ECO-ECC的制備技術(shù)、性能、微觀機(jī)理及仿真分析.pdf

1、密西根大學(xué)Victor C Li教授和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)工程水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）已有一定的理論研究，由于制備ECC所用原材料PVA纖維和磨細(xì)石英砂昂貴的價(jià)格，使得其廣泛應(yīng)用受到了限制。采用尾砂替代特殊磨細(xì)的石英砂來(lái)制備生態(tài)型ECC（簡(jiǎn)稱ECO－ECC），可以提高ECC的性價(jià)比，同時(shí)也能很好的解決尾砂作為工業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染及避免對(duì)人身、財(cái)產(chǎn)的危害。首先從原材料、配合比以及

2、工藝措施等角度探索了采用尾砂制備ECO－ECC的可行性，并進(jìn)一步研究了ECO-ECC常溫條件下的基本力學(xué)性能和耐久性能，從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析了相關(guān)機(jī)理。為了促進(jìn)ECO-ECC在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)高溫作用下ECO－ECC性能演化及微觀機(jī)理做了深入的研究，對(duì)ECO－ECC的工程特性采用有限元方法進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析。具體內(nèi)容如下： （1）ECO－ECC的制備技術(shù)和基本性能研究 系統(tǒng)研究了ECO－ECC的制備技術(shù)：選擇不同集料

3、（天然河砂、磨細(xì)石英砂、鐵礦尾砂）、不同纖維品種（Kuraray PVA、國(guó)產(chǎn)PVA纖維、鋼纖維）、不同纖維摻量（0．5％、1．0％、1．5％、2．0％、2．5％）和不同水膠比（0．21、0．23、0．29、0．35、0．40），對(duì)ECC的制備技術(shù)與工藝措施等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究了各參數(shù)對(duì)ECO-ECC流變性能及力學(xué)性能如延性、多縫開(kāi)裂、彎曲性能、單軸拉伸性能等的影響規(guī)律，證實(shí)了采用尾砂制備ECO－ECC的可行性，驗(yàn)證了ECO－ECC

4、配合比的合理性。 試驗(yàn)研究了ECO-ECC的軸心壓縮性能、彈性模量、泊松比以及抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線。 ECO-ECC的變形性能和耐久性能也是很重要的一部分，對(duì)ECO－ECC耐久性能也進(jìn)行了初步探索，數(shù)據(jù)表明，不同PVA纖維摻量的試件和基體的收縮變形、滲透性能大致相同，PVA纖維的摻入一定程度上對(duì)碳化有抑制的作用。 （2）ECO－ECC的多縫開(kāi)裂特征微觀機(jī)理分析。 基于“最鄰近函數(shù)理論”的定量表征計(jì)算為研究新

5、型水泥基復(fù)合材料的微觀機(jī)理提供一個(gè)新的方法與手段，并借助這種方法對(duì)ECO-ECC材料粒子間距進(jìn)行了定量表征計(jì)算，給出了細(xì)集料鄰近粒子表面間距的分布情況。依據(jù)纖維間距理論揭示了纖維摻量、纖維品種和水膠比對(duì)ECO－ECC材料多縫開(kāi)裂與應(yīng)變硬化特征的影響規(guī)律及微觀機(jī)理。 （3）ECO－ECC的高溫性能及微觀機(jī)理研究 ECO－ECC作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，研究其遭受超常荷載（如地震）下的特性以及更進(jìn)一步研究其在超常環(huán)境（如火災(zāi)

6、等）下的高溫性能，都有一定的理論價(jià)值。 首先通過(guò)MIP和SEM對(duì)經(jīng)歷過(guò)不同溫度后的ECO-ECC、PC樣品進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明：在經(jīng)歷高溫后，ECO－ECC由于纖維的熔化和水化產(chǎn)物的分解留下大量的微細(xì)通道，微細(xì)裂紋持續(xù)增長(zhǎng)，出現(xiàn)了明顯空間骨架，但ECO-ECC的裂縫擴(kuò)展速度明顯低于PC，并保持較好的完整性，而PC的疏松、現(xiàn)象較為嚴(yán)重。其宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)為，PC抗壓強(qiáng)度衰減絕對(duì)值和相對(duì)值都要大于ECO-ECC，ECO-EC

7、C其抗壓強(qiáng)度的衰減主要發(fā)生在500℃，PC的抗壓強(qiáng)度衰減主要發(fā)生在300℃。 為了深入了解高溫狀態(tài)下ECO-ECC的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，采用帶高溫臺(tái)的ESEM對(duì)在高溫作用下ECO-ECC的微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤研究，并采用帶原位反應(yīng)器的XRD設(shè)備對(duì)升溫過(guò)程ECO－ECC樣品物相組成的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，隨后用Rietveld方法對(duì)ECO－ECC樣品中的物相組成變化進(jìn)行了半定量分析。綜合孔結(jié)構(gòu)、形貌以及物相分析的結(jié)果表明，高溫

8、對(duì)ECO-ECC材料宏觀性能的影響其中很重要的原因是相組成演化的結(jié)果。此外，集料和漿體之間的熱相容性對(duì)受高溫作用ECO-ECC材料的微觀結(jié)構(gòu)的影響也不容忽視。 （4）ECO－ECC的工程特性與仿真分析 通過(guò)采用不同厚度的ECO－ECC材料對(duì)既有混凝土構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)，研究了具有應(yīng)變硬化、多縫開(kāi)裂特征的ECO－ECC的工程特性，并采用ANSYS有限元計(jì)算方法做了仿真計(jì)算與分析，證實(shí)采用一定厚度的ECO-ECC補(bǔ)強(qiáng)可明顯提高既