工程用水泥基复合材料

✍ dations ◷ 2025-04-26 12:28:49 #复合材料,建筑材料,土木工程

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,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。

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 。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) 。主导ECC的学科发展的研究机构有:密歇根大学, 休士顿大学, 代尔夫特理工大学, 东京大学, 布拉格捷克理工大学,和史丹佛大学。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。

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。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。

注释:FRC=纤维加强水泥 HPFRCC=高性能纤维加强水泥基复合材料

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