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超高韧性水泥基复合材料拉伸力学行为解析模型

作　者: 黄东
导　师: 徐世烺
学　校: 大连理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 超高韧性水泥基复合材料拉伸强度应力-裂缝开口曲线应变硬化
分类号: TU525
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites, UHTCC)是一种掺加乱向短聚乙烯醇纤维(PVA)增强的高性能水泥基复合材料,在拉伸过程中有类似于金属材料的应变硬化特性以及比一般纤维水泥基材料更好的微裂缝控制能力。其直接拉伸极限应变可稳定的达到3%,最大的裂缝宽度可以控制在0.1mm以内,采用这种材料的结构将有助于解决混凝土的韧性差,易开裂的特点。本文针对该材料的拉伸宏观力学行为,采用微观力学和断裂力学来分析微观参数对材料性能的影响。(1)首先介绍了纤维水泥基复合材料国内外的研究状况,阐述了超高韧性水泥基复合材料应变硬化行为理论,着重介绍了超高韧性水泥基复合材料研究发展的过程和工程应用。(2)将超高韧性水泥基复合材料的直接拉伸过程分为三个阶段来分析来建立强度模型。为了建立材料微观参数与宏观性能之间的关系,首先介绍了单根PVA纤维的拔出试验,根据试验结果建立单根PVA纤维拔出模型,在模型基础上利用微观力学分析了单根纤维与基体的粘结滑移关系,最终建立单根纤维的应力-位移关系。(3)在单根PVA纤维分析的基础上,利用直接拉伸试验分析和微观参数分析建立了超高韧性水泥基复合材料的强度模型,并利用试验数据来检验解析结果,对比结果表明解析强度模型与试验结果是一致的,解析结果能够反映复合材料的拉伸强度。(4)根据上述建立的微观参数与宏观力学行为之间的关系,分析了材料参数如纤维体积参量、纤维与基体界面强度对材料开裂强度、极限强度、应变硬化行为等宏观力学性能的影响,结果表明纤维体积含量和界面强度对材料的强度和应变硬化行为影响是显著的。(5)针对超高韧性水泥基复合材料直接拉伸强度,通过多因素的改变来分析提高材料强度的可能,并检验其是否满足材料应变硬化条件的要求。结果表明在尽可能不影响超高韧性水泥基复合材料应变硬化特性的前提下,通过提高基体断裂韧度和纤维强度来提高材料拉伸强度(特别是初裂强度)是一条有效的途径。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-25
  1.1 研究的背景和意义  10-12
  1.2 超高韧性水泥基复合材料基本力学行为  12-15
  1.3 超高韧性水泥基复合材料的研究现状及工程应用  15-23
    1.3.1 超高韧性水泥基复合材料国外研究现状  15-18
    1.3.2 超高韧性水泥基复合材料国内研究现状  18-19
    1.3.3 超高韧性水泥基复合材料的工程应用  19-23
  1.4 本文的主要工作  23-25
2 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸过程分析  25-33
  2.1 引言  25
  2.2 UHTCC直接拉伸试验  25-28
    2.2.1 直接拉伸试验装置  25-26
    2.2.2 直接拉伸试验试件  26-28
  2.3 UHTCC直接拉伸试验结果  28-29
  2.4 UHTCC直接拉伸过程特性分析  29-31
    2.4.1 应力应变曲线模型  29-30
    2.4.2 直接拉伸过程阶段分析假设  30-31
  2.5 本章小结  31-33
3 单根PVA纤维拔出模型理论分析  33-42
  3.1 引言  33
  3.2 PVA纤维的特性  33-35
  3.3 单根PVA纤维拔出试验  35-37
  3.4 PVA纤维拔出过程分析  37-41
    3.4.1 单根PVA纤维松解阶段分析  37-39
    3.4.2 单根PVA纤维拔出滑移阶段分析  39-40
    3.4.3 纤维临界长度  40-41
  3.5 本章小结  41-42
4 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸强度解析  42-55
  4.1 引言  42
  4.2 超高韧性水泥基复合材料桥接纤维解析  42-44
  4.3 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸初裂强度解析  44-47
    4.3.1 UHTCC弹性初裂阶段分析  44-45
    4.3.2 UHTCC初裂强度理论值  45-47
  4.4 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸极限强度解析  47-49
    4.4.1 UHTCC多缝开裂阶段分析  47-48
    4.4.2 UHTCC极限强度理论值  48-49
  4.5 UHTCC解析强度结果分析  49
  4.6 PVA纤维体积含量对UHTCC强度的影响  49-51
  4.7 PVA纤维与基体界面强度对UHTCC强度的影响  51-53
    4.7.1 界面强度对UHTCC初裂强度的影响  51-52
    4.7.2 界面强度对UHTCC极限强度的影响  52-53
  4.8 本章小结  53-55
5 UHTCC应力-裂缝开口模型及应变硬化分析  55-62
  5.1 引言  55
  5.2 UHTCC纤维桥接应力-裂缝开口模型  55-56
  5.3 UHTCC应力-裂缝开口模型  56-57
  5.4 UHTCC应变硬化分析  57-60
    5.4.1 UHTCC应变硬化条件  57-58
    5.4.2 纤维体积含量对UHTCC应变硬化行为的影响  58-59
    5.4.3 界面强度对UHTCC应变硬化行为的影响  59-60
  5.5 本章小结  60-62
6 UHTCC拉伸强度提高分析  62-72
  6.1 引言  62
  6.2 利用基体断裂韧度和界面强度改变提高UHTCC强度分析  62-67
    6.2.1 基体断裂韧度和界面强度改变提高UHTCC初裂强度分析  62-64
    6.2.2 基体断裂韧度和界面强度改变提高UHTCC极限强度分析  64-66
    6.2.3 应变硬化分析  66-67
  6.3 利用基体断裂韧度和纤维强度改变提高UHTCC强度分析  67-71
    6.3.1 基体断裂韧度改变提高UHTCC初裂强度分析  67-68
    6.3.2 PVA纤维强度改变提高UHTCC极限强度分析  68-70
    6.3.3 应变硬化分析  70-71
  6.4 结论  71-72
7 结论与展望  72-74
  7.1 主要结论  72
  7.2 研究展望  72-74
参考文献  74-79
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  79-80
致谢  80-82

超高韧性水泥基复合材料拉伸力学行为解析模型

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