为满足“一带一路”战略和国家安全战略所需建设的超高强度等级(抗压强度大于150MPa)的建筑结构,在经历高烈度地震、精密武器打击、高烈度爆炸冲击、高膨胀压力等作用而承受拉应力时,期待其中的混凝土材料出现“拉长而不脆断”以达到更高安全性、高耗能和高耐久性的结构设计需求,急需设计、研制出超高强度等级的超高延性混凝土,这属于混凝土材料领域的国际前沿课题。尽管超高性能混凝土(UHPC)的抗压强度可超过150MPa且具有较高的弯曲韧性,但UHPC在拉伸作用下仍呈现单裂缝应变软化破坏,其极限拉伸应变一般不超过0.5%;现有的高延性水泥基复合材料(ECC)虽具有3%~7%的拉伸极限应变,但抗压强度仍然偏低(基本在100MPa以下)。现有的成熟UHPC和ECC均无法同时实现既有超高抗压强度、又有高延性(多缝开裂)和应变硬化特性的特殊性能需求。本研究以经氨基硅烷改性后其分散性显著提高的硅灰纳米颗粒为砂浆基体的增强组分,基于对纤维形成的网孔尺寸的理论分析,提出了细集料的粒径选择原则,然后,以“最紧密堆积”理论为基础,同时借鉴ECC的设计理论,以超高分子量的高强高模聚乙烯(PE)纤维为耗能组分,成功设计、制备出抗压强度超过160MPa、极限拉伸应变超过6%的超高强超高延性水泥基复合材料(UHS-UHDCC),满足上面提到的建筑结构的要求,并系统研究了该材料的力学和变形性能,及微、宏观性能之间的联系;揭示了UHS-UHDCC的应变硬化机理,建立了该材料的微观力学设计理论;研究了该材料的收缩变形长期性能及抗冻、抗渗、抗碳化和疲劳等关键耐久性。首先,通过共价接枝反应,将氨基硅烷改性剂嫁接到硅灰纳米颗粒表面。氨基硅烷相对于硅灰的用量为4×10~(-5)mol/g时,硅灰纳米颗粒表面电位由-21mV升至+1mV,减水剂分子吸附量由4mg/g升至8mg/g,硅灰分散性显著提高。与未改性硅灰-水泥浆体相比,改性硅灰-水泥浆体的流变性明显更优。改性硅灰不仅加速了水泥水化加速期,也增加了总放热量,28d龄期时,改性硅灰-水泥试样的抗压强度是未改性的114%,抗折强度是它的115%。硅烷相对于硅灰的用量为8×10~(-5)mol/g时,硅灰纳米颗粒表面的硅烷分子吸附量达到饱和,硅灰的分散性和硅灰-水泥试样的力学性能最佳。其次,基于对纤维形成的网孔尺寸的理论分析,以粒径小于500μm、平均粒径为240μm的普通河砂为集料。以“最紧密堆积”理论为基础,同时借鉴ECC的基本设计方法,以改性硅灰为矿物掺合料,以修正后的Andreasen方程为目标函数来优化基体的颗粒级配,从而设计出具有较高颗粒紧密堆积程度的砂浆基体和UHS-UHDCC,并且,研究了不同配合比UHS-UHDCC的变形与力学性能。研究发现:最小二乘法和灰度关联法结果均显示,硅灰掺量为40%时,基体颗粒紧密堆积程度最高;随硅灰掺量的增加、水胶比的降低,UHS-UHDCC的抗折、抗压强度先增大后降低,水胶比为0.17时,抗压强度最大,水胶比为0.19时,抗折强度最大,但此时的抗压强度也达到了163MPa,而且具有很高的残余抗折和抗压强度、良好的受压变形能力和受压韧性,极限拉伸应变大于6%,平均裂缝宽度为85μm。再次,分析了纤维、基体和纤维-基体界面的各项微观性能及其与宏观拉伸性能之间的联系,提出了UHS-UHDCC的应变硬化行为(PSH)设计框架。一定范围内,增加浆体的塑性粘度可提高纤维分散度,粘度过高,分散度反而降低。提出了测试纤维分散度的背散射分析法,与常用的荧光分析法相比,该方法的试验步骤更加简单、结果更加精确。硅灰掺量增加、水胶比降低,UHS-UHDCC的孔隙率降低、孔径细化,纤维-基体界面过渡区的弹性模量逐渐增大且与砂浆基体之间的差别越来越小。一定程度上,纤维分散度增加,极限拉伸应变增加,饱和多裂缝应变硬化行为的实现是对纤维分散度和纤维-基体界面结合强度综合调控的结果。然后,综合利用微观力学、断裂力学和统计学理论,通过对单根纤维拔出荷载-位移关系、单条裂缝应力-开口宽度关系,以及纤维、基体和纤维-基体界面三组分之间的协同效应与拉伸应变硬化特性的定量关系分析,建立了UHS-UHDCC的微观力学设计理论。将憎水性PE纤维的脱粘定义为“物理脱粘”。在UHS-UHDCC中,滑移硬化系数β随埋入倾角的增大而增大,引入“滑移硬化增加系数”修正了ECC模型对于β为固定常数的传统认识。与原模型相比,以修正后的单根纤维拔出微观力学模型计算出的纤维桥接应力-裂缝开口宽度(σ-δ)曲线与试验结果更加吻合,并验证了高延性水泥基复合材料设计理论的强度和能量准则。最后,研究了UHS-UHDCC的收缩变形长期性能,和抗冻、抗渗、抗碳化、疲劳等关键耐久性。冻融循环次数增加,极限拉伸应力降低、延性增加,400次冻融循环时,UHS-UHDCC仍未出现质量损失,抗冻性极佳。冻融循环对拉伸性能的影响(29)对抗折性能的影响(29)对抗压性能的影响。收缩龄期前20天,干缩应变快速增长,之后,增长速率逐渐降低,UHS-UHDCC的干燥收缩比普通ECC的小的多。RCM法和电通量法的测试结果一致,Cl~-在UHS-UHDCC中的迁移速率极低,其抗氯离子渗透性极佳。28d碳化对UHS-UHDCC的变形和力学性能无显著影响。应力水平为抗拉强度或抗弯强度的0.66倍时,经2×10~6次正弦波拉伸、弯曲加载时,UHS-UHDCC的拉伸应变为1.18%、弯曲跨中挠度为1.68mm,占各自总形变的比例非常小。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33;TU528
【部分图文】：
裂缝能够平稳传播（图1-4(b)），这时，纤维能够将应力从裂缝平面传回基体以启动新的裂缝，如此往复，形成多重开裂应变硬化行为，在这个过程中，应力基本保持在 σss，裂缝宽度不会随距裂缝尖端距离的增加而变宽，基本维持在 δss。强度准则是试样实现裂而未断的前提，能量准则保证了裂缝能够在开裂试样中稳定扩展，同时满足强度和能量准则才有可能实现应变硬化行为。图 1-4 裂缝类型[23]：（a）Griffith 裂缝；（b）稳态开裂裂缝Fig. 1-4 Crack types[23]: (a) the Griffith crack; (b) the crack being able to propagate stably.Li 认为[67]，基体中缺陷的尺寸、数量和空间分布情况决定了能够形成的裂缝数量。缺陷是新裂缝生成的启动器，初始裂缝形成于最大缺陷处，然后按照缺陷尺寸由大到小的顺序不断形成新的裂缝，而且存在能够启动新裂缝的最小缺陷尺寸，称之为关键尺寸（Cmc），如果基体中没有足够数量的大于 Cmc的缺陷，应变硬化多缝开裂行为无法达到饱和状态。断裂韧度的高低反应了基体中的缺陷尺寸、数量及分布情况，为使基体中存在足够数量大于 Cmc的缺陷，常常通过降低基体断裂韧度的方式来降低 Cmc的下限[68]
体表达式 σ(δ)，σ-δ 曲线是通过单条裂缝拉伸试验所得。试样开裂过程中，主裂缝形成和扩展过程中桥联纤维的拔出和断裂来持续承受应力，从而实现应变，纤维桥接裂缝的示意图如图 1-6(c)所示。桥联法则是连接单根纤维拔出微观与宏观拉伸力学性能之间的桥梁，该法则将纤维的拔出过程分为脱粘和滑移两PVA 单根纤维拔出过程中的荷载-位移关系如图 1-5 所示。
第一章 绪 论，即，纤维的埋入倾角大于 0o。这时，纤维拔出时，纤维与就会对纤维造成一定的挤压，Li[74]通过对不同埋入倾角时 行研究，发现，这种挤压作用增大了拔出荷载，埋入深度相越大，即拔出荷载应为埋入倾角的函数，如式 1-16：) = (0) ： = ln ( ) (0)纤维制动系数（ 0）；纤维与拉伸方向之间的夹角（弧度）。
【参考文献】
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4 张丽辉;郭丽萍;孙伟;张文潇;谌正凯;;生态型高延性水泥基复合材料的高温损伤[J];硅酸盐学报;2014年08期
5 胡春红;高艳娥;丁万聪;;超高韧性水泥基复合材料受压性能试验研究[J];建筑结构学报;2013年12期
6 张菊;刘曙光;闫长旺;白建文;闫敏;;氯盐环境对PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻性的影响[J];硅酸盐学报;2013年06期
7 李艳;梁兴文;邓明科;;高性能PVA纤维增强水泥基复合材料常规三轴受压本构模型[J];工程力学;2012年01期
8 邓宗才;薛会青;;高韧性纤维增强水泥基复合材料与老混凝土的界面直剪试验研究[J];公路;2011年02期
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本文编号：
2856819
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