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沈阳建筑大学 硕士学位论文 不同纤维掺量及品种对ecc流变性能和弯曲性能的影响研究 姓名：孙明 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：俞家欢 2010-02 硕士研究生学位论文 摘要 摘 要 工程水泥基复合材料( engineered cementitious composites，简称 ecc) 是一种新型高 韧性水泥基复合材料，它以其卓越的韧性和优良的耐久性能逐渐被人们所熟知，并在国 外成功的应用于实际工程中。虽然 ecc 具有很多优点，但目前在实际工程应用上还受到 一定限制，如施工和易性较差，搅拌、浇筑和振捣时会发生纤维成团和折断等质量问 题，粘结性能也有待进一步改善，特别是纤维价格较高，使得应用范围受到很大限制。 这就对 ecc 用纤维提出了很高的要求，而如何在纤维掺量相对较低时仍然得到应变硬化 和均匀分布的复合裂缝就显得尤为重要，本论文在配制 pva- ecc 时采用了三种纤维掺 量：1.7%、2.0%、2.2%，并对这三种体积掺量 ecc 的流变性能和弯曲力学性能进行研 究。另外，选用了国产玄武岩纤维配制 ecc，并对比 pva 纤维，以研究用价格较低的 国产纤维代替价格较高的进口纤维的可行性。 本文主要做了以下几个方面的工作：选用不同的配合比对 ecc 进行试配，不断调整 水胶比、减水剂用量、粉煤灰掺量、纤维体积率等关键技术参数，以期获得流变性能较 好的新拌 ecc 以及弯曲力学性能优良的硬化后 ecc 薄板试件。配制一组 pva- ecc，选 用相同的配合比，以纤维体积率为唯一变化参数，研究其对新拌 ecc 稠度、流动性等性 能的影响；配制两组 ecc，分别选用玄武岩纤维和玄武岩/pva 双掺纤维，选用相同的基 体配合比，以纤维体积率为 2%为基本设计参数，将它们的流变性能与同纤维体积率的 pva- ecc 进行对比，以研究不同纤维品种对 ecc 流变性能的影响。配制一组 pva- ecc，选用相同的配合比，以纤维体积率为唯一变化参数，研究其对四点弯曲薄板试件弯 曲力学性能的影响；配制两组 ecc，分别选用玄武岩纤维和玄武岩/pva 双掺纤维，选用 相同的基体配合比，以纤维体积率为 2%为基本设计参数，将它们的四点弯曲薄板试件弯 曲力学性能与同纤维体积率的 pva- ecc 进行对比，以研究不同纤维品种对 ecc 四点弯 曲薄板试件弯曲力学性能的影响。 关键词：工程水泥基复合材料；聚乙烯醇纤维；流变性能；应变硬化 硕士研究生学位论文 abstract iii abstract a kind of new high ductility cementitious composite, engineered cementitious composites (abbreviated as ecc), which shows prominent toughness and superior durability has been successfully recognized and applied in many practical projects overseas. although ecc has many advantages, it still comes in restricts in engineering practice. for example, workability is relatively worse. and fiber will lump or even break off during mixing, setting and vibrating. adhesive performance also needs to be improved. the application is greatly restricted due to the high price of fiber. that has made a very high demand for fibers. but the relatively low fiber fraction and the gaining of uniform distribution of compound fracture and strain- hardening appear to be particularly important. in this paper, the preparation of pva- ecc were used in three kinds of fiber fraction: 1.7%, 2.0%, 2.2%, and these three kinds of pva- eccs workability and bending mechanical properties has been studied. in addition, we have adopted the home- made basalt fiber to make ecc, and made a comparation with the pva fiber, to study whether the replacement of higher- priced pva fibers is feasible. work has been done in this paper as follows: choosing mixtures of different ratios to test with, and constantly adjusting the key technical parameters such as the water- cement ratio, water- reducing agent dosage, fly ash, fiber volume ratio in order to obtain a better rheology performance of fresh ecc, as well as excellent bending mechanical properties of ecc after hardening. the influence of a group of pva- ecc, which is prepare with the fiber volume ratio as the only variable parameter, on the consistency and liquidity performance of the fresh ecc has been studied; in order to examine the impact of different types of fibers, two groups of ecc have been prepared, by basalt fibers and basalt/pva double- dopted fibers respectively, using the same matrix ratio and taking the fiber volume rate of 2% as the basic design parameters, and the comparison of their liquidity performance with the pva- ecc of the same fiber volume has been made. the influence of a group of pva- ecc, which is prepare with the fiber volume ratio as the only variable parameter, on the four- point bending plate specimen bending mechanical properties has been studied; in order to examine the impact of different types of fibers, two groups of ecc have been prepared, by basalt fibers and basalt/pva double- dopted fibers respectively, using the same matrix ratio and taking the fiber volume rate of 2% as the basic design parameters, and the comparison of their four- point bending plate specimen bending mechanical properties with the pva- ecc of the same fiber volume has been made. keywords: engineered cementitious composites(ecc);polyvinyl alcohol(pva); rheology performance;deformation- hardening 声 明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与 我共同工作过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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 （如作者和 导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。 ） 学位论文作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景 混凝土材料是当今世界上用途最广、用量最大的建筑材料，近几年来，全世界每年 混凝土用量约在 50 亿立方米以上 1 。在可预见的将来，混凝土仍然是一种不可缺少的建 筑材料。但是，混凝土材料自身存在着抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制 等缺点，很多已建的而且正在使用中的混凝土建筑结构都是带着裂缝工作着的。由于混 凝土裂缝的出现，水、二氧化碳及氯离子等有害离子将向混凝土内部侵入，导致混凝土 变得酥脆和钢筋锈蚀，最终将导致混凝土结构过早地劣化甚至完全丧失使用功能，因此 可以说混凝土结构裂缝直接影响着结构的耐久性和工程的使用寿命。 为了克服上述混凝土的缺点，可采用复合化的方法，其中最有效和简单易行的办法 是掺入纤维。我国著名混凝土专家、中国工程院资深院士吴中伟教授生前曾多次指出： “复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心” 2 。 于是，纤维混凝土便应运而生了。其实，用纤维来改善混凝土的物理力学性能由来 已久。一方面，纤维在混凝土硬化收缩和自由水分挥发收缩时，能够阻止微裂缝发展， 有效抑制混凝土早期干缩微裂纹及离析裂纹的产生和发展，大大增强混凝土的抗裂抗渗 能力；另一方面，纤维增强混凝土中的纤维能与水泥基体共同承受外力，在受荷初期， 基体是主要承受外力者，当基体发生开裂后，横跨裂缝的纤维就成为外力的主要承受 者，若纤维体积掺量超过某一临界值，即临界体积掺量，则复合材料可继续承受较高的 荷载并产生较大的变形，直至最后纤维被拉断或从基体中拔出而破坏。工程用纤维包括 金属纤维、无机纤维、有机纤维三大类。金属纤维主要是钢纤维；无机纤维如玄武岩纤 维(basalt fiber)等；有机纤维如聚乙烯醇纤维 (polyvinyl alcohol，简称 pva)等合成纤维。 二十世纪九十年代美国密歇根大学的 li,v.c.提出一种比较突出的水泥基复合材料 ecc(engineered cementitious composites)，是基于微观物理力学原理优化设计的具有应变 硬化特性和多缝开裂特征的一种新型工程用水泥基复合材料。它是一种高延性、高耗 能、高承载力的纤维增强水泥基复合材料。试验研究已经证实它的应变能力可达几个百 分点，最高可达 8%，耗能能力是常规纤维混凝土的几倍，抗压强度在高强混凝土范围之 内，是一种具有很大应变硬化性能的复合材料。其准确定义为：使用短纤维增强，且纤 维掺量不超过复合材料总体积的 2.5%，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征， 在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到 3%以上。 ecc 根据不同的分类方法可以分为不同的种类。根据使用纤维可以分为钢纤维增强 ecc、碳纤维增强 ecc、聚乙烯醇纤维增强 ecc(即 pva- ecc)、聚丙烯纤维增强 ecc(即 pp- ecc)、玄武岩纤维增强 ecc(即 bf- ecc)以及混杂纤维增强 ecc。根据其成 型方法的不同，可分为现浇 ecc、自密实 ecc、喷射 ecc、挤压成型 ecc。依据基体组 成或功能特点，还可分为绿色 ecc、防水 ecc 和自愈合 ecc 等。总之，各种不同功能 2 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 特点和不同加工性能 ecc 的开发，使其更易于满足不同工程的需要，必将有利于其在水 利工程和土木工程领域中发挥更大的作用。 1.2 工程水泥基复合材料 1.2.1 工程水泥基复合材料简介 工程水泥基复合材料的英文名称为 “engineered cementitious composite”，缩写为 ecc。最早由密歇根大学的 li 教授和麻省理工的 leung 教授采用细观力学和断裂力学基 本原理提出了该材料的基本设计理念 3 。名称中“engineered”即“经设计的”，表明这 类材料在材料设计方面的特别之处。普通的纤维混凝土通常仅仅是通过调整纤维掺量来 实现特定的性能，而 ecc 是以断裂力学和微观力学的概念为指导，对纤维、基体以及纤 维基体界面进行有意识地调整发展而来，对应复合材料通过产生多条细密裂缝来实现准 应变硬化特性。并且近年来，关于 ecc 的界定也不断有着新的发展：最初认为凡是短纤 维增强水泥基复合材料只要是利用有关断裂力学和微观力学相关原理对纤维、基体和纤 维基体界面进行了有意识的设计、选择和调整，结果得到的硬化后的复合材料具有明显 的准应变硬化特征便可称为 ecc 材料；但近年来，随着理论研究和试验研究的不断发 展，以及工程应用实践的不断增多，发现 ecc 材料的性能只有当其拉应变能力稳定达到 3%以上时其应变硬化性能才是稳定的，在变形增长的过程中才能稳定地伴有多条细密裂 缝的产生，当前每每提及 ecc 材料时都会表述其具有拉应变能力超过 3%，对应为普通 混凝土的 150300 倍，普通纤维混凝土的 30300 倍。综上所述，其具体定义为：使用 短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的 2.5%，硬化后的复合材料应具有显著 的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到 3% 以上。 1.2.2 ecc的设计原理 1993年，li 4 参照 marshall and cox 5 在研究连续纤维时的分析方法，以 j积分的形式 给出了短纤维增强脆性基体复合材料获得裂缝稳态发展的准应变硬化的条件式。 图 1.1 是关于纤维桥接应力- 裂缝开口宽度( )关系的能量平衡概念示意图(化学粘能 很小，可忽略不计)，裂缝稳态发展意味着裂缝在一个常量 ss 附近发展，同时裂缝度也维 持在一个常量 ss 。marshall and cox 5 根据稳态裂缝的 j积分分析得到： ( ) = ss dj sssstip 0 (1- 1) (1- 1)式表达的是裂缝稳态开展的能量平衡， tip j为裂缝尖端韧度， ss 为稳态开裂应 力， ss 为稳态开裂应力对应的保持稳定的裂缝开口宽度。 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 0 0 b jb jtip ss ss 图 1.1 纤维桥接应力- 裂缝开口( )关系的能量平衡概念示意图 要满足多缝开裂准则，开裂应力应小于最大桥联应力，见(1- 2)式，材料受力开裂后 将立即进入裂缝局部化扩展，进入软化阶段，因而无法产生多条裂缝。 0 ss (1- 2) (1- 1)式和(1- 2)式即为短纤维增强水泥基复合材料由半脆性转向应变硬化破坏模式的 两个条件。 联合公式(1- 1)和(1- 2)，则有： ( ) 0 0 00 btip jdj (1- 3) 即裂缝尖端断裂韧度 tip j必须小于 b j(余能，图 1- 1 阴影面积)，(1- 3)式即为稳态多缝 开裂准则。 一般来说，当纤维体积掺量 3%时，裂缝尖端韧度大体与基体韧度相当，即 mmtip ekj/ 2 =，式中 m k 为基体断裂韧度， m e 为基体杨氏模量。而纤维桥接应力- 裂缝开 口( )关系与纤维、基体以及纤维/基体界面特性有关。由此可见，ecc 的成功设计需要 优化纤维、基体和纤维/界面特性，特别地，纤维与界面特性控制了( )曲线形状故而成 为 b j的主要影响因素，因为 b j与大量的纤维/基体界面机制相关。通常应变- 硬化复合材 料设计要求优化纤维/基体界面以使得 b j最大，同时复合材料的基体韧度 mm ek/ 2 也不能 过大。 由多条细密裂缝开裂准则(1- 3)可知，基体的断裂韧度和开裂强度(相对最大桥联应力) 越低越有利于准应变硬化性能的实现。同时基体低弹性模量将有助于降低纤维在基体中 拔出时的强度损失，因此有利于材料应变硬化性能。 为方便复合材料应变硬化的指导设计，victor li等根据纤维桥接原理结合多缝稳态开 裂准则(1- 3)提出了纤维增强复合材料产生准应变硬化时的最小纤维掺量表达式： 4 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 () 0 12 ff tip crit f dlg j v= (1- 4) (1- 4)中 crit f v为纤维最小掺量，g 为纤维最大桥接应力折减系数，为纤维/基体界面 粘结强度， f l为纤维长度， f d为纤维直径， 0 为纤维最大桥接应力 0 对应的裂缝开口 宽度。纤维最大桥接应力 f f f d l vg 2 1 0 =。式中 f v称为实际纤维掺量。 公式( 1- 4) 的提出对于复合材料的设计非常重要，通过对微观参数的处理能够以最小 的纤维体积含量实现复合材料的应变硬化。ecc 的研究除了应用细观力学分析开裂处纤 维的桥接力学作用获得应力- 裂缝张开宽度关系，还运用断裂力学从微观角度分析基体裂 缝的扩展特性及纤维/基体界面的断裂脱粘过程以及统计学来描述存在裂缝及纤维位置和 取向的随机性。通过微观机理和性能驱使的设计方法( the performance driven design approach，简称 pdda) 确定了纤维体积率和纤维长径比的选取和纤维、基体和界面的合 理组合及原材料的选用情况等。 2002年 li提出了结构与材料的综合设计方法( integrated structural- materials design,简 称 ismd) 4 如图 1.2 所示，创造了材料优化和系统处理的分析工具，实现了低掺量纤维材 料的高性能与大变形。基于性能的设计概念( the performance based design concept，简称 pbdc) 提出了满足结构性能的材料特性和结构形状的合适选择方法。材料工程学中性能 驱使的设计方法( the performance driven design approach，简称 pdda) 是以微观力学为 基础，以满足结构性能为目标，协调好材料本身的处理、材料的微观结构和材料性能之 间的关系，用来生产满足要求的材料，并满足结构的性能要求。ismd 把 pbdc 和 pdda 连成一体，成为整体的材料与结构设计平台。 - 本 构 关 系 - 曲 线 生 产 工 艺 材 料 微 观 结 构 细 观 力 学 材 料 性 质 结 构 形 状 结 构 性 能 结 构 力 学 p d d a p b d c 图 1.2 ismd 的设计方法 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 1.2.3 ecc材料组分即纤维、基体和界面的选择 纤维、基体和界面特性的选择将决定复合材料硬化后的性能，图 1.3 以 pva- ecc 为 例，给出了 pva- ecc 基于微观力学设计的流程图 6 。对于指定的材料参数范围是否可 行，这完全依赖于我们对材料参数的控制程度。例如，若想将材料的缺陷尺寸仅仅指定 在几个微米变化范围内，或者将纤维基体间相互作用参数指定在很窄的范围内，这些在 现实中都是无法实现的。因此，在制定各参数范围时，应充分考虑现实的可行性 6 。 可产生饱和的多条细密裂缝提 高的韧性？应变能力 3 % - 4 % 期待的复合材料的性能 基体界面 纤维 起控制作用的材料成分 给出适宜的纤维、界面 、基体范围 可行性研究 准应变硬化 模型的应用 可实现的复 合材料性能 约束条件 根据微观力学建模给出的建议： - 纤维高强度、高伸长率 - 低摩擦黏结强度 - 降低基体断裂韧度 材料参数的最终选择 p v a - e c c 材料设计 （1 ）纤维制造 （2 ）应用润滑剂 p v a - e c c 制造 设计的实施 确认复合材料是否 具备期望的性能 收缩控制 e c c 材料搅拌 纤维可造性 图 1.3 pva- ecc基于微观力学的设计流程图 6 对于纤维本身来说，应该尽量选择强度高、弹性模量高、伸长率高的柔性合成纤 维。根据微观力学模型的预测 6 ，如果纤维强度低于 1000mpa，那么即使是在化学黏结强 度较低的情况下，对应复合材料的余能也会非常普通，而在高化学黏结强度的情况下甚 至会变得更低，从而不利于准应变硬化性能的实现。但需说明的是，纤维的高强度只有 当与适宜的长度相配合时，才能更有效地提高桥联应力和余能，否则，过短时会因为纤 维过早拔出而无法发挥高强度的作用，而过长时，纤维发生断裂破坏的趋势就会增加， 断裂后的纤维不再具备桥联作用。研究 6 表明，当纤维长度 c l2( c l 即临界嵌固长度) 时，增加纤维的长度可明显提高复合材料的抗拉强度和余能，而超过这一长度后增加的 6 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 趋势变缓，并且纤维过长时还会带来搅拌和分散的困难。因此，纤维长而细是有利的， 然而在实际应用中纤维的长度选择还应受到复合材料的拌和性能和在使用过程中可能发 生的断裂的限制。在对非合成纤维增强 ecc 的研究中，li 和 obla 7 发现碳纤维虽然具有 高强度和高弹性模量，但在搅拌过程中折断现象严重，使用抗拉强度为 4600 mpa，弹性 模量为 268 gpa 的碳纤维，体积掺量用到 3.0%时对应的水泥基复合材料仍无法具备准应 变硬化性能，经过调整，改用强度和弹模都高很多的碳纤维时，虽然获得了准应变硬化 性能，但对应拉应变能力也仅仅为 0.9%，并且这时候的纤维体积掺量已经达到了4%，这 显然不符合经济性要求；而使用直径为 150m的钢纤维增强的 ecc，虽经使用偶联剂和 高频振捣等手段具备了准应变硬化性能，但对应拉应变也仅仅达到 0.5%；显然，如果考 虑到材料性能的离散性，那么无论是碳纤维增强 ecc 还是钢纤维增强 ecc，它们的性能 都是没有充分保障的，因此，现有的钢纤维和碳纤维并不适合用来制作设计纤维水泥基 复合材料。 对于基体来说，根据稳态开裂准则的要求 = btip jj而裂缝尖端断裂韧度与基体断裂韧 度有如下关系： c m tip e k j 2 = (1- 5) 同时，根据开裂应力准则的要求，基体的断裂韧度和开裂强度越低越有利于应变硬 化性能的实现。基体低弹性模量将有助于降低纤维在基体中拔出时的强度损失，因而有 利于材料应变硬化性能。基体的组成，通常包含精细砂、水、水泥、活性矿物细掺料和 化学添加剂，这些成分的比例和用量决定了基体的性质。richmond 等人在 1995 年的研究 8 表明，当粒径大于 250m 时，砂子的高用量和低水灰比将导致基体的高韧度，不利于 应变硬化性能的实现。但水灰比也不宜过高，否则对应材料的抗压强度和开裂强度都会 过低，并会因此限制材料在工程中的推广应用；与此同时，纤维在基体中的摩擦黏结强 度有个最佳范围当水灰比过高时，对界面过渡区产生的影响，将致使摩擦黏结强度低于 这个最佳的范围值。基体中的孔隙大小和分布基本上决定了复合材料缺陷尺寸的大小和 分布，li和 leung1992 年 3 指出，若要产生新的裂缝，纤维增强复合材料中的缺陷尺寸必 须大于最小缺陷尺寸要求，因此，基体中孔隙的大小和分布也将对复合材料产生多条细 密裂缝的过程产生重要影响。在基体中使用一定量的低钙粉煤灰是有利的，cynthia wu 的研究 6 表明，粉煤灰有利于降低 pva 纤维在基体中原本过高的滑移硬化效应，在我们 进行的 sem 观测中也发现，部分粉煤灰细颗粒将会附着到纤维表面，避免了纤维和基体 水化产物的直接接触降低了基体对纤维的削刮作用。在化学添加剂中，最常用的是减水 剂和 hpmc，减水剂可以降低用水量改善新拌复合材料的工作性能，hpmc 通常用来降 低 ecc 在新拌状态时的流动性损失，但事实上它是作为增稠剂来改善纤维在基体中的分 布。 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 7 纤维基体界面，其特征参数主要有化学黏结强度和摩擦黏结强度。对于 pp- ecc，因 为 pp 纤维属憎水性纤维，所以纤维与基体间不存在化学黏结，仅有摩擦黏结，这类 ecc 属纤维拔出型破坏；摩擦黏结强度的提高有利于发挥纤维的高强、高弹模，起到降低纤 维临界体积掺率的作用。为提高纤维在基体中的摩擦黏结强度，可利用等离子体技术对 纤维进行表面处理，从已有实验结果来看对应复合材料的极限抗拉强度和极限应变能力 都得到了显著提高。对于 pva- ecc，由于 pva 纤维属亲水性纤维，纤维与水泥基基体 间存在很强的化学黏结，同时亦存在摩擦黏结，材料破坏时属纤维断裂型，为提高复合 材料的应变硬化性能，应使化学黏结强度尽量低，而文献 6 中纤维表面涂油处理技术的成 功应用很好地证明了这一点。 1.2.4 ecc的性能 1.2.4.1 安全性 为满足抗震的需要，ecc 高性能材料被推广使用。billington 9 指出，使用 ecc 的结 构除了具有抗坍塌能力，还具有高损伤承受能力，遭受地震破坏后的残余裂缝宽度很 小，这样能大大减少地震后的修补费用。 关于配筋 ecc 的耐损伤行为已有大量的实验数据。在完全倒转的循环荷载情况下所 测试的结构构件包括梁、柱、梁柱连接构件、填充墙、框架、桥墩、连梁，阻尼构件 等。这些关于 ecc 及其他派生材料的研究都证实了 ecc 具有很好的抗震性及最小的震后 修补费用。值得注意的是，配筋 ecc 还表现出了剪应力下的高延性行为、高能量吸收行 为、大侧向位移下有稳定的滞后环及结构整体性。图 1.4 清晰地显示了循环加载弯曲构件 的高损伤承受力 1 0 。试验结果还表明：由于 ecc 优良的剪切延性，箍筋的数量可以减少 甚至取消。 图 1.4 配筋普通混凝土和配筋 ecc在循环荷载下的破坏形式 1 4 配筋 ecc 的最大特性是它的拉伸延性，这使得 ecc 与钢筋之间有一致协调的变形， 即使钢筋达到塑性屈服时也是如此 1 1 。由于 ecc 在剪切应力条件下承受斜拉力而呈多缝 8 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 开裂，因此 ecc 的拉伸延性好即意味着其剪切延性也好 1 2 。ecc 在冲击荷载下的抗碎裂 特性已经通过试验得到证实。parra 等 1 3 通过试验证实，经高速射弹冲击作用的 ecc 板损 伤小，整体性好，呈多缝分布开裂，能量耗散力强。 1.2.4.2 耐久性 在环境和机械荷载下，基础设施老化的原因是错综复杂的。对桥梁和公路来说，破 坏通常是从温度变化、约束条件下的干燥收缩或自收缩引起的开裂开始的 1 5 。车辆行驶 造成的疲劳荷载，使得开裂更为严重 1 6 。开裂的面层混凝土具有传输特性，氯化物或其 他侵蚀性介质易于从面层渗透至钢筋表面，继而钢筋锈蚀产生膨胀应力，最终导致脆性 混凝土保护层剥落。 混凝土的低拉伸应变能力(0.01%)使其易于开裂，裂缝宽度需要由钢筋控制，且毫米 级宽度的裂缝是常见的 1 7 。一方面，混凝土裂缝宽度需要由钢筋控制；另一方面，侵蚀 性介质会通过裂缝渗透而使钢筋锈蚀，这正是目前基础设施破坏的问题所在。混凝土另 一大缺陷是脆性破坏特性，这是混凝土保护层易于剥落的原因。 加载循环次数 0 . 6 0 . 4 0 . 2 1 08642 裂缝宽度/mm 0 图 1.5 疲劳加载条件下连接板裂纹宽度发展 1 9 试验研究证实，ecc 能够改变上述破坏过程。在限制干燥收缩的条件下，ecc 的裂 缝宽度限制在 30m左右。特别值得注意的是，ecc 的裂缝宽度与结构的尺寸无关 1 8 ， 而普通混凝土则不同。此外，疲劳荷载似乎不会增加裂缝的宽度。图 1.5 所示为混凝土和 ecc 无接缝桥面连接板在疲劳加载情况下的裂纹宽度发展情况 1 9 。经 106 次循环后，混 凝土连接板裂缝宽度超过 0.6 mm，而 ecc连接板裂缝宽度保持在 50m左右。 混凝土保护层的传输性质决定了侵蚀性介质渗透至钢筋所需的时间。传输机制包括 渗透、扩散和毛细吸附。众所周知，开裂混凝土的渗透性是裂缝宽度的三次幂 2 0 ，裂缝 宽度低于 100m (对于气体渗透，为 50m)时，可以认为混凝土渗透性和未开裂混凝土 一致 2 1 。对预加 1.5%拉伸应变(裂缝宽度为 60m)的 ecc 试件进行渗透性试验，结果证 实：ecc加载至应变硬化阶段的行为与未开裂混凝土相近 2 2 (见图 1.6)。 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 9 r/c r/ecc - 2 1 1 0 - 4 1 1 0 - 6 1 1 0 1 1 0 - 8 - 1 0 1 1 0 - 1 2 裂缝宽度/mm 0 渗透性变化率/m/s 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 1 1 0 图 1.6 ecc和配筋砂浆在单轴拉伸下的渗透系数 k 和裂纹宽度的关系 2 2 配筋 ecc 和配筋混凝土梁中钢筋总的锈蚀速率分别为小于 0.0004 mm/a、大于 0.008 mm/a 2 3 (见图 1.7)。由于裂缝宽度小，因此 ecc 中毛细管传输可能会令人关注。然而最 近的一份研究 2 4 表明：ecc的毛细吸附可通过憎水表面涂层来控制。 宏观电池 微电池 总和 预裂缝位置 51015202530 35 钢筋位置/cm钢筋位置/cm 0 0.010 0.005 总和 微电池 宏观电池 3530 25 2015105 腐蚀率/mm/a 图 1.7 配筋普通混凝土和配筋 ecc中微电池和宏观电池腐蚀速率 2 4 ecc 的抗剥落性测试是通过将锥形钢棒压入 ecc 板来模拟钢筋锈蚀产生膨胀应力的 过程 2 5 。测试结果表明：ecc 通过“塑性屈服”过程克服膨胀力，并形成放射状的微裂 纹，而普通混凝土在膨胀应力的作用下则碎裂。图 1.8 所示为试验后 ecc 板的损伤模式 及混凝土板断裂破坏模式。ecc 板能承受高达 30 kn 的荷载，而混凝土板所承受的荷载 仅 7 kn。由此可知，当用 ecc 取代普通混凝土时，基础设施的缺陷，包括有限制条件下 收缩开裂、疲劳裂纹扩展、介质在混凝土保护层中的传输、侵蚀性介质通过混凝土保护 层迅速渗透至钢筋表面、钢筋锈蚀及保护层剥落等问题，均能够得到减缓甚至避免。ecc 因其优异的拉伸延性以及微裂缝宽度控制特性使基础设施具有更高的耐久性。 10 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 图 1.8 普通混凝土和 ecc的破坏形式 2 5 1.2.4.3 可持续性 基础设施的可持续性既要考虑到建筑材料的环境友善性，也应考虑基础设施生命周 期不同阶段的经济、社会及环境成本。现有的关于环保建材的研究很少考虑全生命周期 的成本。即使考虑生命周期的成本时，也仅从经济角度考虑，只关心业主成本，而不从 社会及环境角度考虑至关重要的用户成本和其他外部成本。为实现基础设施的可持续性 目标，环保 ecc 的发展需要一个更全面的生命周期框架模型，综合考虑社会、环境及经 济三大要素 2 6 。michigan 大学正在构建基于土木工程和材料学、环境经济学、工业生态 学、公共健康学以及地质科学等学科交叉的模型框架 2 7 。最初版本的综合生命周期评估 及成本模型已经在钢筋混凝土桥面板接缝设计中得到应用：一种设计是采用传统的机械 伸缩缝；另一种是采用 ecc无接缝连接板。考虑桥梁的服务年限为 60年，对两个设计系 统的生命周期能耗、温室气体排放、建设和修复的费用及社会成本(包括与施工导致的交 通延误及环境污染成本)进行量化，结果表明：ecc 无接缝连接板较传统伸缩缝相比有 37%的经济成本优势，主要能耗减少 40%，co2排放量减少 39%。结果还显示了 ecc 无 接缝连接板设计在使用期对减少全生命周期成本和环境负荷方面的优势。此外，尽管每 单位质量的 ecc成本是普通混凝土的 3倍，但由于使用 ecc时，修补频率降低，材料用 量减少，因此，其生命周期成本较普通混凝土的低。 上述结论定量描述了在基础设施建设中使用 ecc 的优势，这是建立在一个有待证实 的假设之上的，即使用 ecc连接板的桥面服务年限是使用传统的伸缩缝桥面的两倍。 1.2.5 ecc的主要力学性能 1.2.5.1 ecc的拉伸性能 ecc 材料抗拉性能的研究是通过单轴拉伸试验来实现的，ecc 典型的拉伸应力应变 曲线如图 1.9 所示。试件加载出现第一条裂缝后，荷载只有非常小幅度的突降，因为试件 中跨越裂缝的增韧纤维起到的桥接作用很好的传递了基体/界面应力，荷载又出现了上升 的趋势，直到下一条裂缝的产生。整个加载过程中，试件表面产生多条宽度大致相同的 细密裂缝，这与普通素混凝土和纤维混凝土(frc)只在最薄弱面产生一条主裂缝的情况有 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 11 很大区别，并且裂缝扩展的过程中在荷载没有明显提高的情况下应变却不断增大，呈现 出显著的应变- 硬化特性。当荷载达到峰值后，试件在其中的一条裂缝处发生局部破坏直 至最终破坏。ecc 的极限拉应变接近混凝土或传统纤维混凝土(frc)的 500 倍，体现了材 料独特的超高韧性。 /mpa （% ） 321 4 3 2 1 3210 图 1.9 ecc典型拉伸应力应变曲线 2 8 1.2.5.2 抗压性能 图 1.10 为混凝土、pe- ecc、pva- ecc 三种材料不同的抗压应力- 应变特性曲线，pe- ecc 和 pva- ecc 都不使用粗骨料，所以弹性模量均低于混凝土。pe- ecc 与 pva- ecc 峰值应力对应的压应变大约为 0.5%，而混凝土仅为 0.2%。从图中可以发现 pva- ecc 试 件抗压曲线在经过峰值荷载后，承载力下降的速度明显慢于混凝土，说明 ecc 具有比混 凝土更高的韧性，其中 pva- ecc的韧性又比 pe- ecc更高一些。 混 凝 土 1 0 0 8 0 0 2 0 应力/mpa 应 变 /% 4 0 6 0 0.20.40.60.81 pva- ecc pe- ecc 图 1.10 ecc与混凝土、pe- ecc抗压应力- 应变特性的比较 2 6 12 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 1.2.5.3 抗弯性能 图 1.11 是纤维掺量相同时素混凝土、frc、pva- ecc 同尺寸薄板试件三点弯曲试验 的抗弯应力- 形变曲线。在材料出现裂缝前，三种材料的应力- 应变曲线基本重合，说明纤 维在材料开裂前对它的力学性能影响很小；出现裂缝后，素混凝土试件马上发生脆性破 坏，传统纤维混凝土试件虽然还能继续承受荷载，表现出一定的延性，但随应变的增大 也迅速破坏。而 pva- ecc 材料件在第一条裂缝出现后，应力继续增长，有明显的应变硬 化过程，并伴随着大量新的微细裂缝的继续出现，直至破坏，表现出很高的延性和抵抗 弯曲变形的能力。 形变/mm 素混凝土 pva- ecc 传统frc 2 52 01 51 05 1 5 1 0 应力/mpa 5 0 图 1.11 素混凝土、传统 frc、pva- ecc三点弯曲试验的抗弯应力- 形变曲线 1.2.5.4 抗剪性能 kanda 1 1 采用奥诺剪力梁( ohno shear beam) ，通过改变跨高比和抗剪钢筋的数量，研 究了具有约 1%拉应变能力的 pva- ecc 在周期循环作用下短跨配筋梁的结构强度和韧 性。试验结果表明：剪拉破坏时，ecc 的承载力比素混凝土提高了 50%，而极限位移增 长超过两倍，破坏模式具有明显的延性特征；剪压破坏时，ecc 承载力也提高了 50%， 但极限位移无明显差别。可见 ecc对剪拉破坏的增强作用优于剪压破坏；pva- ecc梁中 出现了细密裂缝，裂缝一直垂直延伸至试件高度的中部附近。vasillag xoxa 利用平面纯剪 试验对 pva- ecc 抗剪性能进行了较为系统的研究，研究表明：pva- ecc 板在剪切作用 下从未裂到开裂是个渐进的过程，不会出现刚度的突然下降，而这在常规混凝土中是非 常典型的破坏特征；pva- ecc 板在剪力作用下出现了大量的相互平行且分布密集的裂 缝，即使是在同一条直线上的裂缝也不会贯通，裂缝间距随配筋率的增加而减小；在整 个试验过程中直至试件破坏，都没有出现 ecc剥落现象。 1.2.5.5 抗疲劳破坏性能 takashi 对 pva 纤维增强工程水泥基复合材料进行了抗弯疲劳实验，并根据试件的静 态弯曲强度，将疲劳应力分为 5个等级，用 s表示疲劳应力与极限的比。试验结果表明， 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 13 复合材料疲劳应力- 寿命曲线呈现出类似于金属的双线性关系，尤其在高应力水平下抗疲 劳破坏能力较强。试件裂缝的数量随疲劳应力水平的降低而减少，这是因为在循环加载 中，裂缝大多是在第一次加载中发展形成的，因此裂缝数量和宽度都取决于疲劳应力水 平，不同的应力水平下裂缝的发展。pva 纤维增强工程水泥基复合材料比普通的纤维增 强混凝土具有更高的抗疲劳破坏能力，尤其在高应力水平下的抵抗变形能力和多裂缝开 展特性，对于提高结构的延性和抗破坏能力都有很大的意义。 1.3 ecc在国内外工程中的应用 随