供稿|劉一釘,鐘軼峰,,趙子龍,,李帛書,鄧兵 / LIU Yi-ding, ZHONG Yi-feng, , ZHAO Zi-long, ,LI Bo-shu, DENG Bing
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進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著跨海灣、海峽大橋的建造,超高層、大跨度混凝土構(gòu)筑物的出現(xiàn)使混凝土材料面臨著新的挑戰(zhàn)。應(yīng)運(yùn)而生的“新型綠色工程材料”——水泥基工程復(fù)合材料 ECC則是基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的一種具有超強(qiáng)韌性的三維亂向分布短切纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,可以滿足這些工程應(yīng)用對(duì)材料性能的特殊要求。ECC材料的良好特性主要表現(xiàn)為以下特征:高延性、高韌性和多縫開裂等。文章從材料設(shè)計(jì)理論、制備工藝和應(yīng)用前景對(duì)ECC材料進(jìn)行了研究,經(jīng)由多種前提的假定、原理分析(二重變分漸近雙尺度法、應(yīng)力應(yīng)變曲線等方法)并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),建立了ECC水泥多尺度標(biāo)準(zhǔn)模型。實(shí)驗(yàn)通過建立不同界面模型,采用理論分析后對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校正,提出變分漸進(jìn)多尺度模型技術(shù)路線制備高性能ECC材料的研究理論,為工程復(fù)合材料的制備提供了具有一定參考價(jià)值的理論模型。
工程用水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)是一種具有高延性、高韌性和多縫開裂特征的纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料,是由密歇根大學(xué)Li等在20世紀(jì)90年代提出的,是根據(jù)細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)基本原理設(shè)計(jì)的一種短纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料[1]。此后,美國、日本等國家對(duì)該材料的性能和力學(xué)原理進(jìn)行了大量研究,結(jié)果表明,ECC材料不僅具有超高的韌性,而且有較強(qiáng)的能量吸收能力,其極限拉應(yīng)變值大約為普通混凝土的100~300倍[2]。
通常情況下,ECC的纖維體積摻雜量約占砂漿整體體積摻量的2%,但其極限拉應(yīng)變可超過3%,并且呈多點(diǎn)開裂現(xiàn)象,同時(shí)各裂縫寬度不超過100 μm。這說明ECC具有很好的延展性和微裂紋控制能力,解決了混凝土脆性破壞的缺點(diǎn)??蓪CC材料應(yīng)用于抗震結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)、水工大壩結(jié)構(gòu)中,能夠顯著改善結(jié)構(gòu)的耗能性和裂縫控制能力,大大提高結(jié)構(gòu)的安全性[3]。Li等對(duì)PVA-ECC材料的設(shè)計(jì)和組分選擇、材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能及施工工藝進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究[4]。Yu等采用擴(kuò)展有限元法和內(nèi)聚力裂縫模型相結(jié)合,模擬了超高韌度水泥基修復(fù)震損剪力中混凝土和ECC材料內(nèi)部的裂縫開展,以及界面裂縫在ECC與混凝土界面之間開展的力學(xué)行為[5]。還有眾多學(xué)者對(duì)高強(qiáng)韌水泥基復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[6-12]。本文從材料設(shè)計(jì)理論、制備工藝和應(yīng)用前景對(duì)ECC材料進(jìn)行了研究,提出變分漸進(jìn)多尺度模型技術(shù)路線制備出高性能ECC材料的研究理論,為復(fù)合材料的制備提供一定的參考價(jià)值。
ECC材料設(shè)計(jì)遵循了能量準(zhǔn)則和強(qiáng)度準(zhǔn)則,是基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的具有超強(qiáng)韌性的三維亂向分布短切纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC材料與普通混凝土、纖維混凝土的性能對(duì)比,見圖1)。為將各尺度的關(guān)系建立在統(tǒng)一的模型下,建立細(xì)、宏觀尺度之間的聯(lián)系,我們通過前期的理論技術(shù)分析、成分設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M來制備高性能材料。在這一過程中,重點(diǎn)是從界面狀態(tài)(強(qiáng)度和剛度)對(duì)宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場的影響機(jī)理出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),這是目前國際前沿交叉學(xué)科材料制備中的創(chuàng)新性課題。
圖1 ECC材料與普通混凝土、纖維混凝土的性能對(duì)比
采用高通量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論可對(duì)地區(qū)企業(yè)生產(chǎn)的水泥、砂、粉煤灰、纖維和超塑化劑等材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),在傳統(tǒng)材料損傷理論的基礎(chǔ)上引入濕-熱-力耦合效應(yīng)。惡劣環(huán)境會(huì)直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕、凍融破壞、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等,嚴(yán)重威脅工程的安全性和耐久性,直接影響損傷的產(chǎn)生和擴(kuò)展,進(jìn)而使工程材料的韌性、剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能發(fā)生變化,并影響材料的所有性質(zhì)和服役行為。針對(duì)此類損失,實(shí)驗(yàn)擬從微納尺度對(duì)材料的失效行為進(jìn)行預(yù)防,重點(diǎn)采用微觀物相對(duì)宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場的影響機(jī)理來設(shè)計(jì),提高材料的可靠性。
近幾年來,變分漸進(jìn)理論在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能分析中得到了廣泛應(yīng)用。ECC變分漸進(jìn)多尺度模型技術(shù)路線(見圖2)是材料設(shè)計(jì)的重要理論,該理論首先推導(dǎo)ECC復(fù)合材料濕熱彈塑性體的基本方程與邊界條件,由熱力學(xué)定律推導(dǎo)纖維/基體應(yīng)變能、濕-熱-力耦合能和濕熱能構(gòu)成的Gibbs自由能。其次,在此基礎(chǔ)上研究ECC材料濕熱彈塑性靜力學(xué)的變分原理。一方面通過引入Lagrange乘子將帶有約束條件的含多個(gè)自變量函數(shù)的泛函極值問題轉(zhuǎn)化為無條件極值問題,推導(dǎo)ECC濕熱彈塑性體靜力學(xué)5類變量的勢能型廣義變分原理。其中,這5類變量分別為:位移、應(yīng)變、應(yīng)力、溫度和濕度。另一方面根據(jù)基本方程與邊界條件以及本構(gòu)方程,采用變積方法推導(dǎo)ECC濕熱彈塑性體靜力學(xué)廣義變分原理的泛函和宏-細(xì)觀統(tǒng)一本構(gòu)方程,然后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。解決了破壞性實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)環(huán)境苛刻等難題,能實(shí)現(xiàn)高通量、低成本、高效率地研發(fā)出高性能ECC材料。
圖2 ECC變分漸進(jìn)多尺度模型技術(shù)路線
根據(jù)ECC材料按照設(shè)計(jì)的模型和數(shù)值模擬的理論結(jié)果,選擇不同集料、不同纖維品種(Kuraray PVA、國產(chǎn)PVA纖維、鋼纖維)、不同纖維摻雜量和不同水膠比,制備出不僅能承受復(fù)雜、長時(shí)效載荷作用,而且還能承受高溫、高濕等苛刻的外部環(huán)境因素考驗(yàn)的基體材料?;贕urtin-Murdoch表/界面理論引入界面應(yīng)力,采用非線性彈簧元建立三種不同界面模型(柔性、常響應(yīng)以及漸近適應(yīng)模型)模擬不同弱界面的粘結(jié)與失效??紤]到界面相尺寸比骨料/纖維尺寸小兩個(gè)數(shù)量級(jí)的特征,建立二重變分漸近雙尺度法,即按照纖維與界面相均勻化纖維。其次,使纖維在基體中均勻化分布,并由此推測和預(yù)報(bào)材料可能有效的力學(xué)性能。按照宏觀均勻結(jié)構(gòu)→單胞→應(yīng)力集中區(qū)域的順序,逐層分析濕-熱-力耦合下含界面相ECC材料的變形形狀和三維應(yīng)力-應(yīng)變場分布。通過改變界面強(qiáng)度和剛度的大小,進(jìn)一步分析界面參數(shù)對(duì)宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場的影響規(guī)律。
之后測試材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、沖擊功性能和抗?jié)駸嵫趸阅艿?,將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,結(jié)合基于微觀結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)應(yīng)變-硬化機(jī)理研究,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正,建立基于ECC組分材料屬性、測試數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和微觀結(jié)構(gòu)定義的多尺度模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)ECC準(zhǔn)應(yīng)變硬化行為的預(yù)測。研究各參數(shù)對(duì)ECC流變性能及力學(xué)性能,例如:延性、多縫開裂、彎曲性能(見圖3)、單周拉伸性能等的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,可深入研究ECC材料的軸向壓縮性能、彈性模量、泊松比以及抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線等。
圖3 ECC材料的彎曲性能
最后,根據(jù)ECC多縫開裂滿足條件引入穩(wěn)態(tài)開裂準(zhǔn)則和開裂強(qiáng)度準(zhǔn)則,將構(gòu)建的多尺度模型與濕-熱-力耦合下的漸近損傷聯(lián)系起來,建立從單胞失效破壞→多微裂縫開裂→宏觀裂縫破壞的多尺度漸近損傷模型。闡明ECC材料的強(qiáng)化機(jī)理和耐濕熱環(huán)境腐蝕機(jī)理,將結(jié)合界面的物相和性能表征結(jié)果用材料學(xué)的理論進(jìn)行分析,形成具有參考和推廣價(jià)值的理論,可制備出噴射型ECC材料、防火ECC材料、擠出式ECC管道、大壩和擋土墻ECC修復(fù)材料、抗?jié)B隧道襯砌等多功能ECC建筑材料。
進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國建造了大量的跨海灣、海峽大橋。其中有代表性的是兩座超過30 km的超長跨海大橋——東海大橋和杭州灣跨海大橋,這些橋梁的研究與建設(shè)推動(dòng)了我國大跨度橋梁理論的進(jìn)一步發(fā)展。隨著國家“一帶一路”和“十三五規(guī)劃”的實(shí)施,我國將在渤海灣、長江口、杭州灣、珠江口、臺(tái)灣海峽和瓊州海峽等建設(shè)巨型跨海工程。
此外,近年來我國超高層建筑建設(shè)速度也進(jìn)一步加快。超高層、大跨度混凝土構(gòu)筑物的出現(xiàn),尤其是復(fù)雜惡劣環(huán)境下服役混凝土構(gòu)筑物的日益增加、自然災(zāi)害頻繁發(fā)生、基礎(chǔ)設(shè)施老化問題的進(jìn)一步加劇等,使混凝土材料面臨著新的挑戰(zhàn)。自此應(yīng)運(yùn)而生的水泥基工程復(fù)合材料 ECC則是基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的一種具有超強(qiáng)韌性的三維亂向分布短切纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,其具有良好的高延性性能,可以滿足這些工程應(yīng)用對(duì)材料性能的特殊要求。同時(shí)ECC也在進(jìn)一步向著綠色化、生態(tài)化方向發(fā)展,如充分利用工業(yè)廢渣(粉煤灰,礦渣等),這一發(fā)展趨勢符合對(duì)于節(jié)約資源和能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求,可稱其為“新型綠色工程材料”。
目前有關(guān)于ECC復(fù)合材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用己經(jīng)在日本、美國等展開,并取得了良好的效果。如位于日本歧阜的某擋土墻,因堿骨料反應(yīng)引起混?凝土嚴(yán)重?fù)p壞,產(chǎn)生大量宏觀裂縫。采用噴射ECC進(jìn)行15 mm厚的修復(fù),修補(bǔ)完成一年后的ECC修復(fù)層表面上僅僅看到了少量寬度在50 μm以下的微裂縫。此外,在我國的地震多發(fā)地帶,抗震設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格的地方需采用延性材料,遭遇地震時(shí)可消耗更大能量,成為一道防線,ECC復(fù)合材料在這方面有獨(dú)特的優(yōu)勢,因此對(duì)ECC復(fù)合材料的研究與應(yīng)用勢在必行。
[1] Zhang J,Gong C X,Ju X C,et al. Bending performance of ductile fiber reinforced cementitious composite. Engineering Mechanics,2010,27:112
[2] Zhang J,Gong C X,Ju X C. Characteristics of high ductility and low shrinkage engineered cementitious composite and its applications.Journal of Hydraulic Engineering,2011,42:1452
[3] Kunieda M,Rokugo K. Recent progress on HPFRCC in Japan.Journal of Advanced Concrete Technology,2006 (4):19
[4] Li V C. Progress and applications of engineered cementitious composites. Journal of the Chinese Ceramic Society,2007,35:531
[5] Yu J T,Chen J,Lu Z D,et al. Numberical Analysis on Damaged Reinforced Concrete Shear Wall Repaired with Engineered Cementitious Composites. Journal of Tongji University,2015,43:175
[6] Xu S L,Li H D. A review on the development of research and application of ultra high toughness cementitious composites. China Civil Engineering Journal,2008,41:45
[7] Xu S L,Cai X R. Experimental study on mechanical properties of ultra-high toughness fiber reinforced cementitious composite. Journal of Hydraulic Engineering,2009,40:1055
[8] Gao S L,Xu S L. Experimental research on tension property of polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites. Journal of Dalian University of Technology,2007,47:233
[10] Wu G X,Han X M,Xu S L. Pseudo strain hardening model of ultra high performance cementitious composites under flexural loading.Acta Materiae Compositae Sinica,2008,25:129
[11] Zhong Y,Chen L,Yu W. Variational asymptotic modeling of the multilayer functionally graded cylindrical shells. Composite Structures,2012,94:966
[12] Zhong Y,Chen L,Yu W,et al. Variational asymptotic micromechanics modeling of heterogeneous magnetostrictive composite materials.Composite Structures,2013,106:502