超高韌性水泥基復(fù)合材料疲勞斷裂壽命和裂紋擴展規(guī)律研究.pdf

1、超高韌性水泥基復(fù)合材料（Ultra-high toughness cementitious composites，簡稱UHTCC）是由水泥為基礎(chǔ)材料，纖維為增強材料，同時加入精細骨料，以及活性礦物摻合料粉煤灰或硅灰等，組成的新型水泥基復(fù)合材料。通過對基體、纖維和纖維與基體界面之間的組合設(shè)計，得到其具有超高韌性、高抗拉應(yīng)變的能力。國內(nèi)外學(xué)者對UHTCC在靜態(tài)荷載作用下的斷裂性能進行了大量的研究并取得了顯著成果，但目前對該材料在動態(tài)荷載作用

2、下所表現(xiàn)出的斷裂疲勞性能和疲勞裂縫擴展性能規(guī)律的實驗研究卻很少。
　　本文在對UHTCC靜態(tài)荷載作用的基礎(chǔ)上，又進行了動態(tài)荷載作用的實驗研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1)UHTCC三點彎曲靜載斷裂實驗研究
　　通過三點彎曲斷裂實驗對不同種類纖維、不同纖維體積摻加量的試件進行Ⅰ型斷裂實驗研究。研究纖維的種類和不同的體積摻量對改善試件承載能力和變形能力的優(yōu)異。根據(jù)雙K斷裂理論，計算出斷裂韌度的參數(shù)大小，并研究初始縫高

3、比對其的影響。實驗結(jié)果表明:
　　(1)進口PVA纖維摻量在2％時，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象和延性特征。試件的承載能力隨纖維摻加量的增加而增加。
　　(2)在纖維摻入總量為1％的情況下，進口纖維和國產(chǎn)纖維在提高極限承載力方面性能同樣優(yōu)異。但在改善變形能力方面，進口纖維優(yōu)于國產(chǎn)纖維。
　　(3)初始縫高比對于起裂斷裂韌度的影響較小，對于失穩(wěn)斷裂韌度影響較為明顯，隨著初始縫高比的增大而減小。小尺寸試件表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)比較明

4、顯。
　　2)UHTCC動態(tài)荷載作用下斷裂疲勞性能實驗研究
　　在靜載斷裂實驗的基礎(chǔ)上進行動態(tài)斷裂實驗，根據(jù)實驗過程和結(jié)果，研究UHTCC試件的疲勞裂縫模式和疲勞變形演化，分析疲勞壽命的影響因素。得出以下結(jié)論:
　　(1)疲勞荷載作用下，基體試件、國產(chǎn)PVA試件和進口PVA試件的疲勞過程依次明顯，進口纖維試件在疲勞荷載作用也依然表現(xiàn)出較強的變形能力。
　　(2)2％進口PVA纖維試件在疲勞荷載作用下變形可分為3個

5、階段:Ⅰ，變形較快發(fā)展階段;Ⅱ，變形穩(wěn)定擴展階段;Ⅲ，斷裂破壞階段;而國產(chǎn)PVA纖維試件，Ⅰ、Ⅱ階段分界點不很明顯。第Ⅲ階段，過程也較為短暫，存在一定的延性。
　　(3)國產(chǎn)PVA和進口PVA纖維UHTCC試件的Pmax-NF和Smax-NF曲線，呈現(xiàn)出單對數(shù)的線性關(guān)系。
　　(4)UHTCC試件的尺寸效應(yīng)對于疲勞壽命有很大的影響。當應(yīng)力水平較高在0.8左右時，尺寸效應(yīng)對于短壽命的疲勞影響較小。而當應(yīng)力水平較低在0.8以下時

6、，尺寸效應(yīng)對長壽命的疲勞影響較大。
　　3)依據(jù)疲勞裂紋擴展規(guī)律的Paris公式，對UHTCC不同縫高比試件的疲勞裂紋擴展規(guī)律進行研究和計算。用宏觀裂縫覆蓋面積A代替裂紋長度a作為裂紋擴展的參量，得出以下結(jié)論:
　　(1)斷裂能臨界值△Jth可作為超高韌性水泥基復(fù)合材料UHTCC的疲勞裂縫不擴展的門檻值。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知:大尺寸試件的疲勞裂縫擴展門檻值△Jth小于小尺寸試件。相同尺寸試件的縫高比越大，疲勞裂紋擴展門檻值△