超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)疲劳性能的研究

通过材料自身性能的大幅提升进而提高大型基础设施钢筋混凝土结构的使用寿命是目前国际上前沿研究热点之一。在已有学者针对超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）的静力特性开展大量研究的基础上，本项目着重对这一新型耗能抗裂材料的疲劳特性开展研究。通过开展直接拉伸、单轴拉压和四点弯曲荷载下的静力与疲劳试验，深入了解应变硬化材料UHTCC在反复循环荷载作用下的纤维桥联微观破坏机理，分析多缝开裂条件下具有多个疲劳源的UHTCC材料疲劳损伤演化机制，建立其疲劳累计损伤模型，建立能够准确描述UHTCC在单轴拉压疲劳荷载作用下的宏观力学响应特征的材料本构关系。然后开展UHTCC构件的循环荷载作用下破坏过程的有限元数值模拟，为开展实际结构的有限元数值模拟和疲劳寿命预测提供实验基础和科学依据。项目研究内容为开展UHTCC工程应用、提高结构耐久性和健康服役寿命提供科学依据和新途径，具有重要的学术意义和工程应用价值。

为推进超高韧性水泥基复合材料UHTCC的工程应用、提高结构耐久性和健康服役寿命，本项目对UHTCC在疲劳荷载下的性能进行了试验研究。主要研究内容及成果如下：.（1）开展了UHTCC的弯曲疲劳性能试验研究。结果表明：在弯曲疲劳荷载作用下，UHTCC仍表现出多缝开裂特征，随应力水平的降低，UHTCC试件裂缝数目减少，二者之间近似呈双线性关系。UHTCC试件的疲劳破坏表现出延性破坏特征，其S-N曲线具有双线性特征。此外建立了UHTCC的疲劳损伤损伤演变方程。.（2）基于描述疲劳裂纹扩展规律的Paris公式，对UHTCC的疲劳裂纹扩展理论进行了研究，用宏观裂缝覆盖面积A作为描述其裂缝发展的参量，通过试验验证其适用性。结果表明，疲劳荷载作用下UHTCC预制切口试件有多条裂缝产生，其位置、形状、长度皆随机分布；随纤维掺量的增加，UHTCC试件的疲劳裂纹扩展速率成递减趋势；同时当疲劳过程中的断裂能小于某一临界值△Jth时，疲劳裂缝不扩展。.（3）针对UHTCC可能的工程应用，对UHTCC/混凝土复合梁进行弯曲疲劳试验，有以下发现：疲劳荷载作用下，梁截面变形符合平截面假定；同一应力水平下，受压区高度随荷载循环次数增加而降低；疲劳荷载下，复合梁的UHTCC层产生若干条可见裂缝，数目随应力水平降低而减少；疲劳变形曲线呈现三阶段发展，变形能力随应力水平减小而降低。.（4）研究了UHTCC抗压性能的尺寸效应，对四组不同高厚比UHTCC棱柱体试件的压缩性能进行了试验研究，得到了受压应力-应变全曲线。研究结果显示抗压峰值应变εt（名义应变）与真实应变εr关系紧密，具有近似的比例关系。在试验结果与分析的基础上提出了一个适用于不同高厚比的UHTCC压缩应力-应变模型。 .（5）通过在常应力幅疲劳荷载作用下UHTCC的疲劳性能试验，开展了对于UHTCC受压、受拉和拉压疲劳性能的试验研究。分析了UHTCC在疲劳荷载作用下裂缝的发展规律，得到了UHTCC的疲劳S-N曲线方程及p-S-N曲线方程，并探究了UHTCC的疲劳变形性能。