钢纤维增强水泥基复合材料动态断裂性能研究

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水泥基复合材料作为多相非匀质混合物,往往存在夹杂、微裂缝等初始缺陷,在应力作用下这些初始缺陷扩展、汇合成宏观裂缝,最终可能导致材料的断裂破坏。为提高水泥基复合材料的抗裂能力,钢纤维作为典型的增强材料被应用其中,但在传统的钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC)中,钢纤维随机乱向分布,部分钢纤维未能得到充分地利用。通过特定方法使钢纤维沿基体内部应力方向定向排布,可使钢纤维更好地发挥增强作用。已有研究表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料(ASFRC)具有优良的静态断裂性能,但关于其动态断裂性能的研究尚较缺乏,因此为研究纤维方向对钢纤维增强水泥基复合材料动态断裂性能的影响,本文进行如下工作:(1)通过带预制裂缝的三点弯曲梁静载断裂试验,定量分析了SFRC与ASFRC的断裂性能差异。结果表明:纤维掺量分别为0.8%、1.2%、2.0%时,ASFRC较SFRC静态断裂承载能力分别提高了80%、105%、114%。(2)基于混凝土损伤力学与热力学理论建立了无预制裂缝的SFRC与ASFRC三点弯曲梁疲劳寿命预测半解析模型,结合现有的疲劳试验对所建立模型的合理性进行了验证。结果表明:采用模型计算的疲劳寿命值与试验结果对比较好;根据理论计算,纤维掺量分别为0.8%、1.2%、2.0%时,ASFRC较SFRC三点弯曲梁疲劳寿命分别提高了约60%、160%与300%。(3)开展了带预制裂缝的SFRC与ASFRC三点弯曲梁疲劳断裂试验,并采用数字图像相关(DIC)方法研究了疲劳加载过程中裂缝的扩展。结果表明:相同应力条件下,ASFRC疲劳断裂寿命较SFRC平均提高两个数量级;SFRC试件预制裂缝一旦扩展便迅速发生疲劳破坏,而ASFRC在承受疲劳荷载过程中有明显的裂缝扩展过程,当裂缝达到临界失稳状态时试件才发生破坏,因此ASFRC不仅具有较高的疲劳寿命,而且具有更好的疲劳变形与抵抗疲劳裂缝扩展的能力。(4)通过带预制裂缝的三点弯曲梁冲击断裂试验,分析了不同加载速率和不同纤维掺量对SFRC及ASFRC冲击断裂性能的影响。研究表明:SFRC的峰值荷载及断裂能均随加载速率的增加而增大,展现了明显的率效应;ASFRC的断裂能随加载速率的增加而增大,但峰值荷载没有表现出明显的率效应;随着纤维掺量的提高,SFRC及ASFRC的冲击峰值荷载及断裂能均有所提高;与SFRC相比,相同纤维掺量的ASFRC冲击峰值荷载提高了约30%~40%,冲击断裂能提高了约50%~100%。
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