（材料学专业论文）ecoecc的制备技术、性能、微观机理及仿真分析.pdf

摘要 摘要 密西根大学v i c t o rcl i 教授和他的团队对工程水泥基复合材料( e n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e ，e c c ) 已有一定的理论研究，由于制备e c c 所用原材料p v a 纤维和磨细石英砂昂贵的价 格，使得其广泛应用受到了限制。采用尾砂替代特殊磨细的石英砂来制备生态型e c c ( 简称 e c o e c c ) ，可以提高e c c 的性价比，同时也能很好的解决尾砂作为工业废弃物对环境的污染及避 免对人身、财产的危害。首先从原材料、配合比以及工艺措施等角度探索了采用尾砂制备e c o e c c 的可行性，并进一步研究了e c o e c c 常温条件下的基本力学性能和耐久性能，从微观结构的角度 分析了相关机理。为了促进e c o e c c 在工程领域的应用，对高温作用下e c o e c c 性能演化及微观 机理做了深入的研究，对e c o e c c 的工程特性采用有限元方法进行了仿真计算与分析。具体内容 如下： ( 1 ) e c o e c c 的制备技术和基本性能研究 系统研究了e c o e c c 的制备技术：选择不同集料( 天然河砂、磨细石英砂、铁矿尾砂) 、不同 纤维品种( k u r a r a yp v a 、国产p v a 纤维、钢纤维) 、不同纤维掺量( 0 5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 ) 和不同水胶比( 0 2 l 、0 2 3 、0 2 9 、0 3 5 、0 4 0 ) ，对e c c 的制备技术与工艺措施等进行了系统的研 究。研究了各参数对e c o e c c 流变性能及力学性能如延性、多缝开裂、弯曲性能、单轴拉伸性能 等的影响规律，证实了采用尾砂制备e c o e c c 的可行性，验证了e c o e c c 配合比的合理性。 试验研究了e c o e c c 的轴心压缩性能、弹性模量、泊松比以及抗压应力应变曲线。 e c o e c c 的变形性能和耐久性能也是很重要的一部分，对e c o e c c 耐久性能也进行了初步探 索，数据表明，不同p v a 纤维掺量的试件和基体的收缩变形、渗透性能大致相同，p v a 纤维的掺入 一定程度上对碳化有抑制的作用。 ( 2 ) e c o e c c 的多缝开裂特征微观机理分析。 基于“最邻近函数理论”的定量表征计算为研究新型水泥基复合材料的微观机理提供一个新的 方法与手段，并借助这种方法对e c o e c c 材料粒子间距进行了定量表征计算，给出了细集料邻近 粒子表面间距的分布情况。依据纤维间距理论揭示了纤维掺量、纤维品种和水胶比对e c o e c c 材 料多缝开裂与应变硬化特征的影响规律及微观机理。 ( 3 ) e c o e c c 的高温性能及微观机理研究 e c o e c c 作为一种新型的结构材料，研究其遭受超常荷载( 如地震) 下的特性以及更进一步研 究其在超常环境( 如火灾等) 下的高温性能，都有一定的理论价值。 首先通过m i p 和s e m 对经历过不同温度后的e c o e c c 、p c 样品进行了微观结构分析。结果 表明：在经历高温后，e c o e c c 由于纤维的熔化和水化产物的分解留下大量的微细通道，微细裂纹 持续增长，出现了明显空间骨架，但e c o e c c 的裂缝扩展速度明显低于p c ，并保持较好的完整性， 而p c 的疏松、现象较为严重。其宏观力学性能表现为，p c 抗压强度衰减绝对值和相对值都要大于 e c o - e c c ，e c o e c c 其抗压强度的衰减主要发生在5 0 0 ，p c 的抗压强度衰减主要发生在3 0 0 。 为了深入了解高温状态下e c o e c c 的微观结构演变规律，采用带高温台的e s e m 对在高温作 用下e c o e c c 的微观结构演变过程进行了实时跟踪研究，并采用带原位反应器的x r d 设备对升温 过程e c o e c c 样品物相组成的变化进行实时检测，随后用r i e t v e l d 方法对e c o e c c 样品中的物相 i 东南大学博士学位论文 组成变化进行了半定量分析。综合孔结构、形貌以及物相分析的结果表明，高温对e c o e c c 材料 宏观性能的影响其中很重要的原因是相组成演化的结果。此外，集料和浆体之间的热相容性对受高 温作用e c o e c c 材料的微观结构的影响也不容忽视。 ( 4 ) e c o e c c 的工程特性与仿真分析 通过采用不同厚度的e c o e c c 材料对既有混凝土构件的补强试验，研究了具有应变硬化、多 缝开裂特征的e c o e c c 的工程特性，并采用a n s y s 有限元计算方法做了仿真计算与分析，证实采 用一定厚度的e c o e c c 补强可明显提高既有混凝土构件的承载能力，为进一步的工程应用提供了 理论依据，对于混凝土结构的抗震设计也给出一些依据和设计方法。 关键词：工程水泥基复合材料、生态、多缝开裂、延性、应变硬化、微观机理、高温性能、仿真 i i a b s t r a c t a b s t r a c t p r o f v i c t o rcl ia n dh i st e a m , i nu n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ，h a v eb u i l tt h ef o u n d a m e n t a lt h e o r i e so n e n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e ( e c c ) a n dr e v e a l e dt h es u r p r i s i n gp e r f o r m a n c eo fe c c h o w e v e r , t h e a p p l i c a t i o no fe c ci sl i m i t e dd u et ot h eh i g hc o s to fr a wm a t e r i a l su s e di nt h ep r e p a r a t i o no fe c c ，s u c ha s p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) f i b e ra sw e l la sf i n e - g r o u n dq u a r t zs a n d i ft h ef i n e g r o u n dq u a r t zs a n d sc a nb e r e p l a c e db yt a i l i n g s ，t h ee c cw i l lb em o r ee c o l o g i c a la n dm o r ee c o n o m i c a l ，w h i c hi sd e f i n e d 嬲e c o l o g i c a l e c c ( e c o - e c c ) t h er e c y c l i n go ft a i l i n g si ne c ca l s oh a st h ea d v a n t a g eo fr e d u c i n gt h ep o l l u t i o no f i n d u s t r i a lw a s t e st ot h ee n v i r o n m e n t i nt h i s r e s e a r c h ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt a i l i n g si ne c cw a s i n v e s t i g a t e df r o mv a r i o u sa s p e c t s ，s u c ha sr a wm a t e r i a l s ，m i xp r o p o r t i o n s ，c a s t i n g ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， m u l t i c r a c k i n gb e h a v i o r , a n dd u r a b i l i t y i nf u r t h e r , t h em e c h a n i s mo ft h ef o r m a t i o no fe c cw a sa n a l y z e di n t e r m so fp o r es t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y , p h a s ea n a l y s i s ，e t c i no r d e rt op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fe c o - e c c i nc i v i le n g i n e e r i n g ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fe c o e c cs u b j e c t e dt oh i g ht e m p e r a t u r ew a s e x p l o r e d b e y o n dt h e s e ，t h ee n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c eo fe c o e c cw a sm o d e l e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s d e t a i l s a r eg i v e nb e l o w ： ( 1 ) p r e p a r a t i o nt e c h n i q u e sa n db a s i cp e r f o r m a n c e so fe c o - e c c s y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no nt h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e s ：b ys e l e c t i n gd i f f e r e n tt y p e so fa g g r e g a t e s ( r i v e rs a n d ，f i n e - g r o u n dq u a r t zs a n d ，t a i l i n g s ) ，v a r i o u sf i b e r st y p e ( k u r a r a yp v a ，d o m e s t i cp v aa n ds t e e l f i b e r ) ，ar a n g eo ff i b e rc o n t e n t s ( 0 5 、l 、1 5 、2 、2 5 ) a n dd i f f e r e n tw a t e r - b i n d e rr a t i o s ( 0 2 1 、 0 2 3 、0 2 9 、0 3 5 、0 4 0 ) t h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e so fe c ch a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ei n f l u e n c e o f v a r i o u sf a c t o r so nt h er y h o l o g i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f e c c ( d u c t i l i t y 、m u l t i - c r a c k i n g 、f l e x u r a l p r o p e r t y 、t e n s i l ep r o p e r t ye t c ) h a v eb e e ns t u d i e d t h ef e a s i b i l i t yo fm a k i n ge c o e c cw i t ht a i l i n ga n dt h e r a t i o n a l i t yo f t h em i x e so fe c o e c cu s e di nt h i si n v e s t i g a t i o na r ec o n f i r m e db yt h er e s u l t s t h ea x i sc o m p r e s s i o np r o p e r t y 、m o d u l u so fe l a s t i c i t y 、p o i s s o n sr a t i oa n ds t r e s s s t r a i nc u r v eo f e c o - e c ch a v eb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l y b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo ft h ed e f o r m a t i o n a ib e h a v i o ra n dd u r a b i l i t yo fe c o e c cf o ri t su s ei n p r a c t i c e ，t h ep r e l i m i n a r y e x p l o r a t i o no fd u r a b i l i t yh a sb e e nc o n d u c t e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e a d d i t i o no fp v af i b e r sc a l le n h a n c et h er e s i s t a n c eo fe c o e c ca g a i n s tc a r b o n a t i o n ，h o w e v e r ，h a sl i t t l e e f f e c to nt h es h r i n k a g ea n dp e r m e a b i l i t y ( 2 ) m i c r o m e c h a n i s mo fm u l t i - c r a c k i n go fe c 0 e c c q u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i z a t i o nb a s e do n “n e a r e s t n e i g h b o r i n gt h e o r y f r o ms t a t i s t i c a lp h y s i c s p r o v i d e dan e wm e t h o df o rs t u d y i n gm i c r o - m e c h a n i s mo fn e wc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e p a r t i c l es p a c i n go f e c o e c cw a sc a l c u l a t e dq u a n t i t a t i v e l ya n ds u r f a c ed i s t a n c es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ff i n ea g g r e g a t ep a r t i c l e s n e a r b yw a ss h o w nb yt h i sm e t h o d t h ee f f e c tr u l ea n dm i c r o - m e c h a n i s mo ff i b e rc o n t e n t ，t y p eo ff i b e r sa n d w a t e r - b i n d e rr a t i oo nm u l t i - c r a c k i n ga n ds t r a i n h a r d e n i n gw a sr e v e a l e da c c o r d i n gt ot h ef i b e rs p a c i n g t h e o r y i i i 东南大学博士学位论文 ( 3 ) t h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea n dm i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo f t h ee c o e c c e c o e c ci san o v e ls t r u c t u r a lm a t e r i a l i ti sv a l u a b l et oi n v e s t i g a t et h ep r o p e r t yu n d e rp a r a n o r m a l l o a ds u c ha se a r t h q u a k ea n dt h ea n t ih i g ht e m p e r a t u r eu n d e rp a r a n o r m a le n v i r o n m e n ts u c ha sf i r e f i r s t m i pa n ds e mw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h em i c r os t r u c t u r eo fe c o e c ca n dp cw i t hd i f f e r e n t t e m p e r a t u r eh i s t o r y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ，a f t e re x p e r i e n c i n gh i g ht e m p e r a t u r e ，al a r g e a m o u n to f m i c r oc h a n n e l sl e f ti ne c o e c cd u et ot h em e l t i n go ff i b e r sa n dt h ed e c o m p o s i t i o no fh y d r a t i o n p r o d u c t s t h em i c r o c r a c k i n g c o n t i n u e da n do b v i o u s s p a t i a ls k e l e t o nf o r m e d h o w e v e r , t h e c r a c k p r o p a g a t i o nv e l o c i t yo fe c o - e c cw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a np c e c o e c cr e m a i n e di t sc o m p l e t e n e s s ， w h i l et h el o o s ep h e n o m e n o nw a sr e l a t i v e l ys e v e r ei np c t h ea b s o l u t ea n dr e l a t i v ev a l u e so fc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha r e n u a t i o no fp cw e r eh i g h e rt h a nt h o s eo fe c o - e c c t h ea t t e n u a t i o no fc o m p r e s s i v es t r e n g t h o c c u r r e da t5 0 0 f o re c o e c ca n d3 0 0 f o rp c i no r d e rt oc o m p r e h e n s i v e l yu n d e r s t a n dt h em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no fe c o e c cu n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ，e s e mw i t hh o ts t a g ew a su s e dt o r e a l t i m et r a c kt h ee v o l u t i o no fm i c r os t r u c t u r eo f e c o e c c ，a n dx r dw i t hs i t u r e a c t o rw a su s e dt or e a l - t i m et e s tt h ep h a s ec o m p o s i t i o nc h a n g eo f e o c e c cu n d e rw a r m i n gp r o c e s s a f t e rt h a t ，r i e t - v e l da p p r o a c hw a sa d o p t e dt os e m i q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z et h ep h a s ec o m p o s i t i o no fe c o - e c cs a m p l e t h ec o m b i n i n gr e s u l t so fp o r es t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y a n dp h a s ec o m p o s i t i o ni n d i c a t e dt h a t ，t h ei n f l u e n c eo fh i g ht e m p e r a t u r eo nt h em a c r o - p r o p e r t i e sm a i n l y d e p e n d so nt h ee v o l u t i o no fp h a s ec o m p o s i t i o n m o r e o v e r , t h ee f f e c to fh o tc o m p a t i b i l i t yb e t w e e n a g g r e g a t ea n dp a s t eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo fe c o - e c cm a t e r i a l su n d e rh i g ht e m p e r a t u r ec a nn o tb e i g n o r e d ( 4 ) e n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c e a n ds i m u l a t i o na n a l y s i so fe c o e c c t h ee n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c eo fe c o e c cw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fs t r a i n h a r d e n i n ga n dm u l t i c r a c k i n g w a ss t u d i e db yt h es t r e n g t hr e i n f o r c i n gt e s to fc o n c r e t ec o m p o n e n tu s i n gd i f f e r e n tt h i c k n e s so fe c o e c c t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sb ya n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o n c l u d e dt h a te c o - e c cw i t ha c e r t a i nt h i c k n e s sc o u l di n c r e a s el o a d i n ga b i l i t yo fc o n c r e t ec o m p o n e n ts i g n i f i c a n t l y , w h i c hp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s o m et h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e s i g nm e t h o d sw e r ea l s o p r o p o s e df o rs e i s m i cd e s i g no fc o n c r e t es t r u c t u r e s k e y w o r d s ：e n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e ；e c o l o g y ；m u l t i c r a c k i n g ；d u c t i l i t y ； s t r a i n - h a r d e n i n g ；m i c r om e c h a n i s m ；h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；s i m u l a t i o n ； i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：差圄熟日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：至匿! 丞导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高性能纤维增强水泥基复合材料的发展历程 水泥基复合材料是人类社会所采用的重要建筑材料之一，进入二十一世纪以来，人们对其性能 ( p e r f o r m a n c e ) 的要求也越来越高，不同的国家、不同的时期、不同的应用范围强调和重视高性能 的不同的方面【l j 。水泥基复合材料主要包括颗粒型水泥基复合材料( p a r t i c l e f i l l i n gc o m p o s i t e s 如水泥 混凝土) 和纤维增强水泥基复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s 简称f r c ) 两大类。而 f r c 又主要分为三类1 2 j ，一类是纤维体积掺量小于1 的，纤维的主要作用是减少收缩裂缝l 3 j ；第二 类是纤维体积掺量在1 2 之间的，纤维的主要作用是改进力学性能，例如断裂模量( m o d u l u so f r u p t u r e ，m o r ) 、断裂韧性和抗冲击性能【4 】；第三类f r c 是通过采用高纤维体积掺量获得的，并称第 三类f r c 为高性能纤维增强水泥基复合材料( h i g hp e r f o r m a n c ef i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s ，简称h p f r c c ) ，由n a a m a n 和r e i n h a r d t l 9 8 0 年首次提出l 引。h p f r c c 与前两类f r c 不同 之处在于在单轴拉伸过程中h p f r c c 呈现了应变硬化( s t r a i nh a r d e n i n g ) 行为，并且有大量微细裂 纹( m i c r oc r a c k ) 的出现，h p f r c c 具有高韧性和很强的能量吸收能力。国际上已研制成功多种属于 h p f r c c 范畴的材料i z l ，主要包括s i f c o n ( s l u r r yi n f i l t r a t e df i b e rc o n c r e t e ) ，渍浆纤维混凝土，钢纤 维体积率在5 - - 2 0 三l i h 1 6 1 ) ，s i m c o n ( s l u r r yi n f i l t r a t e dm a tc o n c r e t e ) 渍浆纤维网片混凝土，钢纤维 体积掺量在6 左右【7 1 ，r p c ( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ) 活性粉末混凝土等 8 1 ，它们都属于h p f r c c ， 拉伸应变值一般在1 5 左右。延性纤维增强水泥基复合材料( d u c t i l ef i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s ，d f r c c ) 与h p f r c c 类似，但一般认为它比h p f r c c 范围更广一些，同时包括了受弯拉 时具有多缝开裂( m u l t i p l ec r a c k i n g ) 特性的复合材料。 二十世纪9 0 年代早期美国密西根大学的v i c t o rcl i 教授一j 主持研究设计了一种新的纤维增强水 泥基复合材料一工程水泥基复合材料( e n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e ，e c c ) 。e c c 同属于 h p f r c c 中的系列之一，同样它主要以水泥浆或砂浆为基体的纤维增强水泥基复合材料；与掺入钢 纤维的h p f r c c 相比，它在纤维掺量不高( v f 2 ) 的情况下，有较高的应变硬化( s t r a i nh a r d e n i n g ) 能力和多缝开裂( m u l t i p l ec r a c k i n g ) 特征，拉伸应变达到3 5 【l 。 s i f c o n 、e c c 、s i m c o n 和r p c 这些材料都具有很好的强度、延展性以及能量吸收能力，并 具有应变硬化和多缝开裂的显著特点。 h p f r c c 早在1 9 世纪7 0 年代就已经由a l l e n o q 制备出来，通过使用体积掺量为6 7 的玻璃纤 维得到了具有1 拉伸应变的水泥基复合材料。此外，k r e n c h e l 和s t a n g d 2 i 在水泥基材料中加入了体 积掺量为6 1 3 的p p 纤维得到了具有3 应变能力的水泥基复合材料，尽管力学性能达到了要求， 但是过高的纤维掺量导致工作性下降而影响与阻碍了其在实际工程的推广应用。 r p c 由法国人p i e r r er i c h a r d u j 首先提出，活性粉末混凝土r p c ( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ) 是9 0 年代发展起来的一种超高性能水泥基复合材料。r p c 将粗骨料剔除，根据最紧密堆积原理，采用粒 径为6 0 0 b m 的磨细石英砂为集料，掺入适量短切金属纤维和活性矿物粉体，优选高效减水剂，经高 压成型、热养护等工艺，得到具有自流平特征且强度等性能优越的活性粉末混凝土，其强度等级有 r p c 2 0 0 、r p c 4 0 0 、r p c 8 0 0 m p a 。 r p c 在国外已有不少的工程实例，主要制品包括：大跨桥梁的预制构件、压力管道及放射性固 体废料储存容器l l4 | 。法国核电站冷却系统，应用了2 5 0 0 根r p c 2 0 0 的梁，生产了大量核废料储存容 器，取得了好效果。加拿大s h e r b r o o k e 市成功地建造了一座跨度为6 0 m 的步行桥( w a l kb r i d g e ) ， 这座桥具有抵抗当地冬季零下3 0 并反复撒除冰盐的严酷的化学侵蚀双重破坏因素的作用，显示了 东南大学博士学位论文 极高的耐久性和有效抑止损伤失效的能力”1 。1 9 9 6 年之后，国内才开始r p c 材料的研究，主要围 绕制备技术的改进与优化组成材料等进行研究。 磊 耋 嚣 皇 岂 - s 啪缸o 碡 图1 1e c c 的典型拉伸应力应变曲线和裂缝发展图 譬 暑 瓷 z 皇 鎏 豸 羞 u f i gl - 1 ：t y p i c a lt e n s i l es t r e s s s t r a i nc u r v ea n dc r a c kw i d t hd e v e l o p m e n to fe c c 钢纤维混凝土采用常规的施工技术，其纤维掺量一般为o 6 2 o 。再高的掺量将容易使钢纤 维在施工搅拌过程中结团成球，会严重影响到钢纤维对水泥基的强化与韧化效率，甚至有负面效应。 为适应重大土木工程要求，8 0 年代之后，美国l a n k a r d 材料实验室研制出一种新的工艺生产纤维混 凝土。方法是将流动性砂浆注入事先放置于模板中的纤维骨架中研制成一种高纤维体积率的钢纤维 混凝土一( s l u r r yi n f i l t r a t e df i b e rc o n c r e t e 简称为s i f c o n ) ，其纤维体积率一般为5 2 0 ，国外 s i f c o n 的纤维体积率y ，可高达2 7 【l 引，纤维长度，在3 c m 1 2 c m 之间。与普通纤维混凝土相比， 其特点是抗压强度大幅度提高，可达1 0 0 - - - - - 2 0 0 m p a ，其抗弯强度在高纤维掺量下提高得更为显著， 其值可达素混凝土的2 7 8 6 倍，远高于普通纤维混凝土对抗弯强度的增强幅度；韧性指数较普通混 凝土高出了2 个数量级【s j 。s i f c o n 虽然具有极高的强度与韧性，由于掺有大量的钢纤维，当前主要 用于不计较造价的国防等重要工程上。所以其应用领域受到了一定的限制【8 】。 s i m c o n 的施工方法与s i f c o n 基本相同，只是预先填置在模具内的不是乱向分布的钢纤维1 7 1 ， 而是钢纤维网，制成的产品中，其纤维掺量一般为4 6 。试验结果表明，s i m c o n 可用较低的 钢纤维掺量而获得与s i f c o n 相同的强度和韧性，从而获得比s i f c o n 节约材料和造价的效果。但 s i m c o n 同样由于钢纤维用量大，一次性投资高，需要特殊的施工技术( 比如渗浆技术) ，从而使得 造价很高。 综上所述，早期人们要获得应变硬化行为，需要采有较高的钢纤维体积率，或者采用比较长的 连续纤维或者两者加以结合。早期的h p f r c c 由于高钢纤维掺量以及由于高纤维掺量导致的实际施 工难度大、费用高、生产困难等都限制了这些材料在工业上的大量应用。在这种情况下，e c c 的诞 生对h p f r c c 的发展起着很重要的作用。e c c 同样属于h p f r c c 中的一种，同样它主要以水泥浆 或砂浆为基体，以纤维为增强材料的复合材料；与其它的h p f r c c 不同之处在于它采用的增强材料 是p v a 纤维体积率一般为2 ，有较高的应变硬化能力和多缝开裂开展特性，拉伸应变达到3 5 ， 是普通混凝土的3 0 0 5 0 0 倍。e c c 通过微观力学模型优化复合材料的微观结构而得到的超高延性， 2 微观计算得到e c c 倾向于选择纤维直径小于5 0 i m 的纤维旧。通常聚合物纤维直径在5 0 p r o 左右 而钢纤维育径在1 5 0 s o o g m 。将钢纤维加工到5 0 v m 芹右也是可行的但这样成本会过于昂贵，所 以e c c 主要以聚合物纤维为主。早期是使用的p e 纤维制备e c c ，由于价格较为昂贵后期主要以p v a 纤维为上。e c c 同时也提高丁材料的工作性可以自密实 1 7 】，可以泵送，也可以喷射，这使 e c c 有了吏为广阔的应用空间。井使纤维增强水泥基复合材料又达到丁一个新的高度。 田1 - 2s i f c o n 、s i m c o n 和e c c 三种材科直接拉伸试验曲线比较。划 f i 9 1 2s t r e s s - s t n i n ec o m p a r i s o n o f s i f c o n 、s i m c o na n d e c c i n t e n s i l ee x p e r i m e n t l ”i 图12 给出了s w c o n ，s i m c o n 和e c c 三种材料直接拉伸试验曲线的比较。由图1 - 2 可知 尽管s i f c o n 和s i m c o n 的钢纤维掺量分别高达1 2 和6 时，他们的抗拉强度分别是e c c 的6 倍 和3 倍，但他们的峰值牲仲应力对应的拇仲应变仅为1 ，这个数值仅是e c c 极限托仲应变的1 ，5 1 日。由此可见与$ 1 m c o n 和s i f c o n 相比e c c 具有极强的抗拉韧性。 图1 0p c 、f r c 和e c c 在拉伸荷戴下应力应韭关系比较川 f l g l - 3 s t r e s s s t r a i n o f p c 、f r ca n d e c c u n d e ru n l a x i a l t e n s i l e t e s t 【2 1 】 田1 - 3 是普通混凝土( p c ) 、纤维增强混凝土伊r c ) 和e c c 在拉伸荷载下应力应变关系比较。由 围i 一3 可以看出，普通混凝士( p c ) 在到达极限强度以后，应力应变曲线急剧f 降，并迅速失去承 imj一”拦 东南大学博十学位论文 载能力，其拉伸极限应变一般在0 2 左右。f r c 的拉伸极限应变一般也都小于1 ，而且以往的纤 维混凝土基本上单缝破坏。纤维增强混凝土和普通混凝土一样均具有应变软化特性( 即当应力达到 混凝土抗拉强度f 后，应力应变盯万曲线渐次下降。盯万图的下降段为应变软化线，应力随万愈大 而愈减小) ，虽然下降相对缓慢一些，但是仍然表现为单缝破坏，呈应变软化态势。而e c c 则表现 出应变硬化和多缝开裂的良好性能。 表1 1 对f r c 、通常的h p f r c c 和e c c 三种材料从设计方法、纤维掺量、基体界面特点、施工 工艺等方面做了比较全面的对比，对比结果显示e c c 相比普通的h p f r c c 在纤维材料选择上有了 更进一步的改进，减少了纤维体积掺量而同样能在拉伸过程中达到应变硬化和多缝开裂的目的。 衰1 1f r c 、h p f r c c 和e c c 的比较2 】 t a b l ei ic o m p a r i s o no ff r c 、h p f r c ca n de c c 2 】 1 2e c