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超高韧性水泥基复合材料基本性能与工程应用冻融循环钢筋锈蚀碱骨料反应地震作用钢筋混凝土结构破坏实例研究背景从材料的角度看，导致这些破坏的主要原因是由于混凝土材料脆性性能的根本缺陷抗拉强度低，易开裂起裂后应变软化，宏观开裂模式新材料需要具备的特征：具有足够的延性具有优异的裂缝控制能力超高韧性水泥基复合材料UHTCC：使用纤维掺量不超过复合材料总体积2.5%的短纤维增强，采用常规的搅拌工艺浇筑，硬化后的复合材料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，极限裂缝宽度小于0.1mm，极限拉应变可稳定地达到3％以上的水泥基复合材料。研究背景超高韧性水泥基复合材料(UltraHighToughnessCementitiousComposite)，缩写为“UHTCC”。早期英文名称为“EngineeredCementitiousComposite”缩写为ECC，最早由密歇根大学的VictorLi教授和麻省理工的ChristopherK.Y.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。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”，欧洲称之为“StrainHardeningCementitiousComposites”缩写为“SHCC”。UHTCC基本介绍UHTCC的突出优点可将宏观有害裂缝分散为微细无害裂缝，极限应变所对应的裂缝宽度可有效地控制在0.1mm，甚至是0.05mm以内；超强的能量吸收能力；韧性化剪切破坏特征；与钢筋具有良好的变形协调性；卓越的耐久性与抗疲劳性能；能有效防护结构开裂，提高结构的抗渗性，有效防止有害离子的侵蚀，极大地提高结构耐久性，最大限度节约工程运行成本和维修费用。俄罗斯《大众机械》杂志2007年撰文将其列为使人类生活更加美好的十大科技新技术之首，紧随其后的为相变内存，汽车智能一体化，可印制太阳能板，防伪护照，人体局域网，等离子电弧汽化技术，网络视频技术，聪明药丸，云计算技术。UHTCC基本介绍聚乙烯醇纤维（PVA），其适用于UHTCC的特点有：高的抗拉强度和弹性模量；高的伸长率；与波特兰水泥有良好的化学相容性；亲水性好，可均匀分散在水泥基质中；与水泥基体有良好的粘结性；耐酸碱性好，适用于各种等级的水泥，高的耐久性；较高的耐气候性、对环境无害。PVA纤维的特性长度(mm)直径(μm)抗拉强度(MPa)伸长率（％）抗拉弹性模量（GPa）密度（g/cm3）12391620742.81.3化学分子式性能驱动的结构设计方法PDDA(ISMD)PDDAISMD拉伸强度压缩强度剪切强度基体界面纤维长度纤维强度纤维比表面积材料特性材料微观结构结构性能变形延性承载力耐久性损伤容限应变能力弹性模量裂缝宽度10-910-410-310-210-110110-010210310-810-710-610-5nmmmkmNanostructureMicrostructureCompositeStructuralElementmµmInfrastructureMiharabridge,Japan,2004RoppongiHigh-Rise,Japan,2006Mitakadam,Japan,2003Flexiblepipes,Australia,2005GroveStreetBridge,MI,2005研究历程ECC:美国SHCC:欧洲、南非UHPFRCC:日本DFRCC:日本UHTCC:中国----------------+------------+------------+------------+----------Al2O3----------------------------Al2O3SiO2Al2O3SiO2SiO2SiO2123超高韧性水泥基复合材料的耐久性具有特殊制备工艺的超高韧性水泥基复合材料超高韧性水泥基复合材料基本力学性能4超高韧性水泥基复合材料在结构中的应用5超高韧性水泥基复合材料的应用前景超高韧性水泥基复合材料基本力学性能报告内容直接拉伸基本特性稳定而显著的拉应变硬化性能超高韧性水泥基复合材料基本力学性能0123402468020406080100裂缝宽度/µm应力/MPa应变/%应力-应变曲线裂缝宽度01234024680100200300400裂缝条数应力/MPa应变/%应力应变曲线裂缝条数裂缝条数线形拟合裂缝宽度和裂缝条数的发展稳定的裂缝无害化分散能力极限拉应变能力低于3％的应变硬化水泥基材料控裂不稳定性超高韧性水泥基复合材料基本力学性能直接拉伸基本特性UHTCC峰值点过后没有出现荷载的陡然降低，而是较为缓慢下降。UHTCC材料的泊松比0.23，弹性模量19.3GPa。与混凝土相比，UHTCC弹性模量偏低，受压变形能力大很多。这主要是由于纤维的增韧作用和UHTCC材料内部不含粗骨料而导致。棱柱体试件产生类似于混凝土和钢纤维混凝土的斜向剪切破坏。具有较高的受压韧性和塑性变形性能。棱柱体试件荷载-变形曲线及破坏形态超高韧性水泥基复合材料基本力学性能单轴压缩基本特性显著的变形硬化性能薄板四点弯曲可与金属相比拟的弯曲变形能力裂缝无害化分散优异能力无可见裂缝经显缝处理超高韧性水泥基复合材料基本力学性能梁四点弯曲弯曲性能UHTCC在承受剪切荷载作用下的应力应变曲线具有明显的应变硬化特征，可产生多条细密裂缝，并能够在很长的时间内将裂缝宽度都控制在0.1mm以下。UHTCC具有优异的抗剪性能，其在剪切荷载作用下的破坏模式具有显著的韧性特征，并在受力过程中有效的将裂缝宽度控制在很细的程度上。抗剪性能超高韧性水泥基复合材料基本力学性能UHTCC可以改善以往钢筋与混凝土之间因粘结力过大而导致脆性劈裂破坏的缺陷，UHTCC在钢筋拔出时发生剪切破坏，同时试件表面出现多条放射状细裂纹，具有延性破坏特征(a)加载前(b)钢筋屈服(c)ε=0.007(d)ε=0.011X射线观察粘结裂缝形成过程在试件中部凹槽处起裂，其后这一裂纹宽度并没有继续扩展而是继续产生了大量的粘结裂纹，甚至在钢筋屈服后也是如此UHTCC的多缝开裂变形特性能够消除钢筋与UHTCC之间的应变差异，构件内部应变分布均匀，避免二者间产生剪滞效应，界面剪应力水平非常低。钢筋UHTCC在经历大变形后界面仍保持完好。(Xu&Wang,2008)(Otsukaetal,2003)(Fischer&Li,2003,2007)超高韧性水泥基复合材料基本力学性能与钢筋粘结性能和变形协调性对缺口不敏感性仍保持显著的应变硬化特征0.50.00.20.40.60.81.001000200030004000零荷载试验值平均值极限承载力(N)归一化裂缝宽度理想化塑性材料对缺口敏感对缺口不敏感AB0.20.4UHTCC对初始缺陷不敏感，初始缺陷的存在并不会影响UHTCC的抗拉强度，材料的损伤容限能力高。身具有可靠性和安全性，可以用在锚杆锚固端、预留孔等应力集中部位，能够避免传统水泥基材料脆性破坏的发生(Xuetal,2008)损伤容限测试超高韧性水泥基复合材料基本力学性能试件种类初裂冲击次数破坏冲击次数次数差值破坏时裂缝数目冲击耗能(J)初裂后继续吸收能量(J)混凝土201210934233181钢纤维混凝土471111364262243112939UHTCC23610045980922202444197688UHTCC破坏冲击次数是SFRC的9倍；抗冲击吸收能量是混凝土的48倍、SFRC的9倍；具有优异的能量吸收能力。UHTCC在带裂缝工作性能上具有明显优势。冲击破坏后，混凝土圆柱完全被破坏分成2-3部分；SFRC由于钢纤维连接作用块体之间未完全分离，但也严重受损；UHTCC破坏时落锤形成的坑洞较深，坑洞周围存在大量微细裂缝，形成1个较大缺口，保持很好整体性。经高速射弹冲击混杂纤维UHTCC板试验结果也证实UHTCC在冲击荷载作用下损伤小，整体性好，能量耗散力强。(Xuetal,2008)(Zhangetal,2007)超高韧性水泥基复合材料基本力学性能抗冲击性能UHTCC韧性断裂破坏过程及对裂缝的无害化分散能力0.00.10.20.30.40.50200400600P/NCMOD/mm基体-1002468100.00.51.01.52.02.5P/kNCMOD/mmUHTCC-10-60-30030600.00.20.40.6荷载/kN应变/µε起裂荷载基体-10050010001500200025000.00.71.42.12.8荷载/kN应变/µεUHTCC-10起裂荷载P-CMOD曲线UHTCC在峰值前的非线性特征更为明显，峰值后荷载下降缓慢平稳(a)基体(b)UHTCC荷载-应变曲线三点弯曲梁破坏时裂缝形式基体破坏时裂缝形态为单一裂缝破坏，UHTCC则表现出了多缝开裂破坏形态02460246810Conao/h=0.4SFRCao/h=0.4UHTCCao/h=0.2UHTCCao/h=0.3UHTCCao/h=0.4UHTCCao/h=0.5UHTCCao/h=0.6P(kN)CMOD(mm)具有不同初始缝高比的UHTCC三点弯曲梁断裂试验曲线都具有明显的变形硬化特征基体UHTCC基体UHTCC(Xuetal,2008)断裂性能超高韧性水泥基复合材料基本力学性能混凝土的疲劳破坏取决于一条裂缝的产生，开裂后无法抵抗拉应力，从而发生突然破坏；其整个生命周期近似等于至起裂发生时的循环次数。而UHTCC的疲劳破坏过程既包含起裂也包含裂缝发展。在高疲劳应力水平下，UHTCC的生命周期要比混凝土高很多，疲劳应力水平-生命周期的半对数坐标图中看到UHTCC表现出类似金属的双线性关系。UHTCC混凝土(Xu,2009)抗疲劳性能UHTCC试件在200万次循环时还未发生破坏，并且在相同的疲劳荷载作用下，UHTCC试件的疲劳寿命明显高于PCM试件。(SUTHIWARAPIRAK,MATSUMOTO,KANDA2002)超高韧性水泥基复合材料基本力学性能(a)混凝土(b)UHTCC钢筋锈蚀膨胀会引起环向应力，进而导致混凝土保护层的剥落，严重影响了结构的使用寿命。施加荷载将锥形钢棒压入预留孔洞中来模拟钢筋锈蚀产生膨胀应力的过程。从施加荷载-径向位移关系曲线上来看，两种UHTCC板的承载力和变形能力是混凝土板的三倍以上，UHTCC通过塑性屈服过程来克服膨胀应力，产生了大量呈放射状的微细裂纹。混凝土板破坏时呈单一裂纹的脆性断裂。说明抗剥落能主要取决于材料的拉伸延性，而非材料强度。破坏模式50mm120mm120mm120mm50mm(Li&Stang,2004)抗剥落性能超高韧性水泥基复合材料基本力学性能123超高韧性水泥基复合材料的耐久性具有特殊制备工艺的超高韧性水泥基复合材料超高韧性水泥基复合材料基本力学性能4超高韧性水泥基复合材料在结构中的应用5超高韧性水泥基复合材料的应用前景超高韧性水泥基复合材料基本力学性能报告内容010203040506070809001002003004005006007008009001000UHTCC1NC1UHTCC2NC2PFRCSFRCNC3收缩应变（με）时间(d)010203040506070809002004006008001000120014001600UHTCC1NC1UHTCC2NC2PFRCSFRCNC3收缩应变（με）时间(d)(a)没有养护(b)标养7天干燥收缩应变-龄期曲线UHTCC聚丙烯纤维混凝土混凝土约束收缩条件下各种材料最大裂缝宽度早期湿养护可以避免UHTCC水分蒸发过快而延缓其干缩的速度;在湿养护条件下，UHTCC的90d干缩值要比纤维混凝土以及混凝土试件高;但UHTCC的干缩值远远小于它非线性变形能力，不会影响它的抗裂能力,作修复材料使用时，可使结构具有良好的耐久性能。(Xu&Liu,2009)干燥收缩性能超高韧性