2009年9月
水 利 学 报
SH UI LI X UE BAO
第40卷 第9期
收稿日期:2008212212
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50438010);南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(J G ZX JJ2006213)
作者简介:徐世 (1953-),男,湖北人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型材料与结构、超高韧性水泥
基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究。E 2mail :slxu @https://www.doczj.com/doc/a118588357.html,
文章编号:055929350(2009)0921055209
超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能
徐世 ,蔡向荣
(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室结构分室,辽宁大连 116024)
摘要:研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。本文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和抗裂性能。试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性和高能量吸收能力。极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm 左右。拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,平均裂缝间距1mm 左右。其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。4种试验的结果证明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。
关键词:超高韧性水泥基复合材料;假应变硬化;多缝开裂;高延性;高韧性;高能量吸收能力中图分类号:T U5281572
文献标识码:A
1 研究背景
水利工程是我国的一项基础产业工程,目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发,2008年第四
季度国家新增200亿元中央水利建设投资加快水利基础设施建设。水利工程建设耗资巨大,如果水利工程结构耐久性不足,将增加建筑物使用过程中的修理与加固费用,影响或限制结构的正常使用功能并缩短结构的使用年限,影响效益和安全,不仅造成经济损失,而且严重浪费资源,引发社会问题。因此有必要全方位、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性,延长工程使用寿命,确保国家可持续发展战略在水利建设开发过程中的有效实施。
裂缝是影响水工混凝土质量和耐久性的首要因素,如何有效地控制水工混凝土裂缝的产生和扩展是目前解决水工混凝土结构耐久性问题的关键之一。从材料的角度来讲,控制裂缝的方法主要是减少水泥用量、使用外加剂和添加纤维。其中纤维的添加可以更为有效地控制混凝土裂缝的形成和扩展,提高混凝土的延性和韧性,能较好的解决由于荷载作用或其他变形作用引起的混凝土开裂,成为提高水工混凝土结构耐久性的有效方法之一。
目前各种纤维混凝土的研究和应用已经取得了丰硕的成果,尤其是高性能纤维混凝土的研究和应用在较大程度上解决了混凝土的开裂问题[1-4]
。但是普通的高性能纤维混凝土通常采用较大的钢纤维体积掺量,不仅成本增加,重量大,施工困难,而且其裂缝控制宽度一般在几百个微米,尤其当应变超过
115%时基本上不能再控制裂缝宽度[5]
。根据国内外设计规范及有关试验资料,混凝土最大裂缝宽度的控制标准大致为:无侵蚀介质无防渗要求时013～014mm ;轻微侵蚀、无防渗要求时012～013mm ;严重侵蚀、有防渗要求时011～012mm 。为了能更好的控制混凝土在各种荷载和变形下的裂缝宽度,提高混凝
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土结构的抗裂防渗性能,20世纪90年代初美国密歇根大学成功研制了一种中等纤维体积掺量的随机短纤维增强高性能水泥基复合材料(Engineered cementitious com posites,简称ECC)[6-8]。它采用聚乙烯纤维或聚乙烯醇纤维作为增强材,以水泥净浆或特制水泥砂浆为基体,通过细观力学、断裂力学和数理统计方法选择合理的纤维、基体和界面性能参数。这种新型材料在拉伸、弯曲等荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂的特性,最大裂缝宽度可以控制在011mm以内,可以有效的防止外界有害物质的侵入,提高水工结构的耐久性。由于荷载作用下大量细密裂缝的产生使它同时具有高延性、高韧性和高能量吸收能力,解决了混凝土本身固有的脆性。目前这种材料已经在日本、美国、韩国、瑞士和澳大利亚投入使用[9-11]。由于它在提高结构的裂缝控制能力、增加结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的效果[8],所以除了应用于水利工程提高水工结构的抗裂、抗侵蚀、抗冻融等耐久性能以外,它还可以用于桥梁工程、道路路面工程、地下工程、抗震结构、大变形结构、抗冲击结构和修复结构等。
本文采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体,通过大量试验研究成功配制了具有类似于ECC材料性能的超高韧性水泥基复合材料(简称UHT CC)。本文将通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲缺口梁断裂试验研究这种超高韧性水泥基复合材料的抗拉、抗弯、抗压和断裂性能。
2 试验原材料和搅拌工艺
211 原材料 胶凝材料包括P.Ⅱ.5215R水泥和矿物掺合料,骨料为特制沙,外加剂为商用高效减水剂,拌和水为饮用自来水,采用PVA纤维,有关性能参数见表1,纤维体积掺量为2%。
表1 PVA纤维参数
纤维名称名义强度/MPa纤维直径/μm纤维长度/mm弹性模量/G Pa延伸率Π% PVA1620391242186%
212 搅拌工艺 首先将胶凝材料和精细沙投入搅拌机中,先干拌而后加水搅拌以使砂浆基体具有良好的流动性和适宜的黏聚性,最后加入PVA纤维搅拌。搅拌结束后,纤维分散均匀,没有结团现象。所有试件均钢模成型,36h后拆模,放入标准养护室养护28d后取出,然后室内放置直至试验。
3 基本力学性能
311 拉伸性能 通过直接拉伸试验测定超高韧性水泥基复合材料的拉伸性能。试件尺寸350mm×50mm×15mm,试件测量标距200mm。试件形式分为不带切口试件和双边切口试件,所有试件均先制成不带切口试件。试验前采用约2mm宽的碳化钙锯对部分试件进行双边切口,切口尺寸分别为5mm和10mm。不带切口试件的试验龄期分别为28d和90d,切口试件的试验龄期为90d。试验时加载速率011mm/min,采用荷载传感器和夹式引伸计测量荷载和拉伸变形,德国产I MC全自动数据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。
试验测得的荷载-变形曲线如图1所示。
从图1(a)中可以看出,龄期从28d增长到90d,试件的拉伸应变基本没变,而抗拉强度明显增大。由拉伸变形与测量标距的比值计算平均拉伸应变,由抗拉荷载与试件横截面面积的比值计算抗拉强度。计算得到的28d极限应变为3137%,抗拉强度为4171MPa;90d极限应变为3140%,抗拉强度为5168MPa。由于矿物掺合料的二次水化反应,UHT CC后期强度增加较大,90d龄期时抗拉强度较28d增加了2016%。
试验中观察拉伸试件的开裂情况,可以看到接近极限抗拉强度时,试件的受拉区内产生了大量近似平行的细密裂缝。采用D JCK裂缝观测仪观测到的峰值荷载附近的裂缝张开宽度在50μm左右。由于—
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图1 试验测得的荷载-变形曲线
开裂混凝土的抗渗性是裂缝宽度的三次方[5]
,所以如此小的裂缝宽度可以有效地阻止侵蚀性物质的侵
入。如果利用这种材料作为钢筋的混凝土保护层,则可以有效地减慢钢筋的腐蚀速率,提高钢筋混凝土结构的耐久性。由D JCK 裂缝观测仪观测到的裂缝宽度和裂缝条数随拉伸应变的增长关系如图2所
示。从图2可以看出,随着变形的增加,裂缝宽度先增长,当增加到一定值(本试验为40～50μm )时,随
着变形的增加,裂缝宽度不再增加,而裂缝条数随变形的增加近似成线性关系增长,峰值荷载附近裂缝条数高达200条之多。
图2 裂缝宽度和裂缝条数随应变的增长关系
从图1(b )和图1(c )中可以看出,双边切口5mm 的拉伸试件,测量标距内的总变形量明显大于切口
的张开变形量;双边切口10mm 的拉伸试件,测量标距内的总变形量与切口的张开变形量大体相当。由于试件的变形主要来源于试件上产生的裂缝条数和裂缝宽度,测量结果证明纤维具有非常良好的连接作用,可以控制小切口处裂缝的扩展,使小切口试件的多缝开裂形式优于大切口试件。对试件多缝开裂形式的实际观察也证明了这一点。对比观察两种切口试件的多缝开裂形式,可以看出当双边切口尺寸较小时,试件在整个测量标距范围内产生均匀分布的多条细裂缝;当双边切口尺寸较大时,多缝开裂仅限于切口附近,并且裂缝不再近似平行,而是围绕切口呈弧形曲线。
由抗拉荷载与试件切口处横截面面积的比值计算切口试件的名义抗拉强度,双边切口5mm 试件的名义抗拉强度5132MPa ,双边切口10mm 试件的名义抗拉强度5190MPa ,与无切口试件的抗拉强度对比可以发现试件的抗拉强度基本不变。312 弯曲性能 采用薄板试件和梁试件研究超高韧性水泥基复合材料的弯曲性能,试件尺寸分别为400mm ×100mm ×15mm 和400mm ×100mm ×100mm 。试验龄期90d 。分别在30t 的闭环液压伺服材料试验机和100t 的闭环液压伺服材料试验机上进行试验。加载速率分别为015mm/min 和011mm/min 。加载方式为三分点加载。采用荷载传感器和LVDT 测量抗弯荷载和跨中挠度,德国进口的I MC 全自动数据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。
试验得到的荷载-挠度曲线如图3所示。右侧纵坐标是根据材料力学公式计算得到的抗弯应力。由荷载-挠度曲线可得开裂荷载和开裂挠度、极限荷载和极限挠度,然后分别采用如下公式计算开裂强度、抗弯强度和极限拉伸应变预测值,计算结果见表2。
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图3 荷载-挠度曲线
表2 主要力学性能指标
编号
开裂挠度
δc Π
mm 开裂荷载
P c ΠN
极限挠度
δu Π
mm 极限荷载
P u ΠN
比例极限强度
σc Π
MPa 拉伸应变
预测值Π%
抗弯强度σu Π
MPa 1
01383673113956104189313412175薄板试件
20138372301210181641963122131583
01454263015996105168312513128平均值
014038830179901251173127131201013624153198391567135311811187梁试件
201232515231924215071663114121753
0125241414133401307132314612109平均值
0128
24181
4108
4018
7144
3126
12124
开裂强度σc (MPa ):
σc =
P c l 0
bh
2(1)
抗弯强度σu (MPa ):
σu =
P u l 0
bh 2(2)
极限拉伸应变预测值εu :
εu =1s kh
l 20f
(3)
式中:P c 为开裂荷载(N );P u 为极限荷载(N );l 0为梁的计算跨度(mm );b 、h 为试件的宽度和高度(mm );s 为与荷载形式、支承条件等有关的系数,对于大变形情况下的四点弯曲构件,系数s =1/8;k =
h t /h 为受拉区高度h t 与构件截面高度h 的比值,根据试验得到的裂缝沿构件高度方向的扩展深度进行
估算;f 为跨中挠度(mm )。
由计算结果可见,无论是薄板试件还是梁试件,拉伸应变预测值均在3%以上,远大于混凝土的极限拉伸应变,充分体现了UHT CC 的高延性性能。预测拉伸应变与实测拉伸应变的误差约为318%。弯曲韧性是评价材料弯曲性能的重要指标之一,根据试验测量结果,参考AST M 标准[12]
,对韧性指
标定义如下:(1)对于薄板试件,以开裂挠度δc 对应的荷载-挠度曲线下面积A 0为基准,分别取5δc 、10δc 、30δc 、50δc 、峰值荷载时的挠度δu 对应荷载-挠度曲线下的面积与A 0的比值为韧性指标,并依次
记为I 9、I 19、I 59、I 99和I 2u -1;(2)对于梁试件,以开裂挠度δc 对应的荷载-挠度曲线下面积A 0为基准,分别取3δc 、5δc 、10δc 、15δc 、20δc 、峰值荷载时的挠度δu 对应荷载-挠度曲线下的面积与A 0的比值为韧性指标,并依次记为I 5、I 9、I 19、I 29、I 39和I 2u -1。
同时参考文献[13]中的定义,规定当I x >x 时,材料为韧性材料。根据上述定义计算得到的UHT CC 的韧性指标见表3。由计算结果可知,无论是薄板试件还是梁试件,均满足I x >x ,且随着x 的增加,I x
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与x之间的差值增大,说明随着变形的增加,材料韧性增加。
表3 韧性指标
薄板韧性指标梁韧性指标编号
I9I19I59I99I2u-1I5I9I19I29I39I2u-1 191322148516154183021961011192713401848193016 2101324169118167103041261412183014481563155419 3101825199317169102551861813153117501367185815
平均值101124139014163162871661412182918461560114810
UHT CC的弯曲残余强度指标计算结果如表4所示。对理想弹塑性材料来说,R=100。从表4中可以看出除了梁试件中1号试件的R
29,39低于100以外,UHT CC的弯曲残余强度指标都在100以上,说明UHT CC具有相对较高的塑性性能。
表4 残余强度指标
薄板韧性指标梁韧性指标编号
R9,19R19,59R59,99R99,2u-1R5,9R9,19R19,29R29,39R39,2u-1 113115817322814815413581102 2143168188233160176181150143 3151170188241168182186175186
平均值142165183234158171167135144
试验中观测试件的变形情况和多缝开裂形式可以发现:薄板试件在峰值荷载时产生较大的弯曲变形,并且保持良好的试件完整性,仅在试件的底面可以观测到大量近似平行的细小裂缝,裂缝宽度50μm 左右,平均裂缝间距1mm左右;梁试件在荷载开始下降后,仍然保持完整状态,并且随着荷载的进一步下降,仅在试件的下部可以观测到明显的局部破坏裂缝,而试件的侧面却可以看到大量细密裂缝,由于受梁试件横截面上的弯拉应力分布的影响,侧面裂缝间距从下往上逐渐增大。
综上所述,超高韧性水泥基复合材料在弯曲荷载作用下的变形能力远大于混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料,而且它的开裂形式与混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料的开裂形式也明显不同。由于超高韧性水泥基复合材料选择了更为合理的材料参数,使纤维的增强增韧效果得到了更好的发挥。在弯曲荷载作用下,超高韧性水泥基复合材料中的纤维依靠其连接作用控制了裂缝的进一步扩展,并承担了基体释放的应力,同时依靠界面黏结将应力传递给周围未开裂的基体,诱发新裂缝的产生,使试件的纯弯曲段逐渐出现了大量近似平行的细密裂缝。试验中观测到的试件上众多的细密裂缝充分体现了纤维对基体裂缝的产生和扩展的有效控制作用。
313 抗压性能 试验采用棱柱体试件和立方体试件测定超高韧性水泥基复合材料的抗压性能。试件尺寸分别为40mm×40mm×160mm和7017mm×7017mm×7017mm。试验龄期90d。在300t的闭环液压伺服材料试验机上进行单轴抗压试验,采用位移控制,加载速率015mm/min。用2个LVDT分别在试件两侧的对称位置测量压缩变形。对于棱柱体试件,在两个对应的侧面上分别粘贴相互垂直的应变片,测量试件受压过程中的压缩应变和横向应变。采用德国进口的I MC全自动数据采集处理系统进行荷载、变形和应变的数据采集和处理。
试验测得的抗压全曲线如图4所示,右侧纵坐标是计算得到的抗压强度。从图4可以看出,无论是棱柱体试件还是立方体试件,峰值点以后的下降段与普通混凝土明显不同,没有出现荷载的陡然降低,而是表现出了较为缓慢的下降过程,体现了纤维的增韧效果,表明超高韧性水泥基复合材料较混凝土有非常明显的峰值后延性。
根据抗压全曲线得到的力学性能指标如表5所示。由于立方体抗压强度仅是混凝土划分强度等级的依据,实际工程中很少有结构形式是立方体的,大部分是棱柱体或圆柱体,所以本文对棱柱体试件在测得抗压强度的同时,还根据电测法测量得到的应变计算了UHT CC材料的弹性模量和泊松比。由计算
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图4 试件荷载-变形曲线
结果可以得到棱柱体试件的抗压强度是41192MPa ,立方体试件的抗压强度是49174MPa 。UHT CC 材料
的泊松比是01229,弹性模量1913G Pa 。与普通混凝土相比,UHT CC 的弹性模量偏低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。这主要是由于纤维的连接作用和UHT CC 材料为了获得高延性和高韧性而限制了基体中骨料粒径的尺寸。
表5 抗压试验结果
编号
比例极限应变
×10-2
比例极限强度Π
MPa 峰值点应变
×10-2
抗压强度Π
MPa 开裂强度
极限强度
泊松比
弹性模量Π
G Pa 1
0138371810149411750191012291912棱柱体
201423511901584118101840122220183
0138351060153421190183012351719均值
013936102015341192018601229
1913
11130371991191461050182立方体
201744311111165012401863
0168401611106521940177均值
0191
40157
1138
49174
0182
试验结束后观察试件的破坏形式可以发现,棱柱体试件产生类似于混凝土和钢纤维混凝土的斜向剪切破坏,而立方体试件并没有观测到明显的棱锥体破坏,仅在试件表面能观测到一些破坏裂缝。所有试件在峰值荷载时均能保持良好的整体完整性,不会出现脆性坍塌碎裂破坏。314 断裂性能 采用三点弯曲梁试件研究超高韧性水泥基复合材料及其基体的断裂性能,试件尺寸40mm ×40mm ×200mm 。试验龄期90d 。试验前采用约2mm 宽的碳化钙锯在净跨的中部锯出缺口。缺口深度分别为10mm 和16mm 。在30t 的闭环液压伺服材料试验机上进行试验,基体的加载速率0102mm/min ,UHT CC 的加载速率013mm/min 。采用夹式引伸计测量裂缝口张开位移,采用荷载传感器测量荷载。通过在试件表面粘贴全桥电阻应变计的方法测量起裂荷载。31411 P 2CMOD 曲线 三点弯曲梁试验得到的荷载-裂缝口张开位移曲线(P 2CMOD 曲线)如图5和图6所示。从图中可以看出,纤维的加入使UHT CC 的极限荷载较基体明显提高。由于纤维的阻裂作用,与基体相比,UHT CC 峰值前的非线性段更为明显,峰值后的下降段更为缓慢平稳。因此,纤维的加入使UHT CC 的粘聚韧度明显增大,峰值前裂缝的稳定扩展阶段延长,峰值后的延性和韧性增大。
31412 起裂荷载的确定 通过在试件表面粘贴全桥应变计的方法来确定材料的起裂荷载。试验得到
的荷载-应变曲线如图7所示。通过对基体和UHT CC 的曲线对比可以看出,二者的荷载-应变曲线明显不同。
基体的荷载-应变曲线可以分为3个阶段:第一阶段,荷载随着应变的增加近似呈线性增加,直至应变达到最大值。第二阶段,随着荷载的继续增加,应变开始减小,直至荷载达到峰值荷载。这主要是由基体开裂引起的。由于裂缝的产生,两侧的基体卸载回缩,导致应变减小。由此可以得到基体的应变最大值点就是起裂荷载点;第三阶段,峰值荷载后,随着应变的继续减小,荷载开始降低。此过程对应于裂缝的失稳扩展过程。
UHT CC 的荷载-应变曲线具有明显的假应变硬化特征。在荷载的上升过程中,可以观测到应变有—
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图5 P 2CMOD 曲线(缺口深度10mm )
图6 P 2CMOD 曲线(缺口深度16mm )
一个明显的回缩点,这个回缩点是由于裂缝的产生引起的。但随后由于纤维的连接作用,应变很快又恢复了增加。本文将这个回缩点定为UHT CC 的起裂荷载点。
图7 荷载-应变曲线(缺口深度10mm )
31413 试验结果 通过计算得到的基体的试验结果见表6。UHT CC 的计算结果见表7。由于纤维的加
入,缺口深度10mm 的UHT CC 的起裂荷载较基体提高了3105倍,峰值荷载较基体提高了3181倍,峰值
荷载对应的C MOD 提高了46173倍;缺口深度16mm 的UHT CC 的起裂荷载较基体提高了2187倍,峰值
表6 基体试验结果
编号
起裂荷载
P in ΠkN
名义起裂强度Π
MPa 峰值荷载对应
CMOD max Πmm
峰值荷载
P max ΠkN
名义峰值强度Π
MPa P in
P max
1
0141514701022015161800180基体210
201374193010180140513301933
0137419301027014961530176均值
013851110102201476122018110131614601022013361880194基体216
201275163010110131614601873
0131614601011013361880194均值
0130
6118
01015
0132
6174
0194
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荷载较基体提高了3163倍,峰值荷载对应的C MOD提高了49167倍。通过比较起裂荷载与峰值荷载的比值,可以看出纤维的加入使材料开裂后具有更大的荷载增值度。
表7 UHT CC试验结果
编号
起裂荷载
P inΠkN
名义起裂强度Π
MPa
峰值荷载对应
CMOD maxΠmm
峰值荷载
P maxΠkN
名义峰值强度Π
MPa
P in
P max 111231614011122114281530157
UHTCC210
211892512011102138311730179 311491918701932125301000166均值11542014911052126301090168 111192417901831146301420182
UHTCC216
211092217101601141291380177 311212512101841157321710177均值11162412401761148301830179
试验结束后观察试件破坏情况发现,基体在两种切口下均为单一裂缝破坏,而UHT CC则表现出多缝开裂破坏,并且切口小时UHT CC的多缝开裂波及范围较大,裂缝条数较多,这与拉伸试验中两种切口试件的试验结果是一致的。由此也可以证明无论是弯曲荷载还是拉伸荷载作用下,UHT CC对小切口具有不敏感性。
4 结论
超高韧性水泥基复合材料具有类似金属材料的拉伸强化性能,其极限拉伸应变可达3%以上,几乎相当于钢材的塑性应变能力,是一种具有像金属一样可变形的纤维混凝土材料。在拉伸和弯曲荷载作用下均表现出明显的假应变硬化和多缝开裂特性,最大裂缝宽度在50μm左右,可以有效的阻止外界有害物质的侵入,适用于抗裂防渗要求较高的水工混凝土结构。同时UHT CC是一种具有高韧性的延性混凝土,它具有很强的能量吸收能力,因此可以显著改善混凝土结构的抗震性能和变形能力,可用于抗震结构、大变形结构、抗冲击结构、结构裂缝控制和耐损伤工程结构。由于UHT CC具有相当于钢材的变形能力,因此可用于混凝土结构中一些塑性变形较大的构件和部位,比如在塑性铰区使用UHT CC,可在很大的塑性变形阶段保持塑性铰的完整性。此外,UHT CC的抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多,而且在极限荷载时材料能保持良好的整体性,不会发生坍塌破碎。通过三点弯曲缺口梁试验证明,UHT CC的峰值荷载和峰值荷载对应变形都较基体有非常明显的提高。缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,UHT CC可以将单一裂缝细化成多条细密裂缝,同时UHT CC具有对小缺口不敏感的特性。由于超高韧性水泥基复合材料具有多方面的优越性,因此在很多建设项目中有着潜在的应用前景。
参 考 文 献:
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Experimental study on mechanical properties of ultra2high
toughness fiber reinforced cementitious composite
X U Shi2lang,C AI X iang2rong
(Dalian Univer sity o f Technology,Dalian 116024,China)
Abstract:A type of ultra2high toughness cementitious com posite rein forced by polyvinyl alcohol fibers was developed.The tensile strength,flexural strength and breaking resistance of this type of material were studied by uniaxial tensile tests,uniaxial com pressive tests,four2point flexural tests and three2point flexural fracture tests.The results show that this type of ultra2high toughnesscementitious com posite exhibits the characteristics of pseudo strain2hardening,multiple cracking and high ductility as well as high energy abs orption.The crack width at ultimate load is about50μm.The ultimate strain excesses3% and the average crack space is about1mm.The com pressive strength is similar to that of concrete but the elastic m odulus is lower and the com pressive deformation capacity is much higher than that of concrete. The three2point flexural fracture test results dem onstrate that the ultimate load and corresponding deformation of this type of com posite are much higher than those of its matrix.The test results of notched specimens show that the single cracking in this com posite can be split into multiple small cracking and the com posite is insensitive to small notch.All test results dem onstrate that this type of com posite can keep integrality very well at its failure rather than the happening of fragmentation.
K ey w ords:ultra2high toughness cementitious com posite;experimental study;strain hardening;multiple cracking;high ductility;high toughness;high energy abs orption
(责任编辑:王冰伟)
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常用材料性质参数 材料的性质与制造工艺、化学成份、内部缺陷、使用温度、受载历史、服役时间、试件尺寸等因素有关。本附录给出的材料性能参数只是典型范围值。用于实际工程分析或工程设计时,请咨询材料制造商或供应商。 除非特别说明,本附录给出的弹性模量、屈服强度均指拉伸时的值。 表 1 材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数 材料名称弹性模量E GPa 泊松比V 密度 kg/m3 热膨胀系数a 1G6/C 铝合金-79 黄铜 青铜 铸铁 混凝土（压 普通增强轻质17-31 2300 2400 1100-1800
7-14 铜及其合金玻璃 镁合金镍合金( 蒙乃尔铜镍 塑料 尼龙聚乙烯 2.1-3.4 0.7-1.4 0.4 0.4 880-1100 960-1400 70-140 140-290 岩石(压 花岗岩、大理石、石英石石灰石、沙石40-100 20-70 0.2-0.3 0.2-0.3 2600-2900 2000-2900 5-9 橡胶130-200 沙、土壤、砂砾钢
高强钢不锈钢结构钢190-210 0.27-0.30 7850 10-18 14 17 12 钛合金钨木材（弯曲 杉木橡木松木11-13 11-12 11-14 480-560 640-720 560-640 1 表 2 材料的力学性能 材料名称/牌号屈服强度s CT MPa 抗拉强度b CT
MPa 伸长率 5 % 备注 铝合金LY12 35-500 274 100-550 412 1-45 19 硬铝 黄铜青铜 铸铁( 拉伸HT150 HT250 120-290 69-480 150 250 0-1 铸铁( 压缩混凝土(压缩铜及其合金 玻璃
纯铝的强度低，不宜用来制作承受载荷的结构零件。向铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可制成强度较高的铝合金，若在经冷变形强化或热处理，可进一步提高强度。 根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为形变与铸造铝合金两大类.工业上应用的主要有铝-锰,铝-镁,铝-镁-铜,铝-镁-硅-铜,铝-锌-镁-铜等合金.变形铝合金也叫熟铝合金,据其成分和性能特点又分为防锈铝,硬铝,超硬铝,锻铝和 特殊铝等五种. 铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。 铝合金基本常识 一、分类：展伸材料分非热处理合金及热处理合金 1.1 非热处理合金：纯铝—1000系，铝锰系合金—3000系，铝矽系合金—4000系，铝镁系合金—5000系。 1.2 热处理合金：铝铜镁系合金—2000系，铝镁矽系合金—6000系，铝锌镁系合金—7000系。 二、合金编号：我国目前通用的是美国铝业协会〈Aluminium Association〉的编号。兹举 例说明如下：1070-H14(纯铝)
2017-T4(热处理合金) 3004-H32(非热处理合金) 2.1第一位数：表示主要添加合金元素。 1：纯铝 2：主要添加合金元素为铜 3：主要添加合金元素为锰或锰与镁 4：主要添加合金元素为矽 5：主要添加合金元素为镁 6：主要添加合金元素为矽与镁 7：主要添加合金元素为锌与镁 8：不属於上列合金系的新合金 2.2第二位数：表示原合金中主要添加合金元素含量或杂质成分含量经修改的合金。 0：表原合金 1：表原合金经第一次修改 2：表原合金经第二次修改 2.3第三及四位数： 纯铝：表示原合金 合金：表示个别合金的代号 ＂-″：后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的鍊度符号-Hn ：表示非热处理合金的鍊度符号 -Tn ：表示热处理合金的鍊度符号 2 铝及铝合金的热处理 一、鍊度符号：若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚须藉冷加工、淬水、时效
铝合金的典型机械性能(Typical Mechanical Properties) 铝合金牌号 及状态拉伸强度(25°C MPa)屈服强度(25°C MPa)硬度500kg力10mm球延伸率 1.6mm(1/16in)厚度 5052-H112 175 195 60 12 5083-H112 180 211 65 14 6061-T651 310 276 95 12 7050-T7451 510 455 135 10 7075-T651 572 503 150 11 2024-T351 470 325 120 20 铝合金的典型物理性能(Typical Physical Properties) 铝合金牌号及状态热膨胀系数 (20-100℃) μm/m?k熔点范围 (℃)电导率20℃(68℉) (%IACS) 电阻率20℃(68℉) Ωmm2/m 密度(20℃)(g/cm3) 2024-T351 23.2 500-635 30 0.058 2.82 5052-H112 23.8 607-650 35 0.050 2.72 5083-H112 23.4 570-640 29 0.059 2.72 6061-T651 23.6 580-650 43 0.040 2.73 7050-T7451 23.5 490-630 41 0.0415 2.82 7075-T651 23.6 475-635 33 0.0515 2.82 铝合金的化学成份(Chemical Composition Limit Of Aluminum ) 合金 牌号硅Si 铁Fe 铜Cu 锰Mn 镁Mg 铬Cr 锌Zn 钛Ti 其它铝 每个合计最小值 2024 23.2 0.5 3.8-4.9 0.3-0.9 1.2-1.8 0.1 0.25 0.15 0.05 0.15 余量5052 25 0.4 0.1 0.1 2.2-2.8 0.15-0.35 0.1 -- 0.05 0.15 余量5083 23.8 0.4 0.1 0.3-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 余量6061 23.6 0.7 0.15-0.4 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15 余 量 7050 23.5 0.15 20.-2.6 0.1 1.9-2.6 0.04 5.7-6.7 0.06 0.05 0.15 余量7075 23.6 0.5 1.2-2.0 0.3 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 0.2 0.05 0.15 余 量 美铝典型应用领域 用途 2024 5052 5083 6061 7050 7075 农业 -- ● -- ● -- -- 航空器● -- -- ●●● 模具 -- ● -- ● -- ● 机械设备●● -- ●●● 五金零件 -- -- -- ● -- -- 建筑 -- ● -- ● -- --
文章编号:1009-6825(2010)35-0144-02 红砂岩力学性能对路基长期稳定性影响的研究 收稿日期:2010-08-28 作者简介:罗长林(1975-),男,工程师,湖南佳林建设有限公司,湖南长沙 410000 罗长林 摘 要:通过红砂岩的抗剪强度试验、C B R 强度试验、渗透试验等室内试验分析了红砂岩填料的工程性质对压实度、水、 级配等因素的反应敏感程度,进而研究了红砂岩填料的长期强度衰减对路基长期稳定性的影响。关键词:红砂岩,路基,稳定性,蠕变中图分类号:T U 452 文献标识码:A 红砂岩在我国有着广泛的区域性分布,湖南地区大部分为泥 状结构的粘土类岩和粒状结构的碎屑类岩。这类岩石的工程特性主要表现为:其强度因矿物成分和胶结物质的差异而变化颇大,受水浸湿或在大气环境下受干湿循环的作用,岩石呈块状或粒状崩解碎裂;或软化崩解成土,甚至泥化。因此,红砂岩作为路用填筑材料容易造成路基沉陷或软化膨胀失稳,承载力降低,路面严重开裂等多种病害。 1 红砂岩填料控制 为了保障路基的长期性,须选用合格的填料,满足足够的强度和抗变形能力,如透水的砂性土、碎石土等,在路基填筑前对路 基填料进行基本试验与分类处理。红砂岩种类复杂,为了便于红砂岩的路用性质归纳和总结,采用浸水试验,根据24h 后试样的崩解情况将红砂岩石进行分类,见表1。 表1 湘南红砂岩分类 岩石类型Ⅰ类岩Ⅱ类岩Ⅲ类岩天然密度/g ·c m -32.452.392.49天然含水量/%7.885.120.81土粒相对密度2.762.752.75天然干密度/g · c m -3 2.272.262.49孔隙比0.2035 0.2002 0.1127 抗压强度/M P a 0.238.5123.46水理特性 泥状崩解 块状崩解 不崩解 2 红砂岩填料长期性能2.1 红砂岩工程性质 1)红砂岩击实土的抗剪强度。含水量的变化,对三轴抗压强度的影响较大,饱和试样的三轴强度比最佳含水量试样的强度大幅度降低。红砂岩小于2m m 粉碎样三轴固结不排水抗剪强度曲线表明:饱和试样的粘聚力C=120k P a ,内摩擦角φ=17°,最佳含水量试样的粘聚力C=314k P a ,内摩擦角φ=20°。通过比较可以看出,饱和试样的粘聚力约为最佳含水量试样的38%,降低了62%;饱和试样的内摩擦角比最佳含水量试样低约15%。说明含水量的变化对三轴固结不排水试验试样的粘聚力影响较大,而对内摩擦角影响相对较小(见图1)。 三种不同级配的直剪试验结果表明87%,90%,93%,95%, 98%压实度时,试样粘聚力的变化范围分别为54k P a ～119k P a ,62k P a ～136k P a ,66.87k P a ～201.97k P a ,69.77k P a ～230.15k P a ;三组试样内摩擦角的变化范围分别为20°～31.65°,25°～31.2°,28.8°～46.28°,34.98°～58.45°(见图2)。总体上试样的抗剪强度指标随着压实度的增加而呈现逐渐增加的趋势,98%压实度时的粘聚力约为87%压实度时的1.29倍～1.93倍,内摩擦角为1.75倍～1.85倍,随压实度的变化,粘聚力变化的起伏较大,而内 风压f 1在一瞬间大于中间层的压力f 2到达一定时间后f 1=f 2,中间层空气压力和穿孔铝板外的压力相等,雨水在自重作用下下落到地面排出。 当瞬时外风压把雨水从铝板孔带入中间层后碰到内层玻璃幕墙上,由于形成的缝隙皆注以耐候硅酮密封胶。所有的缝已堵塞,故保证雨水不能从立面上渗入室内。 由于本幕墙为双层幕墙,因而增加幕墙施工面积(是单层幕墙的2倍),但从其长远使用时的安全性、节能、功能来看还是值得的。 幕墙工程即使有完善的、合理的设计,有切实可行的施工方案,还需要配备强有力的管理人员及素质高的有经验的施工队伍,这样才能把完善、合理的设计变为现实。 O n c h a r a c t e r i s t i c s o f c u r t a i n w a l l o f e n t e r p r i s e p a v i l i o ni n S h a n g h a i E X P Ob y S t a t e G r i d C o m p a n y J I T o n g -t i a n A b s t r a c t :T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c u r t a i n w a l l o f e n t e r p r i s e p a v i l i o n i n S h a n g h a i E X P Ob y S t a t e G r i d C o m p a n y ,a n d i n d i c a t e s f r o mt h e s a f e t y o f t h e c u r t a i n w a l l ,t h e e n e r g y -s a v i n g ,t h e e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ,t h e c o m f o r t ,a n d t h e b e a u t y ,s o a s t o m a k e t h e c u r t a i n w a l l b e m o r e p e r f e c t a n d r e a s o n a b l e ,s o t h e c u r t a i nw a l l c a n b e f u r t h e r a p p l i e d .K e yw o r d s :g l a s s c u r t a i nw a l l ,s o l a r e n e r g y P Vp a n e l ,c h a r a c t e r i s t i c s · 144·第36卷第35期2010年12月 山西建筑S H A N X I A R C H I T E C T U R E V o l .36N o .35D e c . 2010 DOI :10.13719/j .cn ki .cn14-1279/tu .2010.35.019
材料的常用力学性能有哪些 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。1强度 强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。强度用应力表示，其符号是σ，单位为MPa，常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度，通过拉伸试验测定。 2塑性 塑性是指材料在断裂前产生永久变形而不被破坏的能力。材料塑性好坏的力学性能指标主要有伸长率和收缩率，值越大，材料的塑性就越好，通过拉伸试验可测定。 3硬度 硬度是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度（HBS）和洛氏硬度（HRC）。 1）布氏硬度 表示方法：布氏硬度用HBS（W）表示，S表示钢球压头，W表示硬质合金球压头。规定布氏硬度表示为：在符号HBS或HBW前写出硬度值，符号后面依
次用相应数字注明压头直径（mm）、试验力（N）和保持时间（s）。如120 HBS 10/1000/30。 适用范围：HBS适用于测量硬度值小于450的材料，主要用来测定灰铸铁、有色金属和经退火、正火及调质处理的钢材。 根据经验，布氏硬度与抗拉强度之间有一定的近似关系： 对于低碳钢，有σ=0.36HBS； 对于高碳钢：有σ=0.34HBS。 2）洛氏硬度 表示方法：常用HRA、HRB、HRC三种，其中HRC最为常用。洛氏硬度的表示方法为：在符号前面写出硬度值。如62HRC。 适用范围：HRC在20-70范围内有效，常用来测定淬火钢和工具钢、模具钢等材料，1HRC相当于10HBS。 4冲击韧性 冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力，材料的韧性越好，在受冲击时越不容易断裂。 5疲劳强度 疲劳强度是指材料经过无数次应力循环仍不断裂的最大应力。
附录A 结构用铝合金材料力学性能 常见结构用铝合金板、带材力学性能（标准值）可按表A-1采用，结构用铝合金棒、管、型材力学性能（标准值）可按表A-2采用。结构用铝合金板、带、棒、管、型材的化学成分可按表A-3采用。 表A-1 结构用铝合金板、带材力学性能标准值
注：1. 伸长率标准值中，A适用于厚度不大于12.5mm的板材，A适用于厚度大于12.5mm的板材。502. 表中焊接折减系数的数值适用于材料焊接后存放的环境温度大于10℃，存放时间大于3d（6XXX系列）或30d（7XXX系列）的情况。 3. 表中焊接折减系数的数值适用于厚度不超过15mm的MIG焊，以及3xxx系列、5xxx系列合金和8011A合金厚度不超
过6mm的TIG焊。对于6xxx系列和7xxx系列合金厚度不超过6mm的TIG焊，焊接折减系数的数值必须乘以0.8。当厚度超过上述规定，如无试验结果或国内外相关规范规定，3xxx系列、5xxx系列合金和8011A合金焊接折减系数的数值必须乘以0.9，6xxx系列和7xxx系列合金焊接折减系数的数值必须乘状态不需进行上述折减。O焊）。对于TIG（0.64焊）或MIG（0.8以． 表A-2 结构用铝合金棒、管、型材力学性能标准值
适用于厚度（或直的板（或棒）材，A注：1. 伸长率标准值中，A适用于厚度（或直径）不大于12.5mm50 12.5mm的板（或棒）材。径）大于系6XXX（2. 表中焊接折减系数的数值适用于材料焊接后存放的环境温度大于10℃，存放时间大于3d 系列）的情况。列）或30d（7XXX8011A系列合金和MIG焊，以及3xxx系列、5xxx3. 表中焊接折减系数的数值适用于厚度不超过15mm的焊接折减系数的7xxx系列合金厚度不超过6mmTIG焊，合金厚度不超过6mm的TIG焊。对于6xxx系列和系列合。当厚度超过上述规定，如无试验结果或国内外相关规范规定，3xxx系列、5xxx的数值必须乘以0.8系列合金焊接折减系数的数值必须乘0.9，6xxx系列和7xxx金和8011A合金焊接折减系数的数值必须乘以TIG焊）。对于O状态不需进行上述折减。以0.8（MIG焊）或0.64（
超高韧性水泥基复合材料耐久性能研究 摘要：超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是一种新型建筑材料，它既具有优良的抗拉与抗压能力，同时又具有良好的耐久性能。本文通过两个关于超高韧性水泥基复合材料耐久性的实验，证明了该水泥在工程耐久性能方面具有独特的优势。 关键词：超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)；耐久性；抗裂缝能力；抗冻融能力 Abstract:Ultra high toughness cementitious composites is a new kind of construction material with excellent tensile and compression resistance and excellent durability. Based on two experiments of the durability of ultra high toughness cementitious composites, the unique advantage of this mateial in durability is proved. Key words: ultra high toughness cementitious composites; durability; anti-crack performance; anti-freeze performance 1 引言 为减少乃至消除混凝土早期收缩裂缝、减小荷载裂缝、提高材料的抗冻性，近年来纤维混凝土材料得到了广泛的应用[1]，如聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土等的使用都取得了良好的效果。但这些纤维混凝土在荷载作用下仍然无法有效控制裂缝宽度，在直接拉伸荷载作用下仍表现出应变软化特性，在展示高于普通混凝土韧性的同时通常以较宽的有害裂缝为代价，同时抗冻融循环的能力也不明显。这些都极大地限制了纤维混凝土材料的推广应用。 2006年，针对以上普通纤维混凝土材料在耐久性的问题，我国研发出了超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cement itious Composite，简称UHTCC)，该材料能有效控制裂缝宽度和提高混凝土的抗冻能力。 2 超高韧性水泥基复合材料的耐久性研究 2.1 超高韧性水泥基复合材料的抗裂缝能力 在钢筋混凝土结构中，氧气和水穿越裂缝到达钢筋表面是钢筋发生锈蚀的必要条件[2-4]，而侵蚀性物质则一般是随着水迁移到钢筋混凝土构件内部的。Tsukamoto的研究[5]表明，水向混凝土内部渗透的速率与裂缝宽度的三次幂成正比，并且当裂缝宽度小于一定临界值后便不会有水可以渗入到混凝土内部，并且纤维的掺入还可以进一步降低渗透速率，对应素混凝土的临界裂缝宽度为0.1 mm，掺 1.7%聚丙烯腈纤维的混凝土为0.14 mm，掺1%钢纤维的混凝土为0.155mm。 2003年Maalej和Li[6]研究利用具有约5.4%拉应变能力的UHTCC替换受拉
判断 1.由内力引起的内力集度称为应力。（×） 2.当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。（√） 3.工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力条件下产生的弹性变形就越大。（×） 4.弹性比功表示金属材料吸收弹性变形功的能力。（√） 5.滑移面和滑移方向的组合称为滑移系，滑移系越少金属的塑性越好。（×） 6.高的屈服强度有利于材料冷成型加工和改善焊接性能。（×） 7.固溶强化的效果是溶质原子与位错交互作用及溶质浓度的函数，因而它不受单相固溶合金（或多项合金中的基体相）中溶质量所限制。（×） 8.随着绕过质点的位错数量增加，留下的位错环增多，相当于质点的间距减小，流变应力就增大。（√） 9.层错能低的材料应变硬度程度小。（×） 10.磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以腐蚀的危害最大。（×） 11.韧性断裂用肉眼或放大镜观察时断口呈氧化色，颗粒状。（×） 12.脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，长呈放射状或结晶状。（√） 13.决定材料强度的最基本因素是原子间接合力，原子间结合力越高，则弹性模量、熔点就越小。（×） 14.脆性金属材料在拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零。（√） 15.脆性金属材料在压缩时除产生一定的压缩变形外，常沿与轴线呈45°方向产生断裂具有切断特征。（√）
16.弯曲试验主要测定非脆性或低塑性材料的抗弯强度。（×） 17.可根据断口宏观特征，来判断承受扭矩而断裂的机件性能。（√） 18.缺口截面上的应力分布是均匀的。（×） 19.硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。（√） 20.于降低温度不同，提高应变速率将使金属材料的变脆倾向增大。（×） 21.低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧下降的结果。（×） 22.体心立方金属及其合金存在低温脆性。（√） 23.无论第二相分布于晶界上还是独立在基体中，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。（√） 24.细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性使断裂韧度K IC下降。（×） 25.残余奥氏体是一种韧性第二相，分布于马氏体中，可以松弛裂纹尖端的应力峰，增大裂纹扩展的阻力，提高断裂韧度K IC。（√） 26.一般大多数结构钢的断裂韧度K IC都随温度降低而升高。（×） 27.金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。（√） 28.宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。（√） 29.材料的疲劳强度仅与材料成分、组织结构及夹杂物有关，而不受载荷条件、工作环境及表面处理条件的影响。（×） 30.应力腐蚀断裂并是金属在应力作用下的机械破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的。（×） 31.氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。（√） 32.含碳量较低且硫、磷含量较高的钢，氢脆敏感性低。（×） 33.在磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂的过程。（√）
静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样，试样成分分别为铝合金和45#，各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（一般应变速率应≤0.1m/s ），直到拉断为止，并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样，而不仅仅是标距部分的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素，由于试样开始受力时，头部在头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别： （1）塑性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都比较大。塑性材料在发生断裂时，会发生明显的塑性变形，也会出现屈服和颈缩等现象； （2）脆性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。并且，大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，在断裂前不会出现明显的征兆，不会出现屈服和颈缩等现象，只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时，就可以达到m F 而突然发生断裂，其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样，由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度，而根据公式，10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L （10cm ）处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径，并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备：
一、说明下列力学性能指标的意义 1) P σ 比例极限 2) e σ 弹性极限 3) b σ抗拉强度 4) s τ扭转屈服强度 5) bb σ抗弯强度 6) HBW 压头为硬质合金球时的布氏硬度 7) HK 显微努氏硬度 8) HRC 压头为顶角120金刚石圆锥体、总试验力为1500N 的洛氏硬度 9) KV A 冲击韧性 10) K IC 平面应变断裂韧性 11) R σ应力比为R 下的疲劳极限 12) K th 疲劳裂纹扩展的门槛值 13) ISCC K 应力腐蚀破裂的临界应力强度因子 14) /T t εσ给定温度T 下，规定试验时间t 产生一定的蠕变伸长率δ的蠕变极限 15) T t σ给定温度T 下，规定试验时间t 发生断裂的持久极限 二、单向选择题 1）在缺口试样的冲击实验中，缺口越尖锐，试样的冲击韧性（ b ）。 a) 越大； b) 越小；c ) 不变；d) 无规律 2）包申格效应是指经过预先加载变形，然后再反向加载变形时材料的弹性极限（ b ）的现象。 a) 升高 ；b) 降低 ；c) 不变；d) 无规律可循 3）为使材料获得较高的韧性，对材料的强度和塑性需要（ c ）的组合。 a) 高强度、低塑性 ；b) 高塑性、低强度 ；c) 中等强度、中等塑性；d) 低强度、低塑性 4）下述断口哪一种是延性断口（d ）。 a) 穿晶断口；b) 沿晶断口；c) 河流花样 ；d) 韧窝断口 5) 5）HRC 是（ d ）的一种表示方法。 a) 维氏硬度；b) 努氏硬度；c) 肖氏硬度；d) 洛氏硬度 6）I 型（开型）裂纹的外加应力与裂纹面（b ）；而II 型（滑开型）裂纹的外加应力与裂
材料的常用力学性能有哪些 材料的常用力学性能指标有哪些 材料在一定温度条件和外力作用下,抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能.锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括:强度、硬度、塑性和韧性等. (1)强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力.强度指标是设计中决定许用应力的重要依据,常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb,高温下工作时,还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD. (2)塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力.塑性指标包括:伸长率δ,即试样拉断后的相对伸长量;断面收缩率ψ,即试样拉断后,拉断处横截面积的相对缩小量;冷弯(角)α,即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度. (3)韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力.韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值αk表示.Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外,还对材料的一些缺陷很敏感,能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化.而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感,低温冲击试验能检验钢的冷脆性. 表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ,它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力. (4)硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标.硬度试验的方法较多,原理也不相同,测得的硬度值和含义也不完全一样.最常用的是静负荷压入法硬度试验,即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV),其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力.而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验,其值代表金属弹性变形功的大小.因此,硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标. 力学性能主要包括哪些指标 材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征. 性能指标 包括:弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度. 钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能. 金属材料的力学性能指标有哪些 一:弹性指标
高性能水泥基复合材料的性能分析及应用研究概述 发表时间：2019-04-02T11:08:48.373Z 来源：《防护工程》2018年第35期作者：夏春强 [导读] 关系到整个建筑的施工和质量。本文主要针对水泥基复合材料的性能和应用进行分析。 胜利油田营海集团山东东营 257087 摘要:我国建筑业正处于快速发展时期，为提高建筑施工质量，保障建筑使用性能，各种新材料和新工艺不断引入到建筑行业，水泥是建筑施工中使用最多的材料之一，关系到整个建筑的施工和质量。本文主要针对水泥基复合材料的性能和应用进行分析。 关键词：水泥基复合材料；性能；应用 引言 21世纪以来，科学技术高速发展，社会时代飞速进步，伴随着环境恶化、资源紧缺和能源危机问题日益凸显。这些问题的出现对人类的可持续发展提出了新的挑战，同样也对我们材料科学提出了更高的要求。因此，高性能水泥基复合材料的出现和应用将会存在巨大潜力。 1水泥基复合材料的发展 混凝土作为一种力学性能优良的建筑材料，已广泛应用于在土木工程的各个领域。但其仍存在以下两方面的问题:1)由混凝土开裂引起的耐久性问题。结构中的混凝土往往处于裂缝状态。裂缝的形成会引起钢筋锈蚀，降低混凝土的承载能力。同时，外界的有害影响也会侵入结构部件内部，降低结构的耐久性能。2)极端荷载条件下的脆性破坏问题。已有的研究工作表明，在爆炸与冲击等高速动荷载作用下，混凝土材料往往呈现脆性破坏模式，导致结构破坏具有突然性，不利于人员避险。同时混凝土材料失效时会产生飞散的破片从而对结构内部的人员与设备造成伤害。混凝土材料在正常工作荷载下的开裂及在高速动荷载作用下的破碎与剥落的原因在于其本身断裂韧性和抗拉强度的不足。因此，有必要采用一定的方法改善和优化混凝土材料的力学性能，增加其断裂韧性，从而提高其抗拉强度。 近年来，国内展开了对水泥复合材料材料的研究，徐世烺团队的研究成果具有代表性，该团队定义了一种超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)，使用的纤维体积掺量不超过2．5%，并且硬化后具有应变-硬化的特性。UHTCC在直接拉伸荷载条件下可以观察到多条细小的裂纹，通过测量可发现达到峰值应力时，对应的裂缝宽度能稳定在100μm以内，对应极限拉应变达到3%以上。对纤维体积掺量为2%的PVA-水泥复合材料进行单轴抗压应力-应变曲线分析。结果显示，PVA-水泥复合材料的极限压缩应变(强度下降到峰值应力的20%时对应的应变)是混凝土的5～10倍，峰值应变是混凝土的4～7倍，由此可显示出PVA-水泥复合材料极强的压缩韧性;通过单轴抗拉伸试验，三点/四点弯曲试验和单轴压缩试验探究了UHTCC的力学性能，试验结果证实了UHTCC在不同破坏荷载作用下会通过产生多缝消散能量，具有明显的延性，不会发生脆性破坏，具有良好的整体性。此外，对低收缩率的水泥复合材料单轴抗拉伸、抗压缩性能、弹性模量及极限压缩应变等进行研究，试验结果表明该种水泥复合材料在拉伸时表现出明显的塑性变形，其极限应变、裂缝宽度都有明显的改善;采用快速冻结法将高韧性水泥复合材料与混凝土和砂浆的抗冻融性能进行对比，并且还深入探究了国产PVA纤维与进口PVA纤维对水泥复合材料抗冻融性能的影响，通过300次冻融循环试验，发现国产PVA-水泥复合材料的质量损失率要比进口PVA-水泥复合材料高1%左右。 2水泥基复合材料基本性能 纤维增强水泥基材料一般可划分为变形硬化和变形软化两类，其中变形硬化材料又可细分为应变硬化和应变软化。应变硬化材料具有裂缝形成后的材料强度会大于初裂强度，试件应变均匀且多缝开裂的典型特点。UHTCC材料在直接拉伸和弯曲荷载作用下均表现出应变硬化材料的受力和变形特点。 水泥基复合材料在单轴拉伸试验过程中表现出应变硬化的本构特性，极限抗拉强度可稳定达到6.0MPa，峰值拉应变接近3.6%；且该材料裂缝无害化分散能力突出，即便在峰值荷载作用下，裂缝宽度仍可以有效控制在100μm以内，有些甚至可以控制在50μm以内。 水泥基复合材料的压缩性能试验研究表明，在水泥基体材料中添加适当比例的纤维能改善材料的应力应变关系，使其具有的开裂后的荷载承受能力、压缩韧性和塑性变形性能明显优于混凝土。水泥基复合材料和混凝土的多轴压缩试验发现，与普通混凝土相比，在侧向压力存在的情况下，强度和延性改善幅度更明显。 水泥基复合梁构件承受横向荷载作用时表现出应变硬化和多缝开裂的特点，但与直接拉伸性能并不完全相同。试件受弯出现第一条裂缝后，裂缝宽度可以稳定在非常细窄的水平，此时材料的开裂强度与单向开裂强度几乎相等。随荷载增加，在梁截面弯矩作用较大的范围内先后出现与初始裂缝宽度相当的大量细微裂缝，载荷达到峰值后，某条微裂缝开始局部扩展导致试件失效破坏，破坏时刻材料的极限抗弯强度约为开裂强度的五倍。 3水泥基复合材料研究现状 3.1对矿物掺合料的研究 矿物掺合料，是为了改善混凝土工作性能，节约用水量，调节混凝土强度等级，而在混凝土拌合时掺入天然的或人工的能够改善混凝土力学性能和工作性能的粉状矿物质。活性掺合料是在掺入减水剂的情况下，能够增加新拌混凝土的工作性能，并能提高混凝土的力学性能和耐久性。在高强混凝土中掺入适量的硅灰，在一定程度上增强了混凝土的抗压强度和抗折强度。硅灰能够显著改善混凝土的工作性和耐久性，过量的硅灰的自收缩性大，会降低混凝土的抗压强度。超细石灰石粉具有微集料效应，微显核效应等，能够促进C3S的水化，显著提高混凝土抗压强度。超细高含硅质矿粉增强了集料与胶结料界面的粘结力。通过研究指出，掺10%粉煤灰或矿渣粉不会影响低水胶比浆体的水化进程，粉煤灰对水化进程的延缓效果要优于同等掺量的矿渣粉。双掺超细磨粉煤灰和硅灰能够显著提高混凝土的早期强度。以上研究表明，不同的矿物掺合料单掺、双掺和三掺作用机理不一样，对抗压强度的影响也就会产生不同。矿物掺合料的掺入可以替代部分水泥，降低成本，最根本的是可以降低水化热，优化孔洞结构，增强各相间的粘结，从而提高强度。矿物掺合料在降低水泥水化热的同时，也对水泥水化起到一定促进作用。 3.2对纤维掺量的研究 通过纤维技术与混凝土技术结合，可研制出能够改善混凝土力学性能，提高土建工程质量的高性能混凝土。不同纤维对于混凝土的作用不同，影响程度也不同。例如，钢纤维对于机场、大坝、高速公路等工程可起到抗渗、防裂、抗冲击和抗折性能，合成纤维可以起到预
纤维增强型水泥基复合材料 一、纤维增强型水泥基复合材料的概述 纤维增强型水泥基复合材料是以水泥与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体作为基体，以不连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。 普通混凝土是脆性材料，在受荷载之前内部已有大量微观裂缝，在不断增加的外力作用下，这些微裂缝会逐渐扩展，并最终形成宏观裂缝，导致材料破坏。 加入适量的纤维之后，纤维对微裂缝的扩展起阻止和抑制作用，因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。 二、纤维增强型水泥基复合材料的力学性能 在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。 ? 2.1 抗拉强度 ?在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材料的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。 ? ? 2.2 抗裂性
在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维就能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生； 在硬化过程中，当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。 ? 2.3 抗渗性 纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外，纤维起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥基复合材料的抗渗性。 2.4 抗冲击及抗变形性能 在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基体中已出现大量的分散裂缝，由于增强纤维的存在，基体仍可承受一定的外荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。 2.5 抗冻性 纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用，从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高材料的抗冻性；同时，水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。 ?纤维的纤维掺量对混凝土强度的影响很大 ?合成纤维可有效地控制由混凝土内应力产生的裂缝，使混凝土早期收缩裂缝减少50～90%，显著提高混凝土的抗渗性和耐久性，使混凝 土内钢筋锈蚀时间推迟2.5倍。除抗裂外，合成纤维还能提高混凝土的粘 聚性和抗碎裂性。 ?以聚丙烯合成纤维为例 ?掺入聚丙烯合成纤维后，混凝土的性能将发生变化，当纤维含量适当时，混凝土抗压强度、抗弯强度等均有不同程度的提高。纤维掺量对混凝土强 度的影响见下表。 三、几种主要增强型水泥基复合材料的应用现状
2007～2008 学年第一学期期末考试试题答案及评分标准《材料力学性能》卷（B 共8 页）（考试时间：2008 年 1 月14 日）一、名词解释（每小题2 分，共12 分）1 弹性比功：指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功，是一个韧度指标。2 分）（2 应变时效：经变形和时效处理后，材料塑性、韧性降低，脆性增加的现象 3 静力韧性：指材料在静载拉伸断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。2 （分）4 脆性断裂：断裂前，材料未发生明显的宏观塑性变形的断裂，或指断裂应力低于材料屈服强度的断裂。2 分）（5 应力状态系数：应力状态中最大切应力和最大正应力的比值。2 分）（6 环境敏感断裂：料在环境介质中的力学行为是介质和应力共同作用的结材果；这种介质和应力相互促进、加速材料损伤、促使裂纹早期形成并加速其扩展和破坏的现象称作环境敏感断裂。2 分）（二、填空题（每空0.5 分，共22 分）1 通过静载拉伸实验可以测定材料的弹性极限、屈服极限、抗拉强度、断裂强度等强度指标，及延伸率、断面收缩率等塑性指标。2在材料的完整弹性变形中，加载的应力-应变曲线与卸载曲线完全重合；而对不完整的弹性变形，存在着弹性后效、弹性滞后、包辛格效应等弹性变形时加载线与卸载线不重合的现象。3 断口的三要素是纤维区、放射区和剪切唇。微孔聚集型断裂的微观特征是韧窝；解理断裂的微观特征主要有解理台阶和河流和舌状花样；沿晶断裂的微观特征为石状断口和冰糖块状断口。 4 测定材料硬度的方法主要有压入法、回跳法和刻划法；其中压入硬度法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、和努氏硬度等。3 分）（ 5 在平面应变断裂韧性K I C 的测试过程中，对三点弯曲试样的厚度B、裂纹长K IC K IC度 a 和韧带长度W-a 的要求为：B 2.5 2 、a 2.5 2 、s s K ICW a 2.5 2 ，这样做的目的是为了保证裂纹尖端处于小范围屈服和平面s应变状态。6）材料的环境敏感断裂，可按材料或零件受力的性质划分为应力腐蚀开裂、氢脆、腐蚀疲劳和腐蚀磨损等形式。在应力腐蚀断裂中材料与介质的组合特定的；在腐蚀疲劳断裂中材料会在任何介质中出现。7）材料长期在高温条件下时，在恒应力下发生的塑性变形现象称作蠕变；而在恒应变下的应力降低现象称作应力松弛。8 ）按照磨损机理，磨损包括粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损微动磨损和冲蚀磨损等六种基本类型。9）根据维度，纳米材料可分原子团簇、纳米微粒等0 维纳米材料，纳米线等1 维纳米材料，纳米薄膜等2 维纳米材料，及纳米块体等 3 维纳米材料。三、简答题（每小题4 分，共24 分）1）解释平面应力和平面应变状态，并用应力应变参数表述这两种状态。答：对薄板，由于板材较薄，在厚度方向上可以自由变形，即σ z0。这种只在两个方向上存在应力的状态称为平面应力。 2 分）（对厚板，由于厚度方向变形的约束作用，使得ｚ方向不产生应变，即εｚ＝０。这种状态称为平面应变。2 分）（2）形变强化的规律是什么？其工程意义有哪些？答：材料从屈服到产生颈缩间的形变强化阶段，遵从Hollo mo n公式SK ε n 。1 （分）形变强化的意义为：１）可使金属零件具有抵抗偶然超载的能力，保证安全；２）可强化材料；３）形变强化可以保证某些冷成形工艺的顺利进行。（3 分）3）缺口会引起哪些力学响应？如何评定材料的缺口敏感性？答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产生应力集中、双向或三向应力，并试样的屈服强度升高，塑性降低。 2 分）（材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏
第24卷 第6期2002年6月 武 汉 理 工 大 学 学 报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY V ol.24 No.6 Jun.2002 文章编号:1671-4431(2002)06-0015-04 高性能纤维增强水泥基复合材料的研究 王悦辉 谢永贤 林宗寿 涂成厚 (武汉理工大学) 摘 要: 介绍了在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维制备出高性能水泥基复合材料的研究结果。研究了水灰比(W/C)、砂灰比(S/C)、钢纤维掺量对水泥基复合材料性能的影响;并用XRD 、SEM 分析其微观结构和形貌。试验结果表明:将钢纤维掺入到高性能蒸养水泥中并采用适当的工艺,可制备出抗压强度达133M Pa ,抗折强度达24.5M Pa 的高性能水泥基复合材料。 关键词: 高性能蒸养水泥; 钢纤维; 复合材料中图分类号: T U 5 文献标识码: A 收稿日期:2001-11-20.作者简介:王悦辉(1974-),女,硕士;武汉,武汉理工大学材料学院(430070). 高性能混凝土是当今混凝土材料的发展趋势,降低混凝土结构物能源、资源的消耗,减少污染以获得可持续发展的环境,也正成为混凝土界关注的热点。虽然高性能混凝土的抗压强度比普通混凝土成倍提高,但抗折强度却提高很少,表现为脆性显著增大。为了改善混凝土的脆性,通常在混凝土中掺入钢纤维,制成钢纤维混凝土,改善混凝土的脆性。钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高,弯曲韧性、抗冲击耐疲劳、阻裂限缩能力优异等特点,在工程中得到广泛的应用,取得了良好的技术经济效果。 钢纤维混凝土是以混凝土为基体,非连续的短纤维作为增强材料所构成的水泥基复合材料,钢纤维在混凝土中各向随机分布,跨越混凝土中存在的微细裂隙,并对裂隙产生约束作用,阻止裂隙扩展,从而达到增强的作用。其增强效果主要取决于钢纤维的尺寸,基体的粘结强度及掺量。前两者可由选用的钢纤维原材料来确定,钢纤维的掺量太小增强效果不明显,太大则不易搅拌分散。钢纤维虽然能大大提高混凝土的抗拉强度和韧性,但对混凝土的抗压强度影响较小。而由本试验制得的高性能水泥基材料,在水泥中掺入超细矿渣,具有良好的火山灰效应和微粒充填效应,能改善混凝土的密实性,提高抗压强度和抗渗性。在实验中应用以下基本原理配制超高性能混凝土: (1)去除混凝土中原有的粗骨料,从而消除粗骨料和水泥浆体之间的薄弱界面,增加了整个基体的均质性;(2)以多元粉体细颗粒优化级配,提高整个基体的堆积密度;(3)通过掺加微细的钢纤维,增强韧性;(4)优化搅拌、成型和养护制度;(5)采用外掺硬石膏的蒸养水泥,进一步提高制品强度。 1 试验研究 1.1 试验原材料 (1)水泥 试验用水泥采用作者已研究开发的高性能蒸养水泥[1]。其最佳配比如表1所示。(2)细集料 标准砂,粒径0.25～0.65mm 。(3)减水剂 采用UNF5高效减水剂,掺量为1.0%。(4)钢纤维 选用东洲钢纤维发展公司生产的冷板型钢纤维,见表2。试验用配比见表3、表4、表5、表6。1.2 试件制备 钢纤维在水泥砂浆中的分散、搅拌工艺:采用先干后湿的搅拌工艺,水和高效减水剂混合均匀,按配比将水泥、砂、钢纤维加入到水泥胶砂搅拌机内干搅2min;加入水和高效减水剂湿拌10min,达到钢纤维在水泥砂浆中均匀分散的目的。这种方法可避免钢纤维尚未分散即被水泥砂浆包裹成钢纤球现象。