超高韧性水泥基复合材料疲劳断裂寿命和裂纹扩展规律研究

摘要

超高韧性水泥基复合材料（Ultra-high toughness cementitious composites，简称UHTCC）是由水泥为基础材料，纤维为增强材料，同时加入精细骨料，以及活性矿物掺合料粉煤灰或硅灰等，组成的新型水泥基复合材料。通过对基体、纤维和纤维与基体界面之间的组合设计，得到其具有超高韧性、高抗拉应变的能力。国内外学者对UHTCC在静态荷载作用下的断裂性能进行了大量的研究并取得了显著成果，但目前对该材料在动态荷载作用下所表现出的断裂疲劳性能和疲劳裂缝扩展性能规律的实验研究却很少。
　　本文在对UHTCC静态荷载作用的基础上，又进行了动态荷载作用的实验研究。本文的主要研究内容如下:
　　1)UHTCC三点弯曲静载断裂实验研究
　　通过三点弯曲断裂实验对不同种类纤维、不同纤维体积掺加量的试件进行Ⅰ型断裂实验研究。研究纤维的种类和不同的体积掺量对改善试件承载能力和变形能力的优异。根据双K断裂理论，计算出断裂韧度的参数大小，并研究初始缝高比对其的影响。实验结果表明:
　　(1)进口PVA纤维掺量在2％时，表现出明显的应变硬化现象和延性特征。试件的承载能力随纤维掺加量的增加而增加。
　　(2)在纤维掺入总量为1％的情况下，进口纤维和国产纤维在提高极限承载力方面性能同样优异。但在改善变形能力方面，进口纤维优于国产纤维。
　　(3)初始缝高比对于起裂断裂韧度的影响较小，对于失稳断裂韧度影响较为明显，随着初始缝高比的增大而减小。小尺寸试件表现出的尺寸效应比较明显。
　　2)UHTCC动态荷载作用下断裂疲劳性能实验研究
　　在静载断裂实验的基础上进行动态断裂实验，根据实验过程和结果，研究UHTCC试件的疲劳裂缝模式和疲劳变形演化，分析疲劳寿命的影响因素。得出以下结论:
　　(1)疲劳荷载作用下，基体试件、国产PVA试件和进口PVA试件的疲劳过程依次明显，进口纤维试件在疲劳荷载作用也依然表现出较强的变形能力。
　　(2)2％进口PVA纤维试件在疲劳荷载作用下变形可分为3个阶段:Ⅰ，变形较快发展阶段;Ⅱ，变形稳定扩展阶段;Ⅲ，断裂破坏阶段;而国产PVA纤维试件，Ⅰ、Ⅱ阶段分界点不很明显。第Ⅲ阶段，过程也较为短暂，存在一定的延性。
　　(3)国产PVA和进口PVA纤维UHTCC试件的Pmax-NF和Smax-NF曲线，呈现出单对数的线性关系。
　　(4)UHTCC试件的尺寸效应对于疲劳寿命有很大的影响。当应力水平较高在0.8左右时，尺寸效应对于短寿命的疲劳影响较小。而当应力水平较低在0.8以下时，尺寸效应对长寿命的疲劳影响较大。
　　3)依据疲劳裂纹扩展规律的Paris公式，对UHTCC不同缝高比试件的疲劳裂纹扩展规律进行研究和计算。用宏观裂缝覆盖面积A代替裂纹长度a作为裂纹扩展的参量，得出以下结论:
　　(1)断裂能临界值△Jth可作为超高韧性水泥基复合材料UHTCC的疲劳裂缝不扩展的门槛值。根据数据结果分析可知:大尺寸试件的疲劳裂缝扩展门槛值△Jth小于小尺寸试件。相同尺寸试件的缝高比越大，疲劳裂纹扩展门槛值△Jth越低。
　　(2)疲劳裂纹扩展速率的影响因素:荷载幅值Pa、加载频率f和初始缝高比。
　　(3)基于Paris公式，计算出试件尺寸为80 mm×150mm×700mm的UHTCC疲劳裂纹扩展公式。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选曩背景与研究意义

1．2 超高韧性水泥基复合材料

1．3 UHTCC在实际工程中的应用

1．4 本文研究内容

2 UHTCC静态断裂实验性能分析

2．1 实验设计

2．2 UHTCC静态断裂实验概况

2．3 静态断裂实验结果

2．4 断裂韧度的计算与分析

2．5 本章小结

3 UHTCC疲劳断裂性能实验研究

3．1 引言

3．2 疲劳实验参数

3．3 实验概况

3．4 实验结果

3．5 UHTCC疲劳寿命分析

3．6 本章小结

4 UHTCC疲劳裂纹扩展规律研究

4．1 引言

4．2 实验概况

4．3 UHTCC疲劳裂缝扩展公式形式

4．4 疲劳裂纹扩展门槛值ΔJth

4．5 疲劳裂纹扩展公式参数的确定

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

攻读硕士期间成果

参考文献