超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能.pdf

中国科学 E 辑 : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 8 期 : 1391 ~ 1406 SCIENCE IN CHINA PRESS 超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能 试验研究 李庆华, 徐世烺* 大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室结构分室, 大连 116024 * E-mail: slxu@ 收稿日期: 2009-01-22; 接受日期: 2009-03-11 国家自然科学基金重点项目(批准号:和南水北调工程建设重大关键技术研究及应用项目(批准号: JGZXJJ2006-13)资助 摘要 依据功能梯度这一概念, 利用超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)优秀的裂缝控制能 关键词 , UHTCC, UHTCC 力 将普通钢筋混凝土梁的受拉区纵向钢筋周围部分混凝土替换为 开展了超高韧性 复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作. 继理论分析工作后, 本文进行了无腹筋 裂缝控制 长梁4 点弯曲试验研究, 通过4 组不同厚度UHTCC 层的复合梁弯曲试验结果验证了理论公 功能梯度 式的正确性; 并通过与普通钢筋混凝土梁的对比发现, 使用UHTCC 控裂的功能梯度复合梁不 试验研究 理论验证 , , , 仅承载力较普通钢筋混凝土梁有所提高 降低钢材的用量 还可以有效控制梁的变形值 提 高构件的延性. 根据试验结果和理论分析还确定了复合梁中UHTCC 层的最佳厚度, 不但节约 耐久性 材料的用量, 提高粱的弯曲性能, 还能有效地将正常工作条件下梁的裂缝宽度控制在0.05 mm 以 内, 防止钢筋锈蚀破坏的发生, 从而提高结构的耐久性. Li 和 Leung[1]于 1992 年通过微观力学与断裂力学 reinforced cementitious composites); 近期, 我国也研制 原理提出了乱向短纤维增强水泥基复合材料(random 出了超高韧性水泥基复合材料 UHTCC(ultrahigh short fiber reinforced cementitious composite, 简称 toughness cementitious composite)[5]. 这种水泥基复合 RSFRCC) 的纤维桥联法作为研究的理论基础, 考虑 材料在仅使用体积率约 2% 的纤维(主要是 PVA 和 PE 了纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之 纤维)体积掺量下便可获得 3% 以上拉应变能力, 极限 间的相互影响, 建立了获得材料应变-硬化特性的两 荷载时的裂缝宽度可以控制在 100 µm 以内, 无论在 个设计准则, 即第一起裂应力准则和裂缝稳态扩展准 拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化 则[2,3], 提出了通过改进纤维理论体积掺量条件从而 特征[6,7], 克服了传统水泥基材料在受拉状态下的软 能够以最小的纤维含量实现复合材料的应变硬化效 化性能, 材料受力开裂后, 承载力不会马上下降, 而 应. 这样通过利用对材料体系进行系统设计、调整和 是经历一个很长的硬化阶段. 稳态开裂和产生多条 优化[4]最终在实验室得到了具有拉应变硬化特征和高