高性能水泥基復合材料的性能分析及應用研究概述

蔡振興

摘 要：本文闡述的超高韌性水泥基復合材料屬于應變硬化材料，延性好，高損傷容限，在荷載作用下，承載力高于普通混凝土，多形成無害裂縫，可以廣泛用于抗震要求嚴格的結裂縫控制嚴格、抗震耗能要求較高的結構或結構構件中，應用前景可觀。

關鍵詞：UHTCC材料;材料性能分析;工程應用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.047

20世紀60年代以來，對于高性能水泥基復合材料的研究工作已經取得大量的成果。隨著理論實驗研究和工程應用研究工作的深入展開，一系列高性能纖維增強水泥基復合材料相繼成功研發。2008年國內成功研制出當聚乙烯醇（PVA）纖維含量僅為2%時，拉伸應變穩定在0.03～0.05，裂縫寬度有效控制在100μm以內，呈現多條細密裂縫開裂形態的超高韌性水泥基復合材料UHTCC[1]。

1 基本性能

纖維增強水泥基材料一般可劃分為變形硬化和變形軟化兩類，其中變形硬化材料又可細分為應變硬化和應變軟化。應變硬化材料具有裂縫形成后的材料強度會大于初裂強度，試件應變均勻且多縫開裂的典型特點。UHTCC材料在直接拉伸和彎曲荷載作用下均表現出應變硬化材料的受力和變形特點。

UHTCC材料在單軸拉伸試驗過程中表現出應變硬化的本構特性，極限抗拉強度可穩定達到6.0MPa，峰值拉應變接近3.6%;且該材料裂縫無害化分散能力突出，即便在峰值荷載作用下，裂縫寬度仍可以有效控制在100μm以內，有些甚至可以控制在50μm以內。

UHTCC材料的壓縮性能試驗研究表明，在水泥基體材料中添加適當比例的纖維能改善材料的應力應變關系，使UHTCC具有的開裂后的荷載承受能力、壓縮韌性和塑性變形性能明顯優于混凝土。UHTCC和混凝土的多軸壓縮試驗發現，與普通混凝土相比，UHTCC材料在側向壓力存在的情況下，強度和延性改善幅度更明顯。

UHTCC梁構件承受橫向荷載作用時表現出應變硬化和多縫開裂的特點，但與直接拉伸性能并不完全相同。UHTCC梁試件受彎出現第一條裂縫后，裂縫寬度可以穩定在非常細窄的水平，此時材料的開裂強度與單向開裂強度幾乎相等。隨荷載增加，在梁截面彎矩作用較大的范圍內先后出現與初始裂縫寬度相當的大量細微裂縫，載荷達到峰值后，某條微裂縫開始局部擴展導致試件失效破壞，破壞時刻材料的極限抗彎強度約為開裂強度的五倍。UHTCC梁雖然具有與鋼筋混凝土梁相似的多縫開裂破壞形態，但鋼筋混凝土梁受拉區混凝土開裂脫落退出工作，主要是由縱向受拉鋼筋起作用， UHTCC梁則由隨機分布的亂向短纖維在受拉區發揮作用[2]。

2 工程應用研究

UHTCC材料優良的彎曲性能和裂縫無害化分散能力使其在結構構件層次具有廣泛的工程應用潛力。如用于復雜結構智能抗震耗能應用研究，水工結構物耐久性研究，橋面板、公路鋪裝面層的應用研究、在對既有受損混凝土結構的加固補強修復研究及混凝土重力壩抗震加固研究等。

將UHTCC用于普通鋼筋混凝土框架結構梁、柱節點核心區域，利用UHTCC的出眾的應變硬化、多縫開裂性能，改善梁、柱節點的抗震耗能能力。與普通鋼筋混凝土節點相比，UHTCC節點的承載能力大大改善，在節點塑性變形集中區域形成大量細小的斜裂縫，且無貫穿裂縫;在梁端彎剪作用都較大的區域內，也沒有形成沿縱筋方向的劈拉裂縫，沒有導致鋼筋外露。這個試驗現象說明UHTCC同樣具有優異的抗剪能力，在不影響承載能力和抗震能力的前提下，可以適當能減少箍筋的用量，可以獲得較高的經濟性。抗震地區的橋梁結構中用UHTCC取代普通混凝土用于塑性變形較大的區域，在地震往復荷載作用下，很多分散、細密的裂縫的形成將耗散更多的地震動能量，即使沒有橫向抗剪箍筋，構件良好的完整性仍能得到保證[2]。利用UHTCC良好的抗沖擊韌性和阻尼耗能能力，在鋼筋混凝土剪力墻結構中，替代塑性區的混凝土形成高阻尼抗震剪力墻，構件的承載力大大提高，受力過程中剛度退化不明顯[3]。

替代鋼筋混凝土或傳統砌體材料，制成UHTCC預制填充板用于一系列基礎設施的抗震加固改造中，UHTCC與鋼筋的協調變形性能和較強的粘結特性會提高填充板的強度和剛度，耗能能力也增加，同時也能加快施工進度，縮短工期。

將UHTCC作為公路橋路面鋪裝層材料進行路面修復，多縫開裂的韌性特征使其具有傳統鋪面層材料沒有的抗疲勞裂縫擴展能力，可以緩解傳統鋪面層在循環荷載反復作用下最容易出現的反射裂縫。UHTCC鋪面層的抵抗變形能力、抗彎承載能力及疲勞破壞壽命都明顯提高，能顯著改善道路的耐久性。研究還發現修復后的復合面層的承載能力和疲勞壽命不受新修復的UHTCC鋪面層與原有混凝土基底材料之間粘結界面性質的影響[2]。

對震后受損的帶裂縫混凝土構件噴射UHTCC薄層進行修復，薄層UHTCC可在一定范圍內維持良好的應力傳遞機制，將裂縫分散為數量較多的寬度在100μm以下的細微裂縫，裂縫控制效果良好，還能較大幅度提高受損混凝土構件的承載能力和剛度。采用噴射薄層UHTCC與鋼絲網的復合加固方式，結構加固效果更優良[4]。

大型混凝土重力壩采用UHTCC置換壩體薄弱部位混凝土，可以有效減小混凝土壩體裂縫的寬度和深度，壩體的整體抗震性能得到明顯改善。

3 結論

超高韌性水泥基復合材料具有卓越的裂縫控制能力，抗震耗能能力、耐久性能優異，深入發掘UHTCC的優良性能，廣泛推廣到水工、港口、道路、橋梁及工業與民用建筑領域，實現綠色節能建筑。

參考文獻：

[1]徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復合材料研究進展及其工程應用[J].土木工程學報，2008，41（06）：45-60.

[2]蔡振興.配筋超高韌性水泥基復合材料梁彎矩性能分析[D].大連理工大學，2014.

[3]王義俊.新型高阻尼混凝土暗支撐剪力墻抗震性能與設計方法研究[D].湖南大學，2015.

[4]李偉平等.噴射超高韌性水泥基復合材料加固帶裂縫素混凝土梁的力學性能實驗研究[J].世界地震工程，2018，34（01）：166-172.