ECC配制、评价指标及动、静态荷载作用下断裂破坏机理研究

ECC由于出现假应变硬化和多缝现象，其配制设计及断裂破坏机理研究是当前研究的热点和难点问题，而动态荷载作用下断裂破坏机理的研究文献尚未发现。本课题利用四点弯曲韧性、基体断裂韧度代替直接拉伸的抗拉强度和极限拉应变，评价合理配制的ECC应变硬化程度；采用扫描电镜研究国产纤维、进口纤维与基体粘结的不同、最终破坏形态的不同；利用三点弯曲切口梁，研究分别在动、静态荷载作用下，裂缝扩展规律的差别；采用电测法，测试ECC的起裂荷载以及缝端的应力分布；建立拉伸本构模型及粘结应力-裂缝宽度曲线模型，采用非线性有限元软件预测ECC的P-CMOD曲线，计算断裂参数，并与实验结果进行对比分析，验证模型的合理性和有效性；本研究成果给出合理配制ECC简单易实现的评价指标，便于工程应用；通过试验研究、理论分析和数值模拟计算的方法揭示了ECC在动、静态荷载作用下的断裂破坏机理，对应变硬化材料的断裂破坏评定有重要意义。

经过试验发现,国产PVA纤维，体积掺量小于1.3%时，纤维在基体中分散性、流动性较好，扩展半径大于500mm，若掺量再增加，出现结团现象，影响材料流动性和使用性能；但其配置的ECC极限拉应变最大可达5000微应变，出现3-4条裂缝，产生应变硬化现象，若对极限拉应变要求不高，采用国产PVA纤维配制ECC具有很强的工程应用前景和经济效益。而采用0.4%国产纤维代替进口纤维，力学性能没有降低，而每立方ECC造价可降低884元，经济效益显著。建立400mm×100mm×100mm梁抗弯拉应变与跨中挠度之间的对应关系，给出利用梁底部贴片法计算抗拉弹性模量的方法。给出ECC基体起裂荷载和CTODC的两种确定方法。 利用电测法，给出ECC两种估计出裂缝扩展长度的方法，给出ECC测定多缝开裂结束时对应荷载的确定方法，提出三K断裂准则，并计算多缝开裂断裂韧度 ;提出三J（G)断裂准则，计算出三J（G)断裂参数中的多缝开裂J积分值。利用XFEM应力云图，可确定全桥应变片粘贴大体范围，为电测法提供更为精确的粘贴方法。XFEM方法能够模拟ECC裂缝张开扩展过程，计算时间短，裂缝模拟方便、快捷。最大荷载模拟结果与试验结果误差为7.56%，起裂荷载结果非常接近，因此利用XFEM模拟ECC的峰值荷载和起裂荷载是可行的。疲劳断裂破坏造成的事故无论从经济上还是从生命安全上都是极为严重的，研究疲劳断裂破坏的问题极为迫切和严峻。本课题依据疲劳裂缝扩展规律的Paris公式，对ECC不同缝高比试件的疲劳裂纹扩展理论进行了研究和计算,用宏观裂缝覆盖面积 代替裂纹长度 作为裂纹扩展的参量，得到2%进口纤维和1%国产纤维的 - 关系方程和 - 关系方程。并发现，大尺寸试件疲劳裂缝扩展门槛值 小于小尺寸试件；随着荷载幅值增大，疲劳裂纹扩展速率也增大，反之，则降低；缝高比越大，试件疲劳裂纹扩展速率 越大，而疲劳裂纹扩展门槛值 越小；并得到不同缝高比试件的拟合直线公式、疲劳裂缝扩展速率函数关系式。利用XFEM在疲劳荷载作用下断裂破坏的模拟中得到，动载次数相同时，较高加载频率会加速模型的破坏，降低其承载力；应力水平越高，构件承受的动载循环次数越少；而应力水平的影响要远远大于疲劳次数；试件越大，承载能力和相应的CMOD越小，有一定的尺寸效应；缝高越大，承载能力越小，仿真模拟结果既是对试验结果的补充，也验证了仿真模拟的有效性