工程用水泥基复合材料
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 |
初始裂缝应变 () | 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 | 无 | 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]- ^ 1.0 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).
- ^ 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
- ^ Li, M., and Li, V. C., “Rheology, Fiber Dispersion, and Robust Properties of Engineered Cementitious Composites, “ Materials and Structures, 46 (3): 405-420, 2012.
- ^ M.D. Lepech and V.C. Li: “Large scale processing of Engineered Cementitious Composite.” ACI Materials Journal (2008) 105:358-366.