工程用水泥基复合材料

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工程用水泥基复合材料ECC),也被称作“可弯曲的混凝土”,是一种由特别筛选的短纤维(通常是合成纤维,即聚合物纤维)随机分布于便于模板成型的砂浆制成的加强复合材料 。 与普通混凝土不同,ECC可以达到3-7%的应变值[1],相比而言,普通波特兰水泥(或普通硅酸盐水泥,即OPC)只有0.1%。因此ECC表现得更像可延展的金属材料而不是的如玻璃一样的脆性材料(普通混凝土就呈现脆性特征), 故而拥有广泛的应用范围。

发展[编辑]

不同于普通的纤维加强混凝土,工程用水泥基复合材料(ECC)是一种由微观力学(微观弹性力学系统)设计而得的材料[2] [3]。只有当水泥基材料是基于微观力学和断裂力学理论设计成型,从而具有高弹性延展性的特征,才能称之为ECC。 因此ECC不是一种固定的材料设计方法,而是在不同的研究、发展和应用阶段都具有广泛意义的主题。目前,ECC材料的种类正在逐步增加。ECC的设计方法尽管是单门别类,但是它的发展需要结合统一纳米级、微观级、宏观级尺度的材料研究,同时让这些在不同尺度上的材料系统有序地组合工作。

ECC看起来很像以普通硅酸盐水泥为基底的混凝土,然而ECC可以在应变中产生大的变形(或是弯曲)[1] 。主导ECC的学科发展的研究机构有:密歇根大学休士頓大學代尔夫特理工大学东京大学布拉格捷克理工大学,和史丹佛大學。传统的混凝土缺乏延展性,在高应变(弯曲变形)下很容易破坏,表现出脆性破坏的特征,正是这个不足促成了ECC 的发展。

材料特性[编辑]

ECC有许多独特的特性,包括:受拉性能优于其它纤维加强复合材料,和普通混泥土一样易于浇筑成型,纤维用量很少 (约占总体积的2%),裂缝小,以及没有各向异性的平面特征。[4]这些特性很大程度上得益于纤维和水泥基底经过微观力学“量体裁衣”式设计后的相互作用。特别是,这些纤维只允许出现许多特定宽度的微裂缝,而不是和普通混凝土一样的少数几条大裂缝,这就使得ECC能够产生大变形而不会破碎性失效。

ECC 材料特性 数值
极限拉应力 () 4.6 MPa
极限应变 () 5.6 %
初始裂缝应力 () 2.5 MPa
出事裂缝应变 () 0.021 %
弹性模量 () 22 GPa

与其它复合材料的比较[编辑]

性质 FRC 普通HPFRCC ECC
设计方法 高纤维用量 基于微观力学设计,减少纤维体积率(Volume fraction),减少造价、方便加工
纤维 任何类型,其体积率通常小于2%; 若使用钢纤维直径(df)在500左右 大部分使用钢纤维,体积率通常大于5%;直径150左右 特制的聚合物纤维,体积率通常小于2%;直径小于50
混合物 粗骨料 细骨料 控制混合物的粗糙度和缺陷尺寸;细沙
界面 不控制 不控制 控制化学和摩擦粘结来联系材料间性能
力学性能 应变软化 应变硬化 应变硬化
拉应变 0.1% <1.5% >3% (通常); 8% 最大
裂缝宽度 无法预估 通常数百微米,超过1.5%应变后无法估计 在应变硬化阶段小于100微米[1]

注释:FRC=纤维加强水泥 HPFRCC=高性能纤维加强水泥基复合材料

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 A brief introduction to ECC and ECC technology network. Engineeredcomposites.com. [2014-05-25]. (原始内容存档于2007-11-15).  无效|dead-url=bot: unknown (帮助)
  2. ^ V.C. Li: From mechanics to structural engineering - The design of cementitious composites for civil engineering applications Structural Engineering/Earthquake Engineering (1993) 10:37s-48s
  3. ^ Li, M., and Li, V. C., “Rheology, Fiber Dispersion, and Robust Properties of Engineered Cementitious Composites, “ Materials and Structures, 46 (3): 405-420, 2012.
  4. ^ M.D. Lepech and V.C. Li: “Large scale processing of Engineered Cementitious Composite.” ACI Materials Journal (2008) 105:358-366.