【摘 要】
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水泥基材料裂缝扩展是一个多阶段的过程。在外部荷载或内部约束作用下,材料内部会产生微观裂缝,这些细小的、不连续分布的微观裂缝会逐渐扩展形成细观裂缝,随着细观裂缝扩展,最终形成宏观裂缝。针对裂缝发展的多阶段特点,可利用多尺度纤维对不同尺度的裂缝进行桥接,对水泥基材料进行多尺度增韧,系统提升水泥基复合材料的延性。本课题组通过深入研究玄武岩纤维（Basalt fiber,BF）与水泥基材料的相互作用机理,
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（51878238）; 国家自然科学基金资助项目（51702082）
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水泥基材料裂缝扩展是一个多阶段的过程。在外部荷载或内部约束作用下,材料内部会产生微观裂缝,这些细小的、不连续分布的微观裂缝会逐渐扩展形成细观裂缝,随着细观裂缝扩展,最终形成宏观裂缝。针对裂缝发展的多阶段特点,可利用多尺度纤维对不同尺度的裂缝进行桥接,对水泥基材料进行多尺度增韧,系统提升水泥基复合材料的延性。本课题组通过深入研究玄武岩纤维（Basalt fiber,BF）与水泥基材料的相互作用机理,利用BF成功制备出具有应变硬化和多缝开裂特性的高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）,为首次使用无机纤维制备出ECC类材料。在本课题组前期研究的基础上,本文利用新型矿渣硫铝酸盐水泥（Slag-calcium sulfoaluminate,S-CSA）体系中自生长的纳米尺度钙矾石纤维（Ettringite fiber,EF）、微米尺度BF和毫米尺度钢纤维（Steel fiber,SF）分别桥接水泥基材料的微观裂缝、细观裂缝和宏观裂缝,研发多尺度纤维增韧ECC材料。首先,本文通过基于ECC的微观断裂理论和材料设计原理（应力准则和能量准则）,使用内含自生长EF的S-CSA和BF研发EF/BF-ECC,并测试了薄板拉伸强度、拉压强度、四点弯曲强度,研究了试件裂缝数量和裂缝宽度随纤维掺量的变化规律,发现ECC的强度和延性随BF掺量的提高而升高。薄板拉伸试件多缝开裂形成裂缝宽度约为3μm的细密裂缝,四点弯曲试件从试件底部形成满布细密裂纹,并随着荷载持续增大向上部扩展,改变了水泥基体四点受弯单缝开裂的方式,使试件的耗能能力加大。其次,在上述ECC中加入SF,对水泥基复合材料进行多尺度增韧,设计多尺度增韧ECC。试验结果表明,多尺度纤维增韧EF/BF/SF-ECC的力学性能明显优于EF/BF-ECC,其中最优配比较EF/BF-ECC抗拉强度提高了26.10%,延伸率提高了11.43%,实现了多尺度纤维的正混杂效应和ECC应变硬化的特性。SF对抗压性能能提高显著,在拉伸、四点弯曲峰后强度贡献卓越。最后,利用纤维简化模型对裂缝间距进行计算,与实测裂缝间距误差在10%以内;考虑纤维的乱向分布、临界长度系数和BF本身的脆性给出了BF-ECC的峰值强度计算公式。并用于预测高强水泥基体改变BF掺量的极限延伸率,峰值抗拉强度为11.46 MPa,与理论值12.45 MPa误差在8.61%。
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