中观测到的试件上众多的细密裂缝充分体现了
纤维对基体裂缝的产生和扩展的有效控制作用
抗压性能 试验采用棱柱体试件和立方体试件测定超高韧性水泥基复合材料的抗压性能 试件
尺寸分别为
和
试验龄期
在 的闭环液压
伺服材料试验机上进行单轴抗压试验 采用位移控制 加载速率
进行荷载和变形的数据采集和处理
试验测得的荷载 变形曲线如图 所示
从图 中可以看出 龄期从 增长到 试件的拉伸应变基本没变 而抗拉强度明显增大
由拉伸变形与测量标距的比值计算平均拉伸应变 由抗拉荷载与试件横截面面积的比值计算抗拉强度
计算得 到 的 极 限 应 变 为
抗拉强度为
极限应变为
抗拉强度为
由于矿物掺合料的二次水化反应
基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究
土结构的抗裂防渗性能 世纪 年代初美国密歇根大学成功研制了一种中等纤维体积掺量的随机
短纤维增强高性能水泥基复合材料
简称
它采用聚乙烯纤
维或聚乙烯醇纤维作为增强材 以水泥净浆或特制水泥砂浆为基体 通过细观力学 断裂力学和数理统
计方法选择合理的纤维 基体和界面性能参数 这种新型材料在拉伸 弯曲等荷载作用下具有假应变硬
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
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
时基本上不能再控制裂缝宽度 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
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
作用 可以控制小切口处裂缝的扩展 使小切口试件的多缝开裂形式优于大切口试件 对试件多缝开裂
形式的实际观察也证明了这一点 对比观察两种切口试件的多缝开裂形式 可以看出当双边切口尺寸
较小时 试件在整个测量标距范围内产生均匀分布的多条细裂缝 当双边切口尺寸较大时 多缝开裂仅
限于切口附近 并且裂缝不再近似平行 而是围绕切口呈弧形曲线
和
同时参考文献 中的定义 规定当
时 材料为韧性材料 根据上述定义计算得到的
的韧性指标见表 由计算结果可知 无论是薄板试件还是梁试件 均满足
且随着 的增加
与 之间的差值增大 说明随着变形的增加 材料韧性增加
表 韧性指标
编号
薄板韧性指标
梁韧性指标
平均值
的弯曲残余强度指标计算结果如表 所示 对理想弹塑性材料来说
方面具有显著的效果 所以除了应用于水利工程提高水工结构的抗裂 抗侵蚀 抗冻融等耐久性能以
外 它还可以用于桥梁工程 道路路面工程 地下工程 抗震结构 大变形结构 抗冲击结构和修复结构
等
本文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 通过大量试验研究成功配
制了具有类似于 材料性能的超高韧性水泥基复合材料 简称
用个
分别在试件
两侧的对称位置测量压缩变形 对于棱柱体试件 在两个对应的侧面上分别粘贴相互垂直的应变片 测
量试件受压过程中的压缩应变和横向应变 采用德国进口的 全自动数据采集处理系统进行荷载
变形和应变的数据采集和处理
试验测得的抗压全曲线如图 所示 右侧纵坐标是计算得到的抗压强度 从图 可以看出 无论是
由抗拉荷载与试件切口处横截面面积的比值计算切口试件的名义抗拉强度 双边切口 试件的
名义抗拉强度
双边切口
试件的名义抗拉强度
与无切口试件的抗拉强度对比
可以发现试件的抗拉强度基本不变
弯曲性能 采用薄板试件和梁试件研究超高韧性水泥基复合材料的弯曲性能 试件尺寸分别为
和
试验龄期
分别在 的闭环液压伺服材料试
验机和 的闭环液压伺服材料试验机上进行试验 加载速率分别为
水泥基复合材料 而且它的开裂形式与混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料的开裂形式也明显不同
由于超高韧性水泥基复合材料选择了更为合理的材料参数 使纤维的增强增韧效果得到了更好的发挥
在弯曲荷载作用下 超高韧性水泥基复合材料中的纤维依靠其连接作用控制了裂缝的进一步扩展 并承
担了基体释放的应力 同时依靠界面黏结将应力传递给周围未开裂的基体 诱发新裂缝的产生 使试件
标准 对韧性指
标定义如下 对于薄板试件 以开裂挠度 对应的荷载 挠度曲线下面积 为基准 分别取
峰值荷载时的挠度 对应荷载 挠度曲线下的面积与 的比值为韧性指标 并依次
记为
和
对于梁试件 以开裂挠度 对应的荷载 挠度曲线下面积 为基准
分别取
峰值荷载时的挠度 对应荷载 挠度曲线下的面积与 的比值为
韧性指标 并依次记为
年第四
季度国家新增 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
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
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
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
表
纤维参数
纤维直径
纤维长度
弹性模量
延伸率?
搅拌工艺 首先将胶凝材料和精细沙投入搅拌机中 先干拌而后加水搅拌以使砂浆基体具有良好 的流动性和适宜的黏聚性 最后加入 纤维搅拌 搅拌结束后 纤维分散均匀 没有结团现象 所有 试件均钢模成型 后拆模 放入标准养护室养护 后取出 然后室内放置直至试验
基本力学性能
左右 平均裂缝间距 左右 梁试件在荷载开始下降后 仍然保持完整状态 并且随着荷载的进一步
下降 仅在试件的下部可以观测到明显的局部破坏裂缝 而试件的侧面却可以看到大量细密裂缝 由于
受梁试件横截面上的弯拉应力分布的影响 侧面裂缝间距从下往上逐渐增大
综上所述 超高韧性水泥基复合材料在弯曲荷载作用下的变形能力远大于混凝土和普通纤维增强
控制标准大致为 无侵蚀介质无防渗要求时
轻微侵蚀 无防渗要求时
严重侵
蚀 有防渗要求时
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
收稿日期
基金项目 国家自然科学基金重点项目
南水北调工程建设重大关键技术研究及应用
作者简介 徐世
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
编号
开裂挠度 ?
图 荷载 挠度曲线
表
开裂荷载 ?
主要力学性能指标
极限挠度 ?
极限荷载 ?
比例极限强度 ?
拉伸应变 预测值?
抗弯强度 ?
薄板试件 平均值
梁试件
平均值
开裂强度
抗弯强度
极限拉伸应变预测值
式中 为开裂荷载
为极限荷载
为梁的计算跨度
为试件的宽度和高度
为与荷载形式 支承条件等有关的系数 对于大变形情况下的四点弯曲构件 系数
棱柱体试件还是立方体试件 峰值点以后的下降段与普通混凝土明显不同 没有出现荷载的陡然降低
而是表现出了较为缓慢的下降过程 体现了纤维的增韧效果 表明超高韧性水泥基复合材料较混凝土有
非常明显的峰值后延性
根据抗压全曲线得到的力学性能指标如表 所示 由于立方体抗压强度仅是混凝土划分强度等级
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
左右 拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在 以上
平均裂缝间距 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