应变硬化水泥基复合材料单轴拉伸性能及其温度影响规律研究

摘要

在应变硬化水泥基复合材料(Strain Hardening Cement-based Composite，SHCC)的研究过程中，学者们发现单轴拉伸试验是检验SHCC能否表现出准应变硬化特性最直接可靠的方法，某些纤维材料在弯曲或其他力的作用下能够出现应变硬化现象，但在单轴拉伸作用力下仍表现出了应变软化，而且单轴拉伸应力应变曲线是SHCC的特征曲线。基于这一基础，本文针对应变硬化水泥基复合材料在不同的原材料选择、不同配比、不同龄期以及不同高温、冻融损伤下的单轴拉伸性能进行了试验研究;同时对SHCC在不同条件下的裂缝控制能力这一新课题展开了深入的研究，主要内容如下:
　　(1)SHCC材料中掺入粉煤灰可以有效改善纤维与基体接触面的特性，减弱纤维与基体间的界面黏结力，进而在一定范围内增强了SHCC的应变硬化特性。本文选择了Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰两组对比材料，并对SHCC单轴拉伸性能的影响进行了测定。研究结果发现无论是从强度上还是从应变硬化性能上，Ⅰ级粉煤灰都比Ⅱ级粉煤灰要好很多。
　　(2)从所用细骨料来看，除了少数人选用的是普通河砂之外，多数科研团队还是参考国外选用了石英砂。所以砂子不同种类、粒径对SHCC单轴拉伸性能的影响是目前需要研究的问题。通过对普通河砂、不同粒径石英砂对SHCC单轴拉伸性能及裂缝宽度的影响进行了深入的研究。结果表明石英砂无论是在提高强度上还是在控制裂缝能力上都优于普通河砂，而且石英砂粒径越小这一效果越明显。
　　(3)硅灰的掺入可以有效提高SHCC材料的强度，但对其应变硬化特性及裂缝控制能力的影响是需要研究的课题。通过对不同硅灰掺量的三组试件进行单轴拉伸试验及不同应变下的裂缝开展情况进行观测并运用image pro-plus软件进行数据分析处理。结果表明，硅灰的掺入可以大大提高材料的拉伸强度，且对材料的应变能力影响不大，但对材料的裂缝控制能力产生了较大的负面影响。在工程实际应用中可根据结构对裂缝控制能力或强度的要求对材料配比进行选择。
　　(4)通过试验研究了SHCC（最大粒径为0.3mm石英砂配比）在3d、7d、14d、28d四个龄期下单轴拉伸性能。结果表明，SHCC试件的初裂强度随龄期的延长逐渐增大，而其韧性受强度的影响随龄期延长逐渐减小。
　　(5)高温作用可以促进基体中的各项水化反应，使得试件的强度显著提高，但高温对材料的应变硬化性能及裂缝控制能力有何影响是本课题需要研究的内容。通过对不同配比的三组试件在高温（20-200℃范围内多个温度）损伤下的单轴拉伸性能进行了研究，结果表明石英砂配比材料对温度的敏感性较强，随着温度的升高初裂强度大幅度上升。而另外两组配比试件在高温作用下应力、应变的变化与上组试件的变化趋势基本相同，但幅度有所减小。通过对石英砂组试件在20℃、50℃、80℃、100℃四个温度在不同应变状态下的裂缝控制情况进行了研究，结果表明四个温度下的试件在极限状态下其平均裂缝宽度仍能够控制在80μm以内。
　　(6)研究了SHCC（细骨料为最大粒径0.3mm的石普通河砂）试件在0、50、100、150、200、300次冻融循环损伤之后的单轴拉伸性能，结果表明在拉伸强度稍有降低的情况下，材料仍保持了良好的韧性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 SHCC基本力学性能研究现状

1．3 SHCC的实际工程应用

1．4 本文主要研究内容

第2章 SHCC基本理论

2．1 基体与纤维界面粘结性能

2．2 SHCC的应变硬化机理

2．3 SHCC直接拉伸应力-应变曲线简化模型

2．3．1 SHCC直接拉伸应力-应变曲线分析

2．3．2 SHCC直接拉伸应力-应变曲线简化模型

第3章 试验材料及试件制作工艺

3．1 试验选用材料

3．1．1 聚乙烯醇纤维

3．1．2 粉煤灰

3．1．3 水泥

3．1．4 硅灰

3．1．5 砂子

3．1．6 高效减水剂

3．2 试件成型工艺

3．2．1 试件类型及尺寸

3．2．2 试件制备过程

3．3 单轴拉伸试验加载装置

3．3．1 加载设备

3．3．2 加载方法

3．3．3 数据采集

3．4 裂缝测量试验方法

第4章 试验材料对SHCC单轴拉伸性能影响

4．1 粉煤灰对SHCC单轴拉伸试验性能的影响

4．1．1 试验材科与配合比

4．1．2 试验内容

4．1．3 试验结果及分析

4．2 砂子对SHCC单轴拉伸试验性能的影响

4．2．1 试验材料与配合比

4．2．2 试验内容

4．2．3 裂缝宽度及分布情况的测定

4．2．4 试验结果及分析

4．3 硅灰对SHCC单轴拉伸试验性能的影响

4．3．1 试验材料与配合比

4．3．2 试验内容

4．3．3 裂缝宽度及分布情况的测定

4．3．4 试验结果及分析

4．4 龄期对SHCC单轴拉伸性能影响试验研究

4．4．1 试验材料与配合比

4．4．2 试验内容

4．4．3 实验结果及分析

4．5 本章小结

第5章 高温与冻融损伤对SHCC单轴拉伸性能影响

5．1 高温对SHCC单轴拉伸性能的影响试验研究

5．1．1 试验材料设备及配比

5．1．2 PVA纤维高温测定

5．1．3 试验内容

5．1．4 裂缝宽度测定分析

5．1．5 试验结果及分析

5．2 冻融对SHCC单轴拉伸性能的影响试验研究

5．2．1 试验材料与配合比

5．2．2 试验内容

5．2．3 试验结果及分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在学期间发表的学术论文

致谢