變溫條件下生態(tài)型高延性水泥基復(fù)合材料多尺度本構(gòu)關(guān)系與設(shè)計(jì)理論.pdf

1、生態(tài)型高延性水泥基復(fù)合材料(Ecological High Ductility Cementitious Composites，ECO-HDCC)具有高延性、高能量吸收能力，很好地解決了水泥基材料的脆性。由于這些優(yōu)異的性能，ECO-HDCC材料成為建筑結(jié)構(gòu)中耗能部位的良好選擇。對(duì)于ECO-HDCC的國(guó)產(chǎn)化推廣應(yīng)用，我們還需要考慮到溫度因素的影響。在不同溫度條件下ECO-HDCC的高延性判據(jù)及其設(shè)計(jì)理論，以及變溫條件對(duì)PVA纖維、纖維-基

2、體界面區(qū)、基體和ECO-HDCC多尺度本構(gòu)關(guān)系影響規(guī)律，仍缺乏相關(guān)研究。
　　本文通過引入溫度參數(shù)，對(duì)ECO-HDCC設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正。探究了不同溫度對(duì)纖維、纖維-基體界面、基體以及ECO-HDCC拉伸性能四個(gè)方面性能的影響規(guī)律。率先定義了變溫余能比J'△T和變溫裂縫尖端韌度比J△T兩個(gè)參數(shù)，提出了強(qiáng)度等級(jí)在C25～C55的高摻量粉煤灰ECO-HDCC延性可穩(wěn)定超過0.5％的高延性判據(jù)。并修正經(jīng)典高延性水泥基復(fù)合材料設(shè)計(jì)理論，建立

3、了變溫條件下ECO-HDCC單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，提出了適用于變溫條件下、強(qiáng)度等級(jí)在C25～C55的高摻量粉煤灰ECO-HDCC高延性設(shè)計(jì)理論。
　　首先，研究了溫度變化對(duì)纖維抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，高溫和低溫處理，均使國(guó)產(chǎn)短切特種PVA纖維的抗拉強(qiáng)度降低，其中經(jīng)過180℃處理過后的纖維，其抗拉強(qiáng)度比20℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度降低了29％。
　　并且，探明了不同溫度以及粉煤灰摻量和水膠比的變化對(duì)纖維-基體界面微觀力學(xué)性能

4、本構(gòu)關(guān)系和關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量的增加和水膠比的升高，均會(huì)導(dǎo)致纖維和基體之間的化學(xué)粘結(jié)力和摩擦應(yīng)力降低，且化學(xué)粘結(jié)力對(duì)粉煤灰摻量變化更敏感，摩擦應(yīng)力受水膠比影響更大;經(jīng)過溫度處理后，基體和纖維之間的化學(xué)粘結(jié)降低，其中經(jīng)過0℃處理后的化學(xué)粘結(jié)力最小，為3.053J/m2，相對(duì)于常溫下的化學(xué)粘結(jié)力降低50％左右。同一配比中，化學(xué)粘結(jié)力的大小排序?yàn)?0℃＜60℃＜-30℃＜20℃;摩擦應(yīng)力經(jīng)過溫度處理后增大，-30℃時(shí)摩擦應(yīng)

5、力是20℃時(shí)的1.6～2倍。
　　其次，探究了溫度變化對(duì)ECO-HDCC基體斷裂韌度和彈性模量的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，-30℃～180℃溫度范圍內(nèi)，基體的斷裂韌性隨著溫度的增加而增加，180℃時(shí)的斷裂韌性約為-30℃時(shí)的兩倍;溫度處理降低了基體的彈性模量，低溫對(duì)于彈性模量的降低更加明顯。并且，粉煤灰的加入使得基體的斷裂韌度和彈性模量降低，水膠比的增加同樣使基體斷裂韌度和彈性模量下降。
　　然后，探究了不同溫度以及粉煤灰摻量

6、和水膠比對(duì)ECO-HDCC宏觀拉伸性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):粉煤灰的加入和ECO-HDCC基體強(qiáng)度的變化使得初裂抗拉強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度降低，但是提高了ECO-HDCC的拉伸應(yīng)變。而且，水膠比的變化對(duì)拉伸性能的影響更加明顯。粉煤灰摻量增加20％，初裂抗拉強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別降低22％～26％和14％～21％，極限拉伸應(yīng)變?cè)黾?8％～54％;水膠比增加0.05，抗拉強(qiáng)度降低，幅度分別為15％～18％和12％～19％，極限拉伸應(yīng)變?cè)龃笤龇?/p>

7、120％～188％。溫度對(duì)ECO-HDCC單軸拉伸性能的影響比較復(fù)雜，溫度升高可以適當(dāng)增大ECO-HDCC的抗拉性能，但溫度過高則會(huì)使HDCC的拉伸性能喪失;低溫則有助于ECO-HDCC拉伸性能的提高，抗拉強(qiáng)度和延伸率均有不同程度提高，且在0℃時(shí)性能最佳。
　　最后，提出了變溫條件下的ECO-HDCC拉伸本構(gòu)關(guān)系和設(shè)計(jì)理論。率先定義了變溫余能比J'△T和變溫裂縫尖端韌度比J△T兩個(gè)參數(shù)，提出了當(dāng)變溫余能比J'△T＞0.04、變溫裂

8、縫尖端韌度比0.7＜J△T＜2時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)在C25～C55的高摻量粉煤灰ECO-HDCC延性可穩(wěn)定超過0.5％的高延性判據(jù)。并且，利用雙線性模型，修正了經(jīng)典高延性水泥基復(fù)合材料設(shè)計(jì)理論，建立了變溫條件下ECO-HDCC單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，提出了適用于變溫條件下、強(qiáng)度等級(jí)在C25～C55的高摻量粉煤灰ECO-HDCC高延性設(shè)計(jì)理論。
　　本文研究結(jié)果可為ECO-HDCC的材料設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用，提供理論指導(dǎo)，理論意義和工程應(yīng)用價(jià)