超高韧性水泥基复合材料(Ultra high toughness cementitious composites,UHTCC)是一种具有显著拉伸应变硬化和多缝开裂现象的高性能水泥基复合材料,直接拉伸荷载下极限应变值可以稳定达到3%以上,裂缝宽度不超过100 μm,平均裂缝间距仅为0.8～2.5 mm。UHTCC优异的变形性能和耗能效果使其在防护工程中具有广阔的应用前景,但是目前关于UHTCC的动态力学性能的研究较少,其动态本构关系以及率效应机理仍不甚明确。本研究采用Φ80 mm的分离式霍普金森压杆装置,分析了 UHTCC在高速冲击荷载下的力学响应。研究主要包含以下几个方面的内容:(1)论文首先分析了高强UHTCC和普通UHTCC的抗冲击压缩性能,试验结果表明:经过纳米改性后的高强UHTCC冲击压缩强度及耗能能力明显提高。论文进一步详细分析20～250 s-1应变率范围内高强UHTCC的动态压缩强度、峰值应变和耗能能力的变化规律及其动态机理,建立了 UHTCC的动态压缩强度增强因子(DIF-σ)、动态压缩峰值应变增强因子(DIF-ε)与应变率之间的函数关系,结果表明应变率对UHTCC动态耗能能力的提升效果较其对压缩强度和峰值应变的提升效果更为显著。(2)在高强UHTCC基础上,论文分析了不同钢纤维掺量对UHTCC材料的动力学性能,如动态抗压强度、动态峰值应变、能量吸收以及破坏模式等的影响。结果表明钢纤维和PVA纤维在冲击荷载下产生正混杂效应,PVA体积掺量固定为2%,提高钢纤维掺量可以强化UHTCC的抗冲击能力。钢纤维体积掺量为1.5%时UHTCC抗冲击强度提升效果最优,而纤维掺量为1%时变形及耗能的提升效果较为显著。论文分析和讨论了钢纤维对UHTCC动态压缩性能的增强和增韧效果,表明钢纤维的动态增韧效果较动态增强效果更为显著。(3)研究通过采用巴西圆盘劈裂试验分析了不同钢纤维掺量对UHTCC动态拉伸性能的影响,结果表明钢纤维的掺入可以提升UHTCC的劈裂强度和耗能能力,而对动态拉伸强度的应变率敏感性影响不大。在5～11.4 s-1应变率下,HY-UT-1.5的动态拉伸强度较UT提升了 40%～50%,其耗能较UT提升了 90%～112%。微观分析显示拉伸断面上的PVA纤维长度随着动态拉伸应变率的增大而降低,端部拉断破坏的比例有所增加,而钢纤维的破坏形貌没有显著变化。研究同时对比分析了 RPC和UHTCC动态劈裂性能,结果表明RPC的动态拉伸强度是HY-UT-1.5组的1.5～1.6倍,而HY-UT-1.5的动态耗能与RPC相近。(4)论文分析了 UHTCC在不同初始损伤程度下的抗多次冲击能力,重点考察了UHTCC在多次冲击下的应力应变曲线、能量吸收、损伤程度和破坏过程。试验结果表明UHTCC材料在冲击应力小于10 MPa时依然能够保持一定的完整性,较低程度的初始损伤有利于提高UHTCC材料的基体密实程度,进而提高材料的抗多次冲击能力。研究同时对比了不同钢纤维掺量下的UHTCC材料抗多次冲击性能,结果表明1%的钢纤维体积掺量下UHTCC材料的抗冲击次数和能量吸收能力最为优异。(5)论文分析了高温环境(200、400、500、600和800℃)和应变率(10-5～158.8 s-1)二者耦合影响下UHTCC的动态压缩力学性能。结果表明UHTCC在经历200℃高温后动态抗压强度有所上升,但随着温度的进一步提升动态抗压强度和耗能能力逐步下降。研究分析了温度历史对UHTCC应变率敏感性的影响,动态压缩强度的应变率敏感性整体上随着温度的升高而递增,建立了高温环境下UHTCC的动态压缩强度增强因子与应变率之间的函数关系。论文通过采用高速摄影、SEM和XCT技术分析了高温环境下UHTCC材料的宏观和微观特性,从机理上解释了温度造成率效应变化的内在原因。同时,论文研究了高温中UHTCC的动态压缩力学性能,发现当温度达到200℃以上时,高温中UHTCC动态压缩强度和耗能随温度的下降比例与高温后的动态试验结果基本上较为接近。(6)论文采用SHPB压杆对经历不同温度(常温,200℃,400℃,500℃,600℃,800℃)后的混杂纤维UHTCC材料进行了三组冲击气压下(0.35、0.45、0.55 MPa)的动态压缩试验,收集冲击破碎后的试块进行分形特征分析。利用X-CT扫描和SEM扫描电子显微镜对高温后试样的内部结构进行观测,从微观上解释了碎片分形特征随温度变化的原因。结果表明:UHTCC的分形维数随着冲击气压的增大而增大,动态压缩强度和耗能能力随着分形维数的增加呈指数式上升。与传统混凝土材料不同,UHTCC的分形维数随着温度的升高而降低,800℃时其分形维数接近于混凝土。UHTCC中PVA和钢纤维的协同阻裂作用改变了裂纹的发展路径,造成断裂面粗糙度增加,这可能是分形维数高于混凝土的原因;随着温度的增大,纤维桥联作用的弱化、温度裂纹的出现以及水化产物的分解导致材料断裂面粗糙度降低,分形维数逐渐接近于混凝土。