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第42卷 第9期徐世烺等 超高韌性水泥基復(fù)合材料直接拉伸試驗(yàn)研究 33

構(gòu)及錨桿體系等因應(yīng)力集中而產(chǎn)生災(zāi)難性的突然破壞、使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遭受地震荷載時(shí)受壓區(qū)混凝土過(guò)早崩裂等風(fēng)險(xiǎn)。

近現(xiàn)代大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐都表明,混凝土結(jié)構(gòu)開裂幾乎是不可避免的,在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)

水平下科學(xué)的要求是將混凝土的裂縫控制在有害程度允許的范圍內(nèi)

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和科研團(tuán)體都陸續(xù)開展了相關(guān)研究工作。2000年大連理工大學(xué)徐世烺研究團(tuán)隊(duì)開始了超高韌性水泥基復(fù)合材料的研究工作,并于2003年和2006年先后獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和南水北調(diào)工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目的支持。2001年前后清華大學(xué)張君教授也開始了相關(guān)研究中冶建筑研究總院

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,此外又有

。為減少乃至消除混凝土早期收和青島理工大學(xué)

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等單位也陸

縮裂縫、減小荷載裂縫、提高材料韌性,近年來(lái)纖維混凝土材料得到了廣泛的應(yīng)用,如聚丙烯纖維混凝土、鋼纖維混凝土等的使用都取得了良好的效果。但這些纖維混凝土在荷載作用下仍然無(wú)法有效控制裂縫寬度,在直接拉伸荷載作用下仍表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性,在展示高于普通混凝土韌性的同時(shí)通常以較寬的有害裂縫為代價(jià)。即使為我們通常所熟知的高性能纖維水泥基復(fù)合材料(HighPerformanceFiberReinforcedCementitiousComposites,簡(jiǎn)稱HPFRCC)砂漿滲澆鋼纖維混凝土(SlurryInfiltratedFiberConcrete,簡(jiǎn)稱SIFCON)和砂漿滲澆鋼纖維網(wǎng)混凝土(SlurryInfiltratedMatConcrete,簡(jiǎn)稱SIMCON),其裂縫寬度也仍僅能控制在幾百個(gè) m量級(jí)內(nèi),加之高達(dá)4%~20%的纖維體積摻量

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續(xù)開始了相關(guān)研究及介紹工作。我國(guó)的研究很長(zhǎng)時(shí)間里都受困于即使是在實(shí)驗(yàn)室條件下也無(wú)法配制出性能穩(wěn)定的拉應(yīng)變能力超過(guò)3%的超高韌性水泥基復(fù)合材料,2006年大連理工大學(xué)徐世烺科研團(tuán)隊(duì)的高淑齡博士配制得到了拉應(yīng)變能力為0.7%的PVA纖維水泥基復(fù)合材料

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,并在此基礎(chǔ)上對(duì)材料的斷裂性能

進(jìn)行了測(cè)試,由于其拉應(yīng)變能力仍然偏低,因此并未

將其稱為超高韌性水泥基復(fù)合材料,而直接稱之為PVA-FRCC;2006年張君教授報(bào)道了極限拉伸應(yīng)變能力1.65%且平均裂縫寬度63 m的試驗(yàn)結(jié)果

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,但其

拉應(yīng)變能力仍顯略低,仍無(wú)法稱之為超高韌性水泥基復(fù)合材料;同年,王曉剛與Wittmann和趙鐵軍合作發(fā)表的文章中報(bào)道了極限拉應(yīng)變僅大約為0.4%左右的試驗(yàn)結(jié)果

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,不僅成本難以控制,而且需要特

。大量的試驗(yàn)及工程實(shí)踐表明短纖維增

殊的工藝才能加工成型,這些都極大地限制了HPFRCC的推廣應(yīng)用。

超高韌性水泥基復(fù)合材料(UltraHighToughnessCementitiousComposite,簡(jiǎn)稱UHTCC)依據(jù)微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)理論的指導(dǎo)

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強(qiáng)應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料,只有當(dāng)極限拉應(yīng)變穩(wěn)定達(dá)到3%以上時(shí)對(duì)應(yīng)材料才能具備穩(wěn)定的抗拉變形能力和穩(wěn)定的裂縫無(wú)害化分散能力,顯然,利用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的基體原材料配制性能穩(wěn)定的超高韌性水泥基復(fù)合材料是目前研究工作的當(dāng)務(wù)之急。

眾所周知,在加載過(guò)程足夠穩(wěn)定的情況下,許多纖維混凝土材料都可以表現(xiàn)出彎曲變形硬化特性,但在直接拉伸荷載作用下卻仍然表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征,而諸如超高韌性水泥基復(fù)合材料等應(yīng)變硬化材料,則無(wú)論是在彎曲荷載作用,還是直接拉伸荷載作用下都將表現(xiàn)出明顯的變形硬化(或應(yīng)變硬化)特征,因此,可以認(rèn)為只有直接拉伸試驗(yàn)才是驗(yàn)證纖維水泥基復(fù)合材料是否具有應(yīng)變硬化特性最直接有效的試驗(yàn)方法

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發(fā)展而來(lái),雖然同屬于高性能

纖維水泥基復(fù)合材料,但它卻與SIFCON和SIMCON有著明顯的不同:它僅使用適量的短纖維增強(qiáng),可靈活采用多種方式攪拌加工成型,具有非常高的韌性和優(yōu)異的裂縫寬度控制能力,其具體定義為 使用短纖維增強(qiáng),且纖維摻量不超過(guò)復(fù)合材料總體積的2.5%,使用常規(guī)的攪拌和澆筑工藝便可以加工成型,硬化后的復(fù)合材料應(yīng)具有顯著的應(yīng)變硬化特征,在直接拉伸荷載作用下仍可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫,極限裂縫寬度至少能穩(wěn)定控制在100 m以內(nèi),對(duì)應(yīng)極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%以上。 諸如UHTCC類的應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料一出現(xiàn),就引起了國(guó)際范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注,現(xiàn)已經(jīng)開始在美國(guó)、日本、瑞士、韓國(guó)等地開始實(shí)際工程應(yīng)用,而俄羅斯的 大眾機(jī)械 雜志更是將其作為未來(lái)能使人類生活更完美的 十大新技術(shù) 之一

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。由于直接拉伸試驗(yàn)可以同時(shí)給出拉伸彈性模

量、初裂強(qiáng)度、初裂應(yīng)變、極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變

和極限裂縫寬度等參數(shù),所以該方法無(wú)論是在超高韌性水泥基復(fù)合材料等應(yīng)變硬化材料的配制驗(yàn)證,還是給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等方面都起著舉足輕重的作用。

當(dāng)前,在測(cè)試超高韌性水泥基復(fù)合材料等應(yīng)變硬化材料的直接拉伸試驗(yàn)中最常用的為平板型試件,適用于材料配比的驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)(尤其是薄層及薄壁結(jié)構(gòu))材料參數(shù)的測(cè)定,其中典型的如日本利用啞鈴形試件進(jìn)行的直接拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行的直接拉伸試驗(yàn)

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,因

此,可以預(yù)見在未來(lái)數(shù)年內(nèi)超高韌性水泥基復(fù)合材料必將受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注,并逐步在實(shí)際工程中得以推廣應(yīng)用。水泥基復(fù)合材料無(wú)論在研發(fā)還是工程應(yīng)用過(guò)程中都需要遵循的一個(gè)重要原則就是要使原材料盡可能地國(guó)產(chǎn)化乃至本地化,為此國(guó)內(nèi)很多學(xué)者

及美國(guó)利用矩形薄板試

,這兩種試驗(yàn)方法的實(shí)施無(wú)

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