纳米材料/钢纤维多尺度增韧活性粉末混凝土关键技术与机理研究

Due to the excellent mechanical properties of reactive powder concrete (RPC), it can be widely applied in the construction of high-storey buildings, marine structures, military engineerings, etc. Most of current studies focus on increasing the compressive strength of RPC, however, the cracking strength, toughness and crack control capacity of RPC are relatively low, and the tensile failure mechanism and toughening mechanism of fibers on RPC are still unclear. Concerning this issue, this project aims to study the synergistic toughening effect of carbon nanotubes and steel fiber on RPC matrix. The dispersing properties of carbon nanotubes, steel fiber pull-out test and three-dimensional uniaxial tensile test are studied. Based on the previous study, high toughness RPC with high tensile strength (ft≥20 MPa), strain hardening characteristics (0.6%≤ε≤0.8%) and excellent crack control capacity will be developed. The reinforcing and toughening mechanism of nanomaterials and pull out property of steel fiber on RPC matrix are discussed based on theories and experiments. Moreover, the constitutive model of high toughness RPC composites is proposed, which provides necessary theoretical basis for structure design and analysis. Therefore, this project has great theoretical and engineering significance.

活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，简称RPC）因其优异的性能在高层建筑、海洋结构和军事防护等工程中具有广阔的应用前景。目前国内外研究主要集中于抗压强度指标的提升，而RPC材料的开裂强度、拉伸韧性和裂缝控制能力仍处于较低水平，其拉伸破坏规律及纤维增韧机理仍不清晰。针对这一问题，本项目基于RPC材料组成特性和前期研究基础，拟采用碳纳米管/微细钢纤维多尺度协同增韧手段，开展纳米分散、钢纤维拉拔特性和三维拉伸等一系列工作，制备出抗拉强度大于20 MPa、极限拉应变达到0.6%-0.8%且具有显著应变硬化特征和裂缝控制能力的高韧性RPC材料。在探明碳纳米管微观增韧机理和钢纤维拉拔特性基础上，建立高韧性RPC材料本构模型，进而为结构设计和分析提供科学依据，项目具有重要的理论价值和工程意义。

活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，简称RPC）因其优异的性能在高层建筑、海洋结构和军事防护等工程中具有广阔的应用前景。目前国内外研究主要集中于抗压强度指标的提升，而RPC材料的开裂强度、拉伸韧性和裂缝控制能力仍处于较低水平，其拉伸破坏规律及纤维增韧机理仍不清晰。针对这一问题，本项目基于RPC材料组成特性和前期研究基础，采用纳米材料/微细钢纤维多尺度协同增韧手段，开展纳米分散、纳米改性水泥基复合材料和RPC三维直接拉伸等一系列工作，制备出极限拉应变达到0.6%且具有显著应变硬化特征和裂缝控制能力的高韧性RPC材料。研究结果表明碳纳米管和石墨烯可以有效增强增韧水泥基复合材料，0.05wt%碳纳米管可将水泥基材料断裂能和断裂韧性分别提升54.1%和42.6%，微观分析显示碳纳米管和石墨烯可以增强水泥基水化产物之间的桥连作用，进而有效提升荷载传递。进一步的，项目研究了不同长径比碳纳米管增韧RPC复合材料，结果表明0.025wt%掺量的碳纳米管可将RPC抗压强度、抗折强度和拉伸开裂强度分别提升7.2%、36%和16%，复合材料耗能能力也有明显提升。与此同时，项目探索了不同类型宏观纤维对RPC三维拉伸性能影响，掺加长直型LS（2.0 vf.%）钢纤维RPC的抗拉强度和拉伸应变分别达到10.36MPa和0.605%；端钩型钢纤维对基体抗拉强度的提升更为明显；掺有 PE纤维（2.0 vf.%）的RPC拉伸应变最高可达到 1.155%。项目研究成果对RPC材料在工程中的应用和推广重要的参考价值和工程意义。