《高性能水泥基复合材料的性能分析与应用概述》
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摘 要：本文阐述的超高韧性水泥基复合材料属于应变硬化材料,延性好,高损伤容限,在荷载作用下,承载力高于普通混凝土,多形成无害裂缝,可以广泛用于抗震要求严格的结裂缝控制严格、抗震耗能要求较高的结构或结构构件中,应用前景可观.
关键词：UHTCC材料;材料性能分析;工程应用研究
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.047
20世纪60年代以来,对于高性能水泥基复合材料的研究工作已经取得大量的成果.随着理论实验研究和工程应用研究工作的深入展开,一系列高性能纤维增强水泥基复合材料相继成功研发.2008年国内成功研制出当聚乙烯醇（PVA）纤维含量仅为2%时,拉伸应变稳定在0.03～0.05,裂缝宽度有效控制在100μm以内,呈现多条细密裂缝开裂形态的超高韧性水泥基复合材料UHTCC[1].
1 基本性能
纤维增强水泥基材料一般可划分为变形硬化和变形软化两类,其形硬化材料又可细分为应变硬化和应变软化.应变硬化材料具有裂缝形成后的材料强度会大于初裂强度,试件应变均匀且多缝开裂的典型特点.UHTCC材料在直接拉伸和弯曲荷载作用下均表现出应变硬化材料的受力和变形特点.
UHTCC材料在单轴拉伸试验过程中表现出应变硬化的本构特性,极限抗拉强度可稳定达到6.0MPa,峰值拉应变接近3.6%;且该材料裂缝无害化分散能力突出,即便在峰值荷载作用下,裂缝宽度仍可以有效控制在100μm以内,有些甚至可以控制在50μm以内.
UHTCC材料的压缩性能试验研究表明,在水泥基体材料中添加适当比例的纤维能改善材料的应力应变关系,使UHTCC具有的开裂后的荷载承受能力、压缩韧性和塑性变形性能明显优于混凝土.UHTCC和混凝土的多轴压缩试验发现,与普通混凝土相比,UHTCC材料在侧向压力存在的情况下,强度和延性改善幅度更明显.
UHTCC梁构件承受横向荷载作用时表现出应变硬化和多缝开裂的特点,但与直接拉伸性能并不完全相同.UHTCC梁试件受弯出现第一条裂缝后,裂缝宽度可以稳定在非常细窄的水平,此时材料的开裂强度与单向开裂强度几乎相等.随荷载增加,在梁截面弯矩作用较大的范围内先后出现与初始裂缝宽度相当的大量细微裂缝,载荷达到峰值后,某条微裂缝开始局部扩展导致试件失效破坏,破坏时刻材料的极限抗弯强度约为开裂强度的五倍.UHTCC梁虽然具有与钢筋混凝土梁相似的多缝开裂破坏形态,但钢筋混凝土梁受拉区混凝土开裂脱落退出工作,主要是由纵向受拉钢筋起作用, UHTCC梁则由随机分布的乱向短纤维在受拉区发挥作用[2].
2 工程应用研究
UHTCC材料优良的弯曲性能和裂缝无害化分散能力使其在结构构件层次具有广泛的工程应用潜力.如用于复杂结构智能抗震耗能应用研究,水工结构物耐久性研究,桥面板、公路铺装面层的应用研究、在对既有受损混凝土结构的加固补强修复研究及混凝土重力坝抗震加固研究等.
将UHTCC用于普通钢筋混凝土框架结构梁、柱节点核心区域,利用UHTCC的出众的应变硬化、多缝开裂性能,改善梁、柱节点的抗震耗能能力.与普通钢筋混凝土节点相比,UHTCC节点的承载能力大大改善,在节点塑性变形集中区域形成大量细小的斜裂缝,且无贯穿裂缝;在梁端弯剪作用都较大的区域内,也没有形成沿纵筋方向的劈拉裂缝,没有导致钢筋外露.这个试验现象说明UHTCC同样具有优异的抗剪能力,在不影响承载能力和抗震能力的前提下,可以适当能减少箍筋的用量,可以获得较高的经济性.抗震地区的桥梁结构中用UHTCC取代普通混凝土用于塑性变形较大的区域,在地震往复荷载作用下,很多分散、细密的裂缝的形成将耗散更多的地震动能量,即使没有横向抗剪箍筋,构件良好的完整性仍能得到保证[2].利用UHTCC良好的抗冲击韧性和阻尼耗能能力,在钢筋混凝土剪力墙结构中,替代塑性区的混凝土形成高阻尼抗震剪力墙,构件的承载力大大提高,受力过程中刚度退化不明显[3].
替代钢筋混凝土或传统砌体材料,制成UHTCC预制填充板用于一系列基础设施的抗震加固改造中,UHTCC与钢筋的协调变形性能和较强的粘结特性会提高填充板的强度和刚度,耗能能力也增加,同時也能加快施工进度,缩短工期.
将UHTCC作为公路桥路面铺装层材料进行路面修复,多缝开裂的韧性特征使其具有传统铺面层材料没有的抗疲劳裂缝扩展能力,可以缓解传统铺面层在循环荷载反复作用下最容易出现的反射裂缝.UHTCC铺面层的抵抗变形能力、抗弯承载能力及疲劳破坏寿命都明显提高,能显著改善道路的耐久性.研究还发现修复后的复合面层的承载能力和疲劳寿命不受新修复的UHTCC铺面层与原有混凝土基底材料之间粘结界面性质的影响[2].
对震后受损的带裂缝混凝土构件喷射UHTCC薄层进行修复,薄层UHTCC可在一定范围内维持良好的应力传递机制,将裂缝分散为数量较多的宽度在100μm以下的细微裂缝,裂缝控制效果良好,还能较大幅度提高受损混凝土构件的承载能力和刚度.采用喷射薄层UHTCC与钢丝网的复合加固方式,结构加固效果更优良[4].
大型混凝土重力坝采用UHTCC置换坝体薄弱部位混凝土,可以有效减小混凝土坝体裂缝的宽度和深度,坝体的整体抗震性能得到明显改善.
3 结论
超高韧性水泥基复合材料具有卓越的裂缝控制能力,抗震耗能能力、耐久性能优异,深入发掘UHTCC的优良性能,广泛推广到水工、港口、道路、桥梁及工业与民用建筑领域,实现绿色节能建筑.
参考文献：
[1]徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报,2008,41（06）：45-60.
[2]蔡振兴.配筋超高韧性水泥基复合材料梁弯矩性能分析[D].大连理工大学,2014.
[3]王义俊.新型高阻尼混凝土暗支撑剪力墙抗震性能与设计方法研究[D].湖南大学,2015.
[4]李伟平等.喷射超高韧性水泥基复合材料加固带裂缝素混凝土梁的力学性能实验研究[J].世界地震工程,2018,34（01）：166-172.
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