高性能水泥基復(fù)合材料的性能分析及應(yīng)用研究概述

蔡振興

摘 要：本文闡述的超高韌性水泥基復(fù)合材料屬于應(yīng)變硬化材料，延性好，高損傷容限，在荷載作用下，承載力高于普通混凝土，多形成無害裂縫，可以廣泛用于抗震要求嚴(yán)格的結(jié)裂縫控制嚴(yán)格、抗震耗能要求較高的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，應(yīng)用前景可觀。

關(guān)鍵詞：UHTCC材料;材料性能分析;工程應(yīng)用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.047

20世紀(jì)60年代以來，對(duì)于高性能水泥基復(fù)合材料的研究工作已經(jīng)取得大量的成果。隨著理論實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用研究工作的深入展開，一系列高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料相繼成功研發(fā)。2008年國內(nèi)成功研制出當(dāng)聚乙烯醇（PVA）纖維含量僅為2%時(shí)，拉伸應(yīng)變穩(wěn)定在0.03～0.05，裂縫寬度有效控制在100μm以內(nèi)，呈現(xiàn)多條細(xì)密裂縫開裂形態(tài)的超高韌性水泥基復(fù)合材料UHTCC[1]。

1 基本性能

纖維增強(qiáng)水泥基材料一般可劃分為變形硬化和變形軟化兩類，其中變形硬化材料又可細(xì)分為應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化。應(yīng)變硬化材料具有裂縫形成后的材料強(qiáng)度會(huì)大于初裂強(qiáng)度，試件應(yīng)變均勻且多縫開裂的典型特點(diǎn)。UHTCC材料在直接拉伸和彎曲荷載作用下均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化材料的受力和變形特點(diǎn)。

UHTCC材料在單軸拉伸試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的本構(gòu)特性，極限抗拉強(qiáng)度可穩(wěn)定達(dá)到6.0MPa，峰值拉應(yīng)變接近3.6%;且該材料裂縫無害化分散能力突出，即便在峰值荷載作用下，裂縫寬度仍可以有效控制在100μm以內(nèi)，有些甚至可以控制在50μm以內(nèi)。

UHTCC材料的壓縮性能試驗(yàn)研究表明，在水泥基體材料中添加適當(dāng)比例的纖維能改善材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，使UHTCC具有的開裂后的荷載承受能力、壓縮韌性和塑性變形性能明顯優(yōu)于混凝土。UHTCC和混凝土的多軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，UHTCC材料在側(cè)向壓力存在的情況下，強(qiáng)度和延性改善幅度更明顯。

UHTCC梁構(gòu)件承受橫向荷載作用時(shí)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和多縫開裂的特點(diǎn)，但與直接拉伸性能并不完全相同。UHTCC梁試件受彎出現(xiàn)第一條裂縫后，裂縫寬度可以穩(wěn)定在非常細(xì)窄的水平，此時(shí)材料的開裂強(qiáng)度與單向開裂強(qiáng)度幾乎相等。隨荷載增加，在梁截面彎矩作用較大的范圍內(nèi)先后出現(xiàn)與初始裂縫寬度相當(dāng)?shù)拇罅考?xì)微裂縫，載荷達(dá)到峰值后，某條微裂縫開始局部擴(kuò)展導(dǎo)致試件失效破壞，破壞時(shí)刻材料的極限抗彎強(qiáng)度約為開裂強(qiáng)度的五倍。UHTCC梁雖然具有與鋼筋混凝土梁相似的多縫開裂破壞形態(tài)，但鋼筋混凝土梁受拉區(qū)混凝土開裂脫落退出工作，主要是由縱向受拉鋼筋起作用， UHTCC梁則由隨機(jī)分布的亂向短纖維在受拉區(qū)發(fā)揮作用[2]。

2 工程應(yīng)用研究

UHTCC材料優(yōu)良的彎曲性能和裂縫無害化分散能力使其在結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次具有廣泛的工程應(yīng)用潛力。如用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)智能抗震耗能應(yīng)用研究，水工結(jié)構(gòu)物耐久性研究，橋面板、公路鋪裝面層的應(yīng)用研究、在對(duì)既有受損混凝土結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)研究及混凝土重力壩抗震加固研究等。

將UHTCC用于普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁、柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域，利用UHTCC的出眾的應(yīng)變硬化、多縫開裂性能，改善梁、柱節(jié)點(diǎn)的抗震耗能能力。與普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)相比，UHTCC節(jié)點(diǎn)的承載能力大大改善，在節(jié)點(diǎn)塑性變形集中區(qū)域形成大量細(xì)小的斜裂縫，且無貫穿裂縫;在梁端彎剪作用都較大的區(qū)域內(nèi)，也沒有形成沿縱筋方向的劈拉裂縫，沒有導(dǎo)致鋼筋外露。這個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象說明UHTCC同樣具有優(yōu)異的抗剪能力，在不影響承載能力和抗震能力的前提下，可以適當(dāng)能減少箍筋的用量，可以獲得較高的經(jīng)濟(jì)性?？拐鸬貐^(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)中用UHTCC取代普通混凝土用于塑性變形較大的區(qū)域，在地震往復(fù)荷載作用下，很多分散、細(xì)密的裂縫的形成將耗散更多的地震動(dòng)能量，即使沒有橫向抗剪箍筋，構(gòu)件良好的完整性仍能得到保證[2]。利用UHTCC良好的抗沖擊韌性和阻尼耗能能力，在鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中，替代塑性區(qū)的混凝土形成高阻尼抗震剪力墻，構(gòu)件的承載力大大提高，受力過程中剛度退化不明顯[3]。

替代鋼筋混凝土或傳統(tǒng)砌體材料，制成UHTCC預(yù)制填充板用于一系列基礎(chǔ)設(shè)施的抗震加固改造中，UHTCC與鋼筋的協(xié)調(diào)變形性能和較強(qiáng)的粘結(jié)特性會(huì)提高填充板的強(qiáng)度和剛度，耗能能力也增加，同時(shí)也能加快施工進(jìn)度，縮短工期。

將UHTCC作為公路橋路面鋪裝層材料進(jìn)行路面修復(fù)，多縫開裂的韌性特征使其具有傳統(tǒng)鋪面層材料沒有的抗疲勞裂縫擴(kuò)展能力，可以緩解傳統(tǒng)鋪面層在循環(huán)荷載反復(fù)作用下最容易出現(xiàn)的反射裂縫。UHTCC鋪面層的抵抗變形能力、抗彎承載能力及疲勞破壞壽命都明顯提高，能顯著改善道路的耐久性。研究還發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的復(fù)合面層的承載能力和疲勞壽命不受新修復(fù)的UHTCC鋪面層與原有混凝土基底材料之間粘結(jié)界面性質(zhì)的影響[2]。

對(duì)震后受損的帶裂縫混凝土構(gòu)件噴射UHTCC薄層進(jìn)行修復(fù)，薄層UHTCC可在一定范圍內(nèi)維持良好的應(yīng)力傳遞機(jī)制，將裂縫分散為數(shù)量較多的寬度在100μm以下的細(xì)微裂縫，裂縫控制效果良好，還能較大幅度提高受損混凝土構(gòu)件的承載能力和剛度。采用噴射薄層UHTCC與鋼絲網(wǎng)的復(fù)合加固方式，結(jié)構(gòu)加固效果更優(yōu)良[4]。

大型混凝土重力壩采用UHTCC置換壩體薄弱部位混凝土，可以有效減小混凝土壩體裂縫的寬度和深度，壩體的整體抗震性能得到明顯改善。

3 結(jié)論

超高韌性水泥基復(fù)合材料具有卓越的裂縫控制能力，抗震耗能能力、耐久性能優(yōu)異，深入發(fā)掘UHTCC的優(yōu)良性能，廣泛推廣到水工、港口、道路、橋梁及工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建筑。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（06）：45-60.

[2]蔡振興.配筋超高韌性水泥基復(fù)合材料梁彎矩性能分析[D].大連理工大學(xué)，2014.

[3]王義俊.新型高阻尼混凝土暗支撐剪力墻抗震性能與設(shè)計(jì)方法研究[D].湖南大學(xué)，2015.

[4]李偉平等.噴射超高韌性水泥基復(fù)合材料加固帶裂縫素混凝土梁的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].世界地震工程，2018，34（01）：166-172.