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水利学报

2009年9月SHUILIXUEBAO第40卷第9期

文章编号:055929350(2009)0921055209

超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

徐世,蔡向荣
(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室结构分室,辽宁大连116024)

摘要:研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。本
文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和
抗裂性能。试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性
和高能量吸收能力。极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm左右。拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,
平均裂缝间距1mm左右。其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。
通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。缺口拉伸试件和缺口梁试
件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。4种试验的结果证
明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。
关键词:超高韧性水泥基复合材料;假应变硬化;多缝开裂;高延性;高韧性;高能量吸收能力
中图分类号:TU5281572文献标识码:A

1研究背景

水利工程是我国的一项基础产业工程,目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发,2008年第四
季度国家新增200亿元中央水利建设投资加快水利基础设施建设。水利工程建设耗资巨大,如果水利
工程结构耐久性不足,将增加建筑物使用过程中的修理与加固费用,影响或限制结构的正常使用功能并
缩短结构的使用年限,影响效益和安全,不仅造成经济损失,而且严重浪费资源,引发社会问题。因此有
必要全方位、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性,延长工程使用寿命,确保国家可持续发展战略
在水利建设开发过程中的有效实施。
裂缝是影响水工混凝土质量和耐久性的首要因素,如何有效地控制水工混凝土裂缝的产生和扩展
是目前解决水工混凝土结构耐久性问题的关键之一。从材料的角度来讲,控制裂缝的方法主要是减少
水泥用量、使用外加剂和添加纤维。其中纤维的添加可以更为有效地控制混凝土裂缝的形成和扩展,提
高混凝土的延性和韧性,能较好的解决由于荷载作用或其他变形作用引起的混凝土开裂,成为提高水工
混凝土结构耐久性的有效方法之一。
目前各种纤维混凝土的研究和应用已经取得了丰硕的成果,尤其是高性能纤维混凝土的研究和应
用在较大程度上解决了混凝土的开裂问题[1-4]。但是普通的高性能纤维混凝土通常采用较大的钢纤维
体积掺量,不仅成本增加,重量大,施工困难,而且其裂缝控制宽度一般在几百个微米,尤其当应变超过
115%时基本上不能再控制裂缝宽度[5]。根据国内外设计规范及有关试验资料,混凝土最大裂缝宽度的
控制标准大致为:无侵蚀介质无防渗要求时013～014mm;轻微侵蚀、无防渗要求时012～013mm;严重侵
蚀、有防渗要求时011～012mm。为了能更好的控制混凝土在各种荷载和变形下的裂缝宽度,提高混凝

收稿日期:2008212212
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50438010);南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(JGZXJJ2006213)
作者简介:徐世(1953-),男,湖北人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型材料与结构、超高韧性水泥
基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究。E2mail:[e-mail]

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土结构的抗裂防渗性能,20世纪90年代初美国密歇根大学成功研制了一种中等纤维体积掺量的随机
短纤维增强高性能水泥基复合材料(Engineeredcementitiouscomposites,简称ECC)[6-8]。它采用聚乙烯纤
维或聚乙烯醇纤维作为增强材,以水泥净浆或特制水泥砂浆为基体,通过细观力学、断裂力学和数理统
计方法选择合理的纤维、基体和界面性能参数。这种新型材料在拉伸、弯曲等荷载作用下具有假应变硬
化和多缝开裂的特性,最大裂缝宽度可以控制在011mm以内,可以有效的防止外界有害物质的侵入,提
高水工结构的耐久性。由于荷载作用下大量细密裂缝的产生使它同时具有高延性、高韧性和高能量吸
收能力,解决了混凝土本身固有的脆性。目前这种材料已经在日本、美国、韩国、瑞士和澳大利亚投入使
用[9-11]。由于它在提高结构的裂缝控制能力、增加结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性
方面具有显著的效果[8],所以除了应用于水利工程提高水工结构的抗裂、抗侵蚀、抗冻融等耐久性能以
外,它还可以用于桥梁工程、道路路面工程