强度与延性相匹配的纤维增强水泥基复合材料设计

Based on related research carried by applicant, present project focus on design of fiber reinforced cementitious composite with consideration both of strength and ductility.Through fiber pull-out tests, the bond performance of different fibers with low drying shrinkage cement matrix is obtained first. The the fiber bridging stress model of different fiber/matrix system should be developed based on bond between fiber and matrix. The model should be varified through the experimental determined fiber bridging stress obtain from independent three point bending test on the composite beam. After that, a fracture mechanics model to simulate tensile performance of fiber reinforced cementitious composite based on fiber bridging model should be developed. The contribution of different fibers to strength and ductility should be evaluated through the model. The condition of strain-hardening and strain-softening should be provided by the model calculation. The design frame of fiber reinforced cementitious composite with consideration both of strength and ductility should be set-up through developing above two physical based models.

本项目申请者先期完成的基金项目"高延性低收缩纤维增强水泥基复合材料设计及形成机理"基础上，继续研究强度与延性相匹配的纤维增强水泥基复合材料组成设计方法。首先通过系统研究高模量纤维，如金属纤维、聚乙烯纤维，低模量纤维，如聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维，与低干缩水泥基材的界面粘接性能，在此基础上建立各类纤维在不同强度等级低干缩基材中纤维桥接应力模型基，通过三点弯曲试验对上述模型进行验证、修正；然后建立基于纤维桥接应力的纤维增强水泥基复合材料抗拉性能预测模型，通过该模型实现复合材料应变硬化与应变软化的判定，与此同时也获得纤维种类及其外形参数、掺量等参数对抗拉强度及极限拉伸应变的影响。通过上述两个模型的建立及相关计算分析，实现基于最优纤维桥接应力的复合材料强度与延性的匹配设计，即最佳的纤维种类组合（最优混杂），外形尺寸及各自掺量，真正实现各尽其能，物件其用。

混凝土材料以其卓越的结构性能成为目前应用最广、用量最大的结构工程材料。而混凝土与钢筋混凝土结构性能的衰退直到最终退出工作均与混凝土材料的开裂及其脆性特征有关。本项目在申请者先期完成的基金项目“高延性低收缩纤维增强水泥基复合材料设计及形成机理”的基础上，继续研究强度与延性相匹配的纤维增强水泥基复合材料组成及设计方法。首先通过系统研究高模量纤维，如金属纤维、聚乙烯纤维，低模量纤维，如聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维，与低干缩水泥基材的界面粘接性能，建立各类纤维在不同强度等级的低干缩基材中纤维桥接应力模型，并通过三点弯曲试验，逆推桥接应力与裂纹宽度关系，进而对上述模型进行验证和修正，以确保该模型可用于指导纤维增强复合材料设计；第二，研究建立了基于纤维桥接应力的纤维增强水泥基复合材料抗拉、抗弯等力学性能预测模型，通过该模型实现复合材料应变硬化与应变软化的判定及抗弯曲性能模拟，与此同时也获得纤维种类及其外形参数、掺量等参数对力学性能的影响。通过上述模型的建立及相关计算分析，实现基于最优纤维桥接应力的复合材料强度与延性的匹配设计，即最佳的纤维种类组合（最优混杂），外形尺寸及各自掺量，真正实现各尽其能，物尽其用。第三，完成了低干缩高延性纤维增强水泥基复合材料的工程应用研究，包括“无切缝水泥混凝土路面”、“结构保温一体化建筑外墙体系”及“农田水利工程用超轻高韧水槽”等，实现了基础理论研究与工程实践的结合。基于对本项目研究结果的总结，共发表各类文章15篇，其中SCI期刊论文7篇，EI期刊论文6篇，国内核心期刊论文2篇，同时获批发明专利3项。