[发明专利]用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年9月11日提交的美国发明专利申请12/208,714和2007年9月13日提交的美国临时专利申请60/972,030的优先权，其公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本教导涉及纤维增强脆性基体复合材料，更具体涉及在拉伸下表现出应变硬化行为和即使在遭受冲击负载时也保持至少1％的拉伸韧性的纤维增强脆性基体复合材料。

背景技术及发明内容

本节声明仅提供涉及本公开内容并且可不构成现有技术的背景技术信息。

恐怖袭击和自然灾害突出要求在诸如炸弹爆炸和飞行物撞击等的极限负载下确保大型结构中的人员安全。虽然混凝土多年来用作卓越且成功的建筑材料，但是增强混凝土结构在极端动态载荷下可能是脆弱的。例如，1996年俄克拉荷马市爱法特穆阿联邦大楼的大部分垮塌说明增强混凝土结构在遭到炸弹爆炸时的脆弱性。

增强混凝土结构遭到爆炸/撞击时的许多灾难性的破坏与混凝土材料的拉伸脆性有关。虽然撞击/爆炸在结构的负载侧产生压缩应力波，但是其在碰撞到结构件的背侧上的自由边界之后反射成为拉伸应力波。此外，混凝土的拉伸强度通常远低于(约一个数量级)其压缩强度。因此，如Malvar和Ross所提出的那样，混凝土的拉伸特性一般决定了混凝土在撞击/爆炸下的破坏。混凝土的脆性破坏例如开裂、散裂和破裂经常在遭到爆炸/撞击的增强混凝土中观察到，并且会导致结构完整性的严重损坏。除此之外，从结构件的背侧射出的高速散裂碎片可能对结构件后方的人员造成严重伤害。

已经对增强混凝土结构件的冲击/爆炸响应以及增强混凝土结构件的抗冲击/爆炸负载的缓和设计进行了深入的研究。诸如加厚结构件的尺寸、增加钢筋用量、特殊的增强细节设计、安装额外的剪力墙等的当前实践将重点放在结构设计和细节设计和/或增加冗余度上以减小袭击后逐渐坍塌的可能性。一种解决部分上述挑战的替代解决方案是内在地赋予混凝土材料拉伸韧性。韧性混凝土对于抑制脆性破坏模式以及增强当前设计方法的效率和性能将是高度期待的。赋予混凝土韧性的最有效方式是利用纤维增强。

虽然通过纤维增强使得混凝土的破坏刚性显著改善，但是大多数的纤维增强混凝土仍旧表现出在拉伸负载下半脆性峰值后拉伸软化行为，其中负载随裂纹开口的增大而下降。因此，拉伸应变能力保持大约与普通混凝土一样低，即约0.01％。将纤维增强混凝土的这种半脆性行为转变为类似于韧性金属的韧性应变硬化行为已经取得了显著成效。在很多例子中，方法是尽可能地增加纤维的体积分数。当纤维含量超过特定值(通常根据纤维类型和界面性质为4～10％)时，常规纤维增强混凝土可能表现出中等应变硬化行为。例如，授予受让人Bouygues、Lafarge和Rhodia Chimie的法国专利WO 99/58468公开了一种在水泥基体中分散有机纤维的高性能混凝土，其中所述基体利用极硬的小直径填料进行高度压实以获得高强度。当加入体积分数为4％的聚乙烯醇纤维时，获得应变能力小于0.5％的中等应变硬化行为。

然而，高体积分数的纤维导致相当严重的加工问题。纤维分散体由于纤维的高表面积以及纤维之间的力学相互作用的存在所导致的高粘度而难以混合以及难以转运和放置。已经提出了多种加工技术以克服加工性问题。例如，Shah等人的美国专利5,891,374公开了利用挤出工艺生产具有拉伸下应变硬化行为的纤维增强的水泥质复合材料，其中使用体积分数大于4％的纤维。该挤出的复合材料的拉伸应变能力保持为低于1％。

本教导提供一种新型的应变硬化水泥质复合材料：工程水泥质复合材料的特征在于通常低于3体积％的低纤维含量和通常大于3％的高应变能力。这种工程水泥质复合材料的设计是基于对利用随机分布的短纤维增强的水泥质复合材料中应变硬化的微力学的理解。基于该微力学模型仔细选择和调节纤维、基体和界面，以确保该复合材料在遭受半静态负载时在低纤维含量下表现出拉伸应变硬化的行为。该混合物保持有利的加工性并且可以如普通混凝土那样进行转运和放置。

类似于混凝土和许多其它工程材料，工程水泥质复合材料具有表现出速率依赖性的力学特性。图1示出工程水泥质复合材料M45(在当前工程实践中最广泛研究的工程水泥质复合材料类型)经历不同的应变速率时的拉伸应力-应变曲线。应变速率范围为10^-5～10^-1s^-1，对应于低速冲击的半静态负载。如图1b所示，对于M45发现拉伸韧性随应变速率增加而递降的趋势。在最高应变速率下，拉伸韧性从3.0％下降到0.5％。发现第一裂纹强度和断裂拉伸强度随应变速率增加而增加。