近年来,随着社会的发展,混凝土结构朝着安全性更高、质量更稳定、耐久性更强的方向发展,由水泥基复和而成的普通混凝土已经不能满足越来越高的工程质量要求,新型超高韧性水泥基复合材料愈发引起人们的重视。超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简称ECC)是一种功能型纤维增强水泥基复合材料,它一般以水泥、粉煤灰等胶凝材料和细骨料作为基体,同时掺入体积掺量不超过2.5%的短纤维搅拌成型,硬化后的纤维增强水泥基复合材料在拉伸荷载作用下产生多条细密裂缝,表现出独有的应变-硬化现象,这种ECC材料具备较高的韧性和延展性以及优秀的裂缝控制能力,有利于解决我国混凝土结构因混凝土脆性大、易开裂且开裂后裂缝宽度不可控、耐久性和延性差等弊端导致的一系列工程难题。21世纪以来,国内外学者投入了大量时间、精力对ECC进行研究,包括理论分析、原材料、配合比、力学性能等方面。纤维作为ECC的核心增强体,是ECC制备技术的研究重点,目前国外学者主要采用表面经处治的特制聚乙烯醇(PVA)纤维来制备ECC材料,然而我国尚未掌握成熟的PVA纤维表面处治技术,且这种特制PVA纤维多依赖于从美国、日本进口,导致PVA-ECC材料造价较高,易受到国外技术封锁,因此我国难以开展对ECC材料的工程实际应用研究。国产聚丙烯(PP)纤维在我国生产处理技术成熟,价格比PVA纤维低廉,如果能制备出一种性能稳定的聚丙烯纤维增强水泥基复合材料(PP-ECC),可以降低工程成本,便于工程推广应用。因此,本文使用聚丙烯(polypropylene,简称PP)纤维增强ECC,采用天然河砂替代硅砂,配制出不同配合比的聚丙烯纤维增强水泥基复合材料,研究不同粉煤灰掺量、水灰比、砂胶比、纤维体积掺量对PP-ECC弯曲性能的影响,采集四点弯曲试验中的荷载-挠度曲线,同时应用分形理论对PP-ECC试件在弯曲荷载作用下表面产生的裂缝进行研究,分析不同荷载作用下薄板试件表面裂缝的分形特性及其变化规律,最后用梁试件验证薄板试件试验结果,本文主要内容概括如下:(1)设计四因素两水平全因子试验,配制16组不同配合比的PP-ECC薄板试件,采集薄板四点弯曲试验中的荷载-挠度曲线,计算试件抗弯强度,通过引入能量吸收值、韧度因子、初始弯曲韧性比、残余弯曲韧性比等力学参数评价各组试件的弯曲韧性,同时合理描述PP-ECC试件的弯曲破坏过程。(2)根据四点弯曲试验结果,研究不同配合比对PP-ECC弯曲性能的影响。通过方差分析(F检验)法分析粉煤灰掺量、水灰比、砂胶比、纤维体积掺量四个因素对PP-ECC弯曲性能影响的显著性,并依此筛选出PP-ECC弯曲性能的主要影响因素,以便后续进行多水平试验。(3)基于分形理论,探究PP-ECC薄板试件在弯曲荷载作用下表面产生的裂缝是否具有分形特征,引入“分形维数”这一参数描述弯曲荷载作用下PP-ECC试件表面裂缝的扩展规律,运用Matlab软件建立一种计算水泥基复合材料表面裂缝分形维数的简易方法。同时,建立PP-ECC试件表面裂缝分形维数与施加荷载、跨中挠度的量化关系公式,把PP-ECC薄板试件表面裂缝分形维数与相关弯曲力学性能结合起来,从一个崭新的角度来研究纤维增强水泥基复合材料裂缝演化问题。