荷载-环境耦合作用下超高韧性水泥基复合材料的抗疲劳机理研究与应用

Engineered Cementitious Composite(ECC) made the raw material(including desert sands) of Xinjiang region will be carried out in this project to study the basic mechanical property and fatigue mechanism of ECC using tests and finite element simulation. Axial compression experiment, uniaxial tensile experiment, flexural experiment, shear experiment, impulse experiment and fatigue experiment, etc. will be carried out to obtain the failure mode, strain hardening feature, deformability and fatigue property of Engineered Cementitious Composite. Finite element simulation will be used for simulation and parameters studies to obtain the influence of fiber, matrix and interface. The ECC mechanical model will be made with the factor analysis. Based on results of experimental and numerical data, technical principle of Engineered Cementitious Composite in Xinjiang region will be established so as to provide theoretical foundation for the application of Engineered Cementitious Composite.

本项目针对新疆地区原材料(包括沙漠砂)配制的超高韧性水泥基复合材料，并考虑荷载-环境耦合作用，采用试验和有限元模拟相结合，研究其基本力学性能和抗疲劳机理。通过受压试验，受拉试验、弯曲试验、剪切试验、冲击试验和疲劳试验等，得到超高韧性水泥基复合材料的破坏模式、应变硬化特征、变形能力、疲劳性能等。通过有限元模拟及参数分析，研究材料中的纤维、基体和界面各组分的影响，建立力学模型进行影响因素分析。最后，基于试验和有限元模拟结果，提出适合新疆地区的超高韧性水泥基复合材料的技术原理，为该材料在新疆地区的应用和推广提供理论支撑。

本项目结合新疆地区原材料（包括沙漠砂）制备出超高韧性水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite, 简称 ECC)，通过试验及有限元模拟方法探究材料组分对ECC材料抗压，抗拉，抗弯及冲击性能的影响。并利用SEM与XRD技术对掺沙漠砂和纤维的超高韧性水泥基复合材料进行微观分析，通过建立微观分析模型，研究其基体及界面过渡区的粘结力，并对理论和试验结果进行了对比分析。对不同冻融次数后的ECC梁进行四点弯曲加载试验，考察其表观形态、质量损失率、相对动弹性模量等，得到了其在冻融-荷载作用下的损伤规律。研究结果表明：PE纤维与PVA纤维均能制备出具有多缝开裂的ECC；矿物掺合料掺量的增加对ECC抗拉性能的影响没有明显规律，但随着龄期增加其抗拉强度逐渐增加，增加速度逐渐减缓；随着沙漠砂替代率的增加，其抗拉强度，抗弯强度均先增加后降低，当沙漠砂掺量为40%时达到最佳值；材料组分的改变对抗压性能的影响不明显。在上述研究基础上，得到了新疆地区超高韧性水泥基复合材料的基本力学性能。为进一步分析超高韧性水泥基复合材料的疲劳性能，在考虑纤维与基体粘结强度的基础上建立了PE-ECC界面拉拔力模型，对界面拉拔力系数进行了修正，并对理论结果和试验结果进行了比较分析。制作了PE-ECC梁，进行冻融后加载试验，通过试验发现，随着冻融次数的增加，ECC梁的脆性逐渐增加，但较普通混凝土的韧性较有所提高。通过数值模拟，进行了超高韧性水泥基复合材料的抗冲击疲劳参数分析，分析了其抗冲击性能。