[发明专利]一种基于微观力学和断裂力学试验的ECC配方设计方法

说明书

技术领域

本发明设计一种高韧性水泥基工程复合材料的配方优化设计方法，特别是设计一种基于微观力学和断裂力学试验方法的ECC(高韧性水泥基工程复合材料，Polypropylene Engineered Cementitious Composites，简称ECC)配方设计方法。

背景技术

高韧性水泥基工程复合材料以水泥砂浆为基体，采用聚乙烯纤维(Polyethylene，PE)或聚乙烯醇纤维(Polyvinyl alcohol，PVA)作为纤维增强材料，掺加适量的硅粉、一级粉煤灰，化学添加剂如减水剂、增稠剂，消泡剂等，根据《纤维混凝土试验方法标准》拌合工艺制备而成。在拉伸、弯曲和剪切荷载下高韧性水泥基工程复合材料具有应变硬化、多缝开裂的特性，在构件上呈现出高延性的特征。

常用的高韧性水泥基工程复合材料的配方设计方法多采用配方表法、绝对体积法、正交设计试验法。配方表法是一种较为简便的设计方法，但通过这种方法选取的配合比配制的高韧性水泥基工程复合材料性能优劣具有一定的随机性，更重要的是高韧性水泥基工程复合材料的力学性能严重依赖于原材料性能，而各地材料(如纤维、水泥和粉煤灰)的性能均有差异。绝对体积法在进行配方设计时在材料用量计算、选择时存在较大的误差，需要进行较多次数的试配试验。正交设计试验法在目标函数关系未知的情况下无法实现以设计目标为导向的可靠设计。以上配方试验方法在使用时存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于微观力学和断裂力学试验方法的ECC配方设计方法，该方法主要是采用基于微观力学和断裂力学模型进行高韧性水泥基工程复合材料的配方设计，此方法在水泥基质和纤维参数的选择上具有更好的理论依据和科学性。

本发明的技术方案是：

一种基于微观力学和断裂力学试验方法的ECC配方设计方法，包括以下步骤：

(1)确定高韧性水泥基工程复合材料配方的预定目标；

(2)根据预定目标对高韧性水泥基工程复合材料的纤维参数进行合理的选择和控制，如纤维类型、长度、直径；

(3)根据预定目标对高韧性水泥基工程复合材料的基体进行选择，如基体各组分预配、确定基体断裂韧性K_m、弹性模量E_m，其中，基体为除纤维之外的其他所有组分，基体的选择要满足上述稳态开裂准则、初裂应力准则和多缝开裂饱和指标；

(4)通过进行纤维-界面拉拔试验确定纤维-界面的影响因素，如界面摩擦粘结强度τ、和纤维-界面之间的缓冲因子g；

(5)根据已选择的纤维长度、直径、基体的断裂韧性K_m、基体弹性模量E_m、界面摩擦粘结强度τ、和纤维-界面之间的缓冲因子g，确定纤维的体积分数，得到材料配方；

(6)根据材料配方进行高韧性水泥基工程复合材料性能试验检测。在高韧性水泥基工程复合材料搅拌之前，利用纤维分散机使纤维充分分散。

优选的，根据预定目标对高韧性水泥基工程复合材料的纤维参数进行合理的选择和控制，如纤维类型、长度L_f、直径d_f，纤维的高弹性模量有助于降低纤维在基体中的强度损失，高伸长率有利于纤维强度的充分发挥，因此首先需通过对不同类型纤维的材性进行比较，选择高强度、高弹性模量、高伸长率的合成纤维。同时，纤维的选择也要满足经济的要求，纤维长径比要满足βL_f/2d_f＞2其中β为滑移-硬化系数，通过纤维拉拔试验确定。因此选择纤维时要选取长而细的纤维。然而，纤维长度的选择要适宜，如果纤维长度过长会很难分散和搅拌均匀，增加了施工工艺的难度。为保证施工工艺，纤维长度L_f要大于纤维临界嵌固长度L_c且小于两倍的纤维临界嵌固长度L_c。

优选的，根据预定目标对高韧性水泥基工程复合材料的基体进行选择，如基体各组分预配、确定基体断裂韧性K_m、弹性模量E_m，其中，基体的选择要满足稳态开裂准则：