[發明專利]一種基于微觀力學和斷裂力學試驗的ECC配方設計方法

在審

• 申請號: 201710405118.6
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107271257A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 李曉琴;杜茜;丁祖德;宋志剛;陳前均;李洛克
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G06F17/50;C04B28/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明設計一種高韌性水泥基工程復合材料的配方優化設計方法，特別是設計一種基于微觀力學和斷裂力學試驗方法的ECC(高韌性水泥基工程復合材料，Polypropylene Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC)配方設計方法。

背景技術

高韌性水泥基工程復合材料以水泥砂漿為基體，采用聚乙烯纖維(Polyethylene，PE)或聚乙烯醇纖維(Polyvinyl alcohol，PVA)作為纖維增強材料，摻加適量的硅粉、一級粉煤灰，化學添加劑如減水劑、增稠劑，消泡劑等，根據《纖維混凝土試驗方法標準》拌合工藝制備而成。在拉伸、彎曲和剪切荷載下高韌性水泥基工程復合材料具有應變硬化、多縫開裂的特性，在構件上呈現出高延性的特征。

常用的高韌性水泥基工程復合材料的配方設計方法多采用配方表法、絕對體積法、正交設計試驗法。配方表法是一種較為簡便的設計方法，但通過這種方法選取的配合比配制的高韌性水泥基工程復合材料性能優劣具有一定的隨機性，更重要的是高韌性水泥基工程復合材料的力學性能嚴重依賴于原材料性能，而各地材料(如纖維、水泥和粉煤灰)的性能均有差異。絕對體積法在進行配方設計時在材料用量計算、選擇時存在較大的誤差，需要進行較多次數的試配試驗。正交設計試驗法在目標函數關系未知的情況下無法實現以設計目標為導向的可靠設計。以上配方試驗方法在使用時存在一定的局限性。

發明內容

本發明的目的是提供了一種基于微觀力學和斷裂力學試驗方法的ECC配方設計方法，該方法主要是采用基于微觀力學和斷裂力學模型進行高韌性水泥基工程復合材料的配方設計，此方法在水泥基質和纖維參數的選擇上具有更好的理論依據和科學性。

本發明的技術方案是：

一種基于微觀力學和斷裂力學試驗方法的ECC配方設計方法，包括以下步驟：

(1)確定高韌性水泥基工程復合材料配方的預定目標；

(2)根據預定目標對高韌性水泥基工程復合材料的纖維參數進行合理的選擇和控制，如纖維類型、長度、直徑；

(3)根據預定目標對高韌性水泥基工程復合材料的基體進行選擇，如基體各組分預配、確定基體斷裂韌性K_m、彈性模量E_m，其中，基體為除纖維之外的其他所有組分，基體的選擇要滿足上述穩態開裂準則、初裂應力準則和多縫開裂飽和指標；

(4)通過進行纖維-界面拉拔試驗確定纖維-界面的影響因素，如界面摩擦粘結強度τ、和纖維-界面之間的緩沖因子g；

(5)根據已選擇的纖維長度、直徑、基體的斷裂韌性K_m、基體彈性模量E_m、界面摩擦粘結強度τ、和纖維-界面之間的緩沖因子g，確定纖維的體積分數，得到材料配方；

(6)根據材料配方進行高韌性水泥基工程復合材料性能試驗檢測。在高韌性水泥基工程復合材料攪拌之前，利用纖維分散機使纖維充分分散。

優選的，根據預定目標對高韌性水泥基工程復合材料的纖維參數進行合理的選擇和控制，如纖維類型、長度L_f、直徑d_f，纖維的高彈性模量有助于降低纖維在基體中的強度損失，高伸長率有利于纖維強度的充分發揮，因此首先需通過對不同類型纖維的材性進行比較，選擇高強度、高彈性模量、高伸長率的合成纖維。同時，纖維的選擇也要滿足經濟的要求，纖維長徑比要滿足βL_f/2d_f＞2其中β為滑移-硬化系數，通過纖維拉拔試驗確定。因此選擇纖維時要選取長而細的纖維。然而，纖維長度的選擇要適宜，如果纖維長度過長會很難分散和攪拌均勻，增加了施工工藝的難度。為保證施工工藝，纖維長度L_f要大于纖維臨界嵌固長度L_c且小于兩倍的纖維臨界嵌固長度L_c。

優選的，根據預定目標對高韌性水泥基工程復合材料的基體進行選擇，如基體各組分預配、確定基體斷裂韌性K_m、彈性模量E_m，其中，基體的選擇要滿足穩態開裂準則：