应变硬化水泥基复合材料损伤失效机理研究

【摘要】应变硬化水泥基复合材料(StrainHardeningCement—basedComposite,简称SHCC)在拉伸荷载作用下具有应变硬化特性和多缝开裂特性,其极限拉伸应变可达到4%以上。因此SHCC在控制结构裂缝以及提高结构抗震性能等方面有广阔的应用前景。目前,SHCC的设计理论、基本力学性能、耐久性能等方面的成果较多。但大多数研究是针对未收损伤构件进行的,这与实际工程有一定的差别。所以,本文针对上述问题研究SHCC的开裂损伤机理以及开裂后的耐久性,主要结论如下：(1)采用数字图像处理的方法研究了拉伸荷载作用下SHCC试件成型面和底面的裂缝开展过程,并用数理统计和概率的方法对其进行分析。发现试件底面的裂缝密度低于试件成型面,其平均裂缝宽度大于成型面,裂缝密度、平均裂缝宽度等裂缝宽度统计参数均与拉伸应变呈三次多项式关系,并且通过分析发现拉伸荷载作用下SHCC的裂缝宽度分布可以用Gamma分布进行描述。在此基础上进行毛细吸水试验和氯离子侵蚀试验,研究不同拉伸应变下SHCC的耐久性,同时研究了硅烷浸渍防水处理对开裂SHCC的防护效果。发现随着拉伸应变的增加,SHCC试件的吸水速度增快,吸水量增大,毛细吸收系数随拉伸应变线性增加,氯离子侵入深度和侵入量增大。而硅烷防水处理可以有效地延缓开裂SHCC中水分和氯离子的侵入。最后基于上述研究结果给出了裂缝特征与SHCC渗透性的关系,用于开裂SHCC的耐久性评价。(2)应用中子成像技术,突破SHCC的非透明局限,实现了对SHCC材料在未开裂以及多缝开裂情况下水分侵入过程的可视化成像追踪和定量计算。研究发现：SHCC在无裂缝时,水分侵入量很少；但当多缝开裂且裂缝宽度较大时,水分迅速沿裂缝侵入试件内部,并为裂缝两侧基体提供水源,甚至通过纤维与水泥基体之间的微孔道大量渗透而侵入整个开裂区域。但采用内掺硅烷乳液方法制备的整体防水SHCC在开裂后表现出良好的耐久性。(3)从引起干缩的本质原因——湿度扩散着手,针对应变硬化水泥基材料湿度扩散和干燥收缩提出了一种湿度扩散系数和干缩应力的反演分析方法。在迭代计算过程中引入了遗传算法进行优化。由反演分析法计算得到的SHCC及其基体的失水曲线和收缩曲线与试验曲线基本吻合。表明文中采用的反演算法反演值可信度较好,计算精度较高。同时也表明反演算法具有良好的适应性,可达到多参数反演分析的目的。从试验结果来看：随着环境湿度的减小,SHCC及其基体的失水率和干缩率均增大；所有试件前期失水速度和干缩速度快,后期逐渐减小；SHCC的气态水湿度扩散系数D,小于其基体的D,。随着干燥龄期的增长,试件内部靠近试件表面处由于湿度梯度的作用逐步受拉,甚至达到其抗拉强度,从而引起开裂；当干缩应力达到材料的抗拉强度时,由于该种材料特有的应变硬化特性,其应力并没有软化降低,而是保持该抗拉强度值；随着干燥龄期的增长,试件的干燥前锋逐步向试件内部推进；当试件某位置达到其抗拉强度时,其内部的应力先由抗拉逐步降低并逐步过渡到受压,呈梯度分布。非常直观的呈现了SHCC在干燥收缩过程中的损伤全过程。(4)通过快速冻融试验,研究了不同冻融循环次数下SHCC的相对动弹性模量变化、质量损失率、SHCC棱柱体弯曲韧性、毛细吸水特性、抗氯离子侵蚀性能、碳化性能以及SHCC与钢筋的粘结滑移性能。SHCC经300次冻融循环后相对动弹性模量损失仅4%,质量损失不到2%。纤维的掺入有效的提高了SHCC的抗冻性。随着冻融循环次数的增加,由于PVA纤维与基体界面之间粘结强度的降低,PVA纤维在拉伸作用下的拔出数量增多,而拔断数量减少,从而使得SHCC棱柱体试件的弯曲抗拉强度有一定幅度的下降,但试件跨中挠度增大。冻融前后SHCC试件的毛细吸水试验、抗氯离子侵蚀试验以及碳化试验均表明,冻融作用对其耐久性能影响不大。随着冻融循环次数的增加,钢筋与普通混凝土极限粘结强度近似线性降低。试件发生劈裂破坏。而SHCC粘结试件随着冻融循环次数的增加,钢筋与SHCC极限粘结强度逐渐下降,但降低幅度不大。试件发生拔出破坏。
【作者】王鹏刚；
【导师】赵铁军；F.H.Wittmann；
【作者基本信息】青岛理工大学，结构工程，2014，博士
【关键词】应变硬化水泥基复合材料；裂缝宽度分布；可视化与定量表征；干缩应力；冻融损伤；

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