超高性能混凝土中纤维与基体的匹配及其对疲劳性能的影响研究

UHPC is made of high strength cement matrix and fiber, and has high strength, toughness, impact resistance, durability. It has broad application prospects in engineering. The main function of the fiber is to block the expansion of the cracks in the matrix. However, the formation and development of the cracks will be induced by the ITZ between fibers and matrix. Especially in UHPC, the cement matrix is compact, the effect of interface of fibers and matric on crack development and the properties of UHPC is significant, including long-term fatigue performance. However, due to the lack of the matching theory of matrix and fiber, the application of fiber in UHPC mainly depend on experiment and experience. Therefore, this project is put forward to reveal influence of fiber on stress / strain distribution and the development of the cracks in UHPC under dynamic and static load by DIC method and numerical analysis. Based on strength and fatigue properties of UHPC matching theory between fiber and the cement matrix and fatigue damage model of UHPC will be proposed to guide the design, preparation of UHPC.

UHPC由高强水泥基体和纤维组成，具有非常优异的强度、韧性、抗冲击性和耐久性等，在工程领域具有广阔的应用前景。其中，纤维主要作用为阻断基体中裂缝的扩展，然而纤维的加入产生的界面也会诱发裂缝的形成与发展，特别是在UHPC中水泥石基体结构致密，本征缺陷小，纤维界面对裂缝形成与扩展的影响尤为显著，进而影响UHPC的性能，如长期疲劳性能等。但由于缺乏高强基体与纤维匹配的基础数据和理论，目前UHPC中纤维的使用主要由试验和经验确定。鉴于此，本项目提出采用DIC和数值分析相结合，获取荷载作用下纤维对高强水泥基体材料内部应力/应变再分布影响；揭示各种（包括颗粒、纤维）界面在应力作用下的演化规律；阐明动、静荷载作用下UHPC中纤维对裂缝形成与发展的影响，进而基于力学性能和疲劳性能建立纤维和水泥石基体匹配理论和UHPC在微观和细观结构层次上的疲劳损伤模型，为UHPC的长期性能设计、制备奠定理论基础。

UHPC是一种具有超高强度、超高韧性和优异耐久性的新型水泥基复合材料，通常使用纤维作为增强增韧材料。目前已有较多纤维增韧水泥基材料的机理研究，但主要集中在纤维阻裂和桥联裂缝面等方面。实际上，纤维的引入一方面可起到阻裂和桥联裂缝的作用，另一方面却向UHPC引入界面缺陷。因为UHPC基体结构非常致密，纤维与水泥基体之间的界面缺陷对超高性能混凝土的力学性能影响尤其显著，随着基体强度的增加，纤维的负效应也会越明显，且与因纤维尺寸密切相关。因此，在UHPC中存在着纤维正负效应的竞争机制，且随基体强度和纤维尺寸的变化而变化，说明纤维与基体间存在匹配问题。为此，本文主要探究了纤维的类型、尺寸和方向等参数对不同基体强度等级UHPC的正面作用（阻裂增韧）和负面作用（诱导裂缝），在此基础上根据不同纤维对不同基体强度UHPC的力学性能的改善效果及机理提出了纤维与UHPC之间的匹配理论，丰富和完善了超高性能混凝土设计理论。