超高韧性水泥基纤维复合材料UHTCC

超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用发布时间：2021-06-22T09:25:20.017Z 来源：《基层建设》2021年第8期作者：王燕[导读] 摘要：超高韧性水泥基复合材料是以水泥作为基本粘结料，加上小粒径细骨料作为基体，再加入体积掺量左右的聚乙烯醇纤维作增强材料配制而成的新型建筑材料。

身份证号码：37250119750103XXXX 聊城市三优装饰工程有限公司山东聊城 252000 摘要：超高韧性水泥基复合材料是以水泥作为基本粘结料，加上小粒径细骨料作为基体，再加入体积掺量左右的聚乙烯醇纤维作增强材料配制而成的新型建筑材料。

这种材料的特点不同于以前的纤维增强材料，依靠通过增加大体积含量的维来获得高性能，而是基于材料微观结构设计的一种具有超高韧性的新型复合料，这种材料在荷载作用下具有明显的应变硬化特征，在直接拉伸作用下可产生多条细微裂缝，稳定的拉应变能够达到左右。

鉴于此，本文主要分析探讨了超高韧性水泥基复合材料构件受剪性能试验方面的内容，以供参阅。

关键词：超高韧性水泥；基复合材料；构件；受剪性能 1 超高韧性水泥基复合材料配制及力学性能试验在混凝土中掺入纤维是提高材料钢性及耐久性等性能的有效途径，一般的纤维混凝土是通过添加长的连续纤维来提髙材料性能，形成高性能纤维混凝土，这种材料的缺陷在于虽然能够有效地提高靭性，但是当构件开裂后，添加的纤维材料一般会被拉断或失去粘结力从基体中脱落，承载能力随之下降，而且一般添加的纤维体积含量较大。

超高韧性水泥基复合材料是通过微观物理力学设计，使得基体朝度、界面粘结和纤维特性三者达到最优组合，当构件开裂后，纤维能够发挥桥联作用，继续承受荷载，并伴随裂缝开展逐渐从基体中拔出，在此过程中荷载反而有所提高，大量新的微裂缝不断产生，材料经历应变硬化阶段，通过自身的不断变形来实现延性破坏；产生的裂缝也没有太大的破坏性，而是没有危害的微裂缝，整个加载过程也是损伤累计的过程，最终使得材料具有较高的初性和断裂能。

UHTCC在国外以及国内的工程应用作者：#发布时间：2014/10/24 9:46:09UHTCC即超高韧性水泥基复合材料，是国内近年研发的新型复合材料，该材料的成功研发打破了国外对该材料的垄断局面，促进了我国建筑材料行业的发展，固邦新材料科技有限公司就是专业研究销售该材料的公司，并且我公司与该材料研发人员徐世烺等进行合作，进一步研究开发新的产品。

固邦UHTCC只要应用于建筑的修复，大桥、道路的修复，建筑加固，建筑、大桥、道路的防水，并且效果非常的好，该产品的性能效果在国外有很多的事例检验，在国外以及国内这种产品的应用已经很多，下面就与大家分享些案例：1．日本岐阜，混凝土挡土墙因碱骨料反应而遭到破坏，墙面上出现了大量的宏观裂缝。

在修复过程中使用UHTCC来控制表层混凝土的开裂。

修补完成一年后，墙面上仅仅能见到一些宽度小于50微米的微裂缝。

2．2002年美国密歇根州交通局，使用UHTCC对桥面板进行修补-示范项目修补。

经过四个月冬季暴露后裂缝只有0.05mm宽，过了两年半之后在UHTCC修复部位的裂缝一直保持在0.05mm宽度水平，未见进一步扩展。

在荷载和环境作用相同的情况下，使用UHTCC材料修补路面比较使用混凝土材料从浇注完成开始便显示出优越性，随着时间的推移，这种优势也变得越来越明显。

3．日本的东海道新干线从1964年建成通车，钢筋混凝土桥因碳化引起的钢筋锈蚀。

2005年，日本一公司利用喷射UHTCC对这些高架桥进行了耐久性修补。

相当于实际20年的疲劳荷载作用下10毫米厚的UHTCC层减少挠度20%，并且避免了裂缝进一步变宽的趋势。

4．日本新近建造的长达10.7km的Hida公路隧道中，在20多个紧急停车区域采用喷射UHTCC 作为多层FRC隧道衬砌体系的最外层，取代了传统浇筑混凝土衬砌。

既防止钢纤维混凝土层碳化导致钢纤维锈蚀，同时也用来防止火灾情况下混凝土层剥落。

此外提高了防水性、减少工程建造时间和费用。

文章编号：1000-6869（2016）01-0135-08DOI：10．14006/j．jzjgxb．2016．01．015超高韧性水泥基复合材料单轴压缩疲劳性能研究李庆华，黄博滔，周宝民，徐世烺（浙江大学高性能建筑结构与材料研究所，浙江杭州310058）摘要：对超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）进行单轴压缩疲劳试验，研究其压缩疲劳寿命、疲劳变形特征、纤维破坏形态以及疲劳寿命方程。

结果表明：在单轴压缩疲劳荷载作用下，UHTCC材料的三阶段变形特征与普通混凝土以及钢纤维混凝土类似，所不同的是，该材料在疲劳荷载作用下的变形明显大于其静载包络线，具有更优异的变形能力，在疲劳破坏时呈现更显著的延性特征；疲劳破坏后，疲劳破坏面上的纤维受到严重挤压，其形态不同于纤维初始形态以及单调荷载作用下纤维的破坏形态。

UHTCC材料的压缩疲劳寿命服从威布尔分布，p-S-N双对数方程可根据威布尔参数拟合得到。

该研究结果可为UHTCC材料的工程应用提供参考。

关键词：超高韧性水泥基复合材料；单轴压缩疲劳试验；变形特征；疲劳寿命方程中图分类号：TU528.572TU317.1文献标志码：AStudy on compression fatigue properties of ultra hightoughness cementitious compositesLI Qinghua，HUANG Botao，ZHOU Baomin，XU Shilang（Institute of Advanced Engineering Structures and Materials，Zhejiang University，Hangzhou310058，China）Abstract：This paper presents a experimental study on compression fatigue properties of ultra high toughness cementitious composites（UHTCC）．In this study，the fatigue life，deformation capacity，fiber failure mode and p-S-N relationship of ultra high toughness cementitious composites were investigated．It is observed that，the three-stage deformation pattern of ultra high toughness cementitious composites is similar to those of concrete and fiber reinforced concrete．In addition，different from concrete or fiber reinforced concrete，the maximum deformation of ultra high toughness cementitious composites at failure under fatigue load is larger than the monotonic envelope，which indicates this material owns higher deformation capacity and shows more ductility at failure．Moreover，the end of fibers on failure plane suffers from extrusion under fatigue load and shows a new failure mode，which is different from that of monotonic load．The fatigue life of ultra high toughness cementitious composites specimens obeys two-parameter Weibull distribution and the corresponding relationship between fatigue life and failure probability was given．When a failure probability p is given，the corresponding fatigue life N at certain stress level S could be calculated．The results of this investigation could be proposed for potential application of ultra high toughness cementitious composites．Keywords：ultra high toughness cementitious composites；uniaxial compression fatigue test；deformation feature；p-S-N equation基金项目：国家自然科学基金项目（51378462，51008270）。

DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.002超高韧性水泥基复合材料的波传播试验研究李庆华，舒程岚青(浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058)摘 要：为了研究超高韧性水泥基复合材料（UHTCC ）中应力波的传播特性，采用Hopkinson 杆加载UHTCC 试件，测得UHTCC 在0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 冲击气压下的应力波信号. 通过对比入射杆波形，验证相同加载条件下加载波形的一致性. 分别采用两点法和峰值法计算每种冲击气压下UHTCC 中应力波的波速，结果显示，两点法适用性较广，计算结果较稳定，利用峰值法测波速则需要入射杆和试件波阻抗相近. 计算结果显示，UHTCC 中应力波波速、衰减系数随冲击气压均无明显变化，平均波速为3.060 km/s ，平均衰减系数为2.777 m −1. 可以利用朱-王-唐本构模型参数表达材料中应力波的波速和衰减，也可以利用实测的波速和衰减系数将UHTCC 的朱-王-唐冲击本构模型表示为只含单个准静态参数的方程，从而提供通过试验直接确定UHTCC 动态本构的方法.关键词： 应力波；波速；超高韧性水泥基复合材料（UHTCC ）；衰减；朱-王-唐本构模型中图分类号： TU 528 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2020）05−0851−07Experimental study on stress wave propagation in ultra hightoughness cementitious compositesLI Qing-hua, SHU Cheng-lan-qing(College of Civil Engineering and Architecture , Zhejiang University , Hangzhou 310058, China )Abstract: The ultra high toughness cementitious composite (UHTCC) specimens were loaded with Hopkinson bar,and the stress wave signals in UHTCC under impact pressure of 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 MPa were measured, in order to study the propagation characteristics of stress waves in UHTCC. The consistency of the loading waveforms under the same loading conditions was verified by comparing the incident bar waveforms. The stress wave speeds in UHTCC under different impact pressures were calculated by two methods, i.e. two point method and peak value method. Results show that the two point method is more applicable and the calculation results are relatively stable.However, the peak value method requires similar wave impedance of the incident bar and the specimen. Calculation results show that the stress wave speed and attenuation coefficient in UHTCC do not change significantly with the impact pressure, and the average wave speed is 3.060 km/s, as well as the average attenuation coefficient is 2.775 m −1.The wave speed and attenuation of stress waves in material can be expressed by parameters of Zhu-Wang-Tang constitutive model. Correspondingly, the measured wave speed and attenuation coefficient can represent the Zhu-Wang-Tang impact constitutive model of UHTCC as an equation with a single quasi-static parameter. An experimental method to determine the dynamic constitutive of UHTCC directly is provided.Key words: stress wave; wave speed; ultra high toughness cementitious composite (UHTCC); attenuation;Zhu-Wang-Tang constitutive model在冲击、爆炸等高速荷载作用下，材料受荷局部的应力、应变、质点速度等在短时间内发生剧烈变化，这种剧烈扰动向外扩散，就会形成应力波[1]. 应力波的传播导致材料中的应力、应变处收稿日期：2019−04−22. 网址：/eng/article/2020/1008-973X/202005002.shtml 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51622811，51678522）.第 54 卷第 5 期 2020 年 5 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.54 No.5May 2020于动态变化中，应力波反射叠加之后还可能使材料发生背面断裂[2]，与静态荷载下材料的破坏方式和破坏过程完全不同. 研究材料在高速荷载下的性能和破坏模式，首先须解决应力波在材料中如何传播的问题.关于波传播的试验研究主要有2个方向：1）通过测量的波传播信号分析计算材料中的应力波传播参数，如波速、衰减系数、峰值等；2）通过波传播试验反推材料的动态本构.在波传播参数方面，Bacon[3]定义复数形式的传播系数来描述黏弹性材料中应力波的衰减和弥散，并给出该传播系数的测定方法，但该方法计算过程较复杂. Siviour[4]利用Hopkinson压杆加载有机玻璃，计算波速和弹性模量，但实验采用间接测量方式，不能考虑试件中应力波的衰减. Ju等[5]采用活性粉末混凝土（reactive powder con-crete，RPC）和聚乙烯纤维模拟天然砂岩，通过分离式Hopkinson压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）研究不同孔隙体积分数对反射波峰值和耗能的影响，提出冲击荷载下孔隙的2种响应模式，但这种试验方法无法测得材料中的应力波信号.胡时胜等[6]利用Hopkinson杆层裂试验装置，通过直接在试件表面黏贴应变片测得C30混凝土中应力波的波速和衰减系数. 赖建中等[7]采用与胡时胜等[6]相似的试验方法，测得RPC中的应力波传播信号，讨论冲击气压与衰减的关系. 综合以上研究可以发现，Hopkinson杆是波传播试验中常用的加载装置，因为这种加载装置通过波形加载，避免直接撞击和爆炸的加载方式带来的不确定性[8].此外，通过在试件表面黏贴应变片，可以获得材料中的应力波传播信号，进而分析材料中应力波的波速、衰减、峰值等.在材料动态本构方面，学者们基于试验和模拟结果提出多种混凝土的本构模型[9-11]. 其中，国内学者提出的朱-王-唐（Z-W-T）本构模型[9]由于能够较好地描述材料在动、静态荷载下的非线性黏弹性行为，应用较广泛[12-13]. 目前获取材料的Z-W-T本构的主要方式是将实测应力应变曲线按Z-W-T本构方程直接拟合，通过这种方式可以直接得到材料的完整Z-W-T本构方程，且拟合效果通常较好，说明Z-W-T本构适用于描述混凝土[14]、超高性能水泥基材料（ultra-high performance ce-[15]混凝土（polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC）[16]等水泥基材料，但这种方式得到的本构方程的适用范围有待考究.超高韧性水泥基复合材料（ultra high tough-ness cementitious composite，UHTCC）[17-18]，也称工程水泥基复合材料（engineered cementitious com-posite，ECC）[19]、应变硬化水泥基材料（strain hardening cement-based composite，SHCC）[20]、高性能纤维增强水泥基材料（ultra high performance fiber reinforced cementitious composite，UHPFRCC）[21]等，通过掺入少量短纤维改善材料的微观结构[22]，使其具有独特的应变硬化和韧性特征[23-25]. 在掺入适量比例的纳米S i O2和钢纤维后，UHTCC在保持原有裂缝控制能力的基础上，抗压强度提升到50 MPa以上[26]，能够承受更高强度的荷载，适用于防护工程. 落锤冲击试验[27]和SHPB试验[28]都表明UHTCC具有较好的冲击韧性，冲击耗能较混凝土、钢纤维混凝土优势明显，因此，UHTCC具有可观的防护工程应用前景. 不过，作为防护工程的材料，UHTCC不仅须具备较高的抗压强度，其在冲击、爆炸、撞击等动态荷载下的响应更须明确，即须明确应力波在UHTCC材料中的传播特性.本研究通过试验研究UHTCC的应力波传播特性. 采用Hopkinson杆加载，通过在试件表面黏贴多组应变片，获取试件上不同位置的应力波信号. 由实测信号推算UHTCC中应力波的传播参数，并对比2种波速计算方法的适用性. 探讨通过试验测试UHTCC材料的朱-王-唐冲击本构参数的方法.1 试验概况1.1 试件制备本试验试件为细长圆柱体，试件长为1 000 mm、直径为76 mm. 采用精密机械加工的不锈钢模具浇筑而成. UHTCC的原材料包括：52.5水泥、粉煤灰、精细砂、纳米二氧化硅、钢纤维、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）纤维、高效减水剂、水. 试验材料配比如表1所示. 表中，ρB为质量浓度.按表1的比例称量各种原材料，将所有干料加入搅拌机，干拌1 min；加入水和减水剂，搅拌852浙江大学学报（工学版）第 54 卷入PVA 纤维和钢纤维，搅拌至纤维完全分散. 将搅拌好的UHTCC 浆体分3次装入模具，每次加入均振动1 min. 在浇筑完成后用塑料膜封口，在室温中放置24 h 后拆模，置于标准养护室内养护28 d.在养护结束后，将试件上、下两端面打磨平整. 测量并记录每根试件的长度和重量，试件密度取平均值为1 793.8 kg/m 3. 另外，测量本试验材料56 d 龄期的立方体抗压强度，为50.22 MPa.1.2 试验装置本试验采用直径为80 mm 的Hopkinson 杆作为加载装置，试验装置如图1所示. 撞击杆为变截面短杆，以产生短历时的三角形波. 入射杆和试件表面均布置应变片. 入射杆在固定位置处布置1组2个应变片，用于记录入射杆波形信号. 试件上应变片的位置与撞击端的距离L 分别为150、225、300、375、450 mm. 试验采用冲击气压控制加载，选取0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 这4种冲击气压.2 试验结果2.1 加载波形一致性验证为了验证本试验装置加载波形的一致性，在相同冲击气压下，对比多次试验中入射杆上的入射波信号和反射波信号，如图2所示，图中， t 为时间，U 为电压. 图2列出在0.2 MPa 冲击气压下，7次波传播试验的入射波和反射波信号，每次试验均为初次冲击，图例中数字为试验编号. 由图2（a ）可以看出，7次试验的入射波波形起伏基本一致，致，可以认为本试验装置在子弹撞击入射杆时产生的入射波形一致性较高. 由图2（b ）可以看出，入射杆上的反射波波形基本一致，峰值略有差异，最大峰值差约为0.06 V ，占最大峰值的13%，反射波的一致性略差于入射波. 这与入射杆和试件接触面的微小差异有关，因为每次试验都须更换试件，试件表面的平整度、试件与入射杆的对中、试件与入射杆接触面真空脂的厚薄均会影响接触面的情况，从而导致入射杆上反射波峰值的差异. 反射波峰值差异扣除入射波峰值差异后余下部分才是入射杆和试件接触面情况引起的差异，因此，接触面引起的峰值差异约占最大峰值的6.5%，误差范围较小. 综上所述，本试验装置产生的加载波形一致性较好.2.2 UHTCC 中的实测波形图在0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 冲击气压下，实测的典型波形曲线如图3所示. 各组气压下的实测波形均为近似三角形，且试件上不同位置的波形均保持完整，维持三角波形状. 随着冲击气压的增表 1 UHTCC 材料配合比Tab.1 Mix proportions of UHTCC材料ρB /(kg·m −3）材料ρB /(kg·m −3）胶凝材料 1 265.0微型钢纤维78.0水448.0PVA 28.7砂370.3减水剂7.3纳米SiO 240.0−−图 1 UHTCC 应力波传播试验装置Fig.1 Experimental device of stress wave propagation in UHTCC图 2 入射杆实测波形对比Fig.2 Comparison of measured waveforms on incident bar第 5 期李庆华, 等：超高韧性水泥基复合材料的波传播试验研究[J]. 浙江大学学报：工学版,2020, 54(5): 851–857.8533 UHTCC中的应力波波速和峰值衰减3.1 试件上两点测波速第1种测波速的方法是在试件上取2点进行测量，为了简化表达，称之为两点法. 两点法测波速的表达式为式中：C为材料中的应力波波速，∆L为2个测量点之间的距离，∆t为2个测量点之间应力波传播用时.式（1）中∆t的取值对波速计算影响最大. 由于波峰相对于波的起始点更易精准判断，为了准确测量∆t，取波峰到达2个应变片的时间差作为∆t.波速较快，若测量点间距过近，则∆t过小，微小的测量误差就可能引起较大的波速测量误差，因此，在测量波速时尽量选取相距较远的2个应变片作为测量点，具体波速计算数据如表2所示.表中，I为冲击气压，C0为平均波速. 除了编号为表 2 两点法得到的波速计算表Tab.2 Wave velocity calculation table calculated by two point methodI/MPa∆L/mm∆t/μs C/(km·s−1)C0/(km·s−1)0.1830097.8 3.0673.0740.20300102.4 2.9300.2530093.0 3.2260.30300102.6 2.9243.0370.3030094.8 3.1650.30300102.4 2.9300.30300105.6 2.8410.3330090.2 3.3260.40300102.2 2.9353.0760.4030086.6 3.4640.40300104.4 2.8740.4030099.0 3.0300.4530096.4 3.1123.0620.5030097.2 3.0860.5022566.2 3.3990.50300105.2 2.8520.50300104.8 2.863图 3 不同冲击气压下的典型波形图Fig.3 Waveforms under different impact pressures854浙江大学学报（工学版）第 54 卷其他试件均采用1号和5号应变片作为测量点.按冲击气压分类，列出每一个档次的冲击气压下波速的平均值，可见波速随冲击气压的波动较小，考虑到试验中不可避免的测量误差，可以认为在本次试验中波速不变，平均波速为3.060 km/s.3.2 入射杆波形测波速由计算出的波速和测得的单个波的历时可以计算出加载应力波的波长约为480 mm ，试件直径为76 mm ，则试件直径与波长比值约为0.16，当试件直径远小于波长时，满足一维应力波假定[29].根据一维应力波理论可知，试验材料的波速还可以由入射杆上的应变信号计算. 应力波在不同波阻抗的介质中传播时，会在介质界面发生反射和透射. 反射波峰值可以由入射波峰值及2种介质的波阻抗表示：式中：σR 为反射波应力；σI 为入射波应力；A 1ρ1C 1为介质1的波阻抗，A 1、ρ1、C 1分别为入射杆横截面积、密度和波速；A 2ρ2C 2为介质2的波阻抗，A 2、ρ2、C 2分别为试件的横截面积、密度和波速.根据式（2）可以将C2表示为在本试验中，A 1、ρ1、C 1、 A 2、ρ2均为已知量；σR 、σI 是待测值，可以取入射杆上入射波和反射波的应力峰值.入射杆材料屈服强度高，在本试验气压下入射杆仍处于弹性状态，所以入射杆应力峰值等于相应的应变峰值乘以入射杆材料的弹性模量. 有则式中：εI 为入射波应变峰值，εR 为反射波应变峰值，E 1为入射杆弹性模量.由此，C 2可以由入射杆上的应变表示：试件中的波速可以通过在入射杆上黏贴一个应变片，取应变信号的最大值和最小值计算得出.入射杆应变片测得的典型波形如图4所示.击入射杆产生的入射波形，第2个波为入射波在入射杆与试件界面部分反射形成的拉伸波，第3个波为反射的拉伸波传播到入射杆靠近撞击杆的自由端时发生二次反射形成的压缩波. 在计算试件中波速时，只须取第1、2个波的峰值，保留正负号. 该方法通过测峰值得到波速，简称峰值法. 峰值法以一维应力波传播理论为基础，试验可行性高，只须在入射杆上布置一个应变片，排除了不同应变片间的测量差异. 经过实际验算，采用该方法计算得到的结果离散性较大，甚至有个别波形的拉伸波峰值绝对值大于压缩波峰值，从而计算出负波速，显然不合理，部分计算结果如表3所示. 表中，U I 为入射波峰电压，U R 为反射波峰电压，C 2为计算波速. 产生如此大误差的原因，可能是UHTCC 的波阻抗相较于入射杆材料的波阻抗较小，根据反射应力（式（2））可知，当介质2的波阻抗远小于介质1的波阻抗时，反射波的绝对值与入射波绝对值相近，差值相较于峰值比例较小，易受测量误差影响. 利用式（6）计算波速主要由实测的2个峰值之间的差值决定，因此在利用入射杆波形计算时会产生巨大误差.对比分析两点法和峰值法可以看出，两点法表 3 峰值法得到的波速计算结果Tab.3 Wave velocity calculation results obtained by peakvalue methodI /MPa U I /V U R /V C 2/（km·s −1）0.180.637 60−0.574 7 1.263 80.180.127 30−0.121 80.538 00.250.216 10−0.191 8 1.449 50.30 2.538 40−2.292 2 1.240 90.453.296 96−2.782 02.063 1图 4 入射杆上一点处的典型波形Fig.4 Typical waveform at a point on incident bar第 5 期李庆华, 等：超高韧性水泥基复合材料的波传播试验研究[J]. 浙江大学学报：工学版,2020, 54(5): 851–857.855测波速适用性更广，测得结果直接可靠；峰值法测波速试验方法简便，但仅限于被测材料波阻抗与入射杆材料波阻抗在相近量级的情况，适用范围较小.3.3 UHTCC中的应力波峰值衰减波形图显示，在0.3、0.4、0.5 MPa冲击气压下，各截面峰值随着波的传播呈现较明显的下降趋势，符合黏弹性材料的衰减特性. 在0.2 MPa下的多次试验显示，波峰呈现出上下波动，没有统一的衰减趋势，可能是由于0.2 MPa冲击气压下冲击强度弱，材料尚未进入黏弹性状态，衰减趋势不明显. 根据黏弹性材料的应力波峰值呈指数衰减[6]，对0.3、0.4、0.5 MPa冲击气压下的峰值进行指数拟合，各组气压下的衰减系数平均值呈现出较小的波动，0.3、0.4、0.5 MPa对应的平均衰减系数分别为2.93、2.74、2.66 m−1. 衰减系数取平均值，为2.777 m−1.4 UHTCC的朱-王-唐冲击本构参数朱-王-唐本构模型由1个弹簧（非线性）和2个Maxwell体（一个低频，一个高频）并联组成，如图5所示. 朱-王-唐本构方程如下：˙ε式中：σ为应力；ε为应变；为应变率；t为时间；等式右边前3项表征材料的非线性弹性响应，对应图5中的非线性弹簧，E0、α、β为材料的弹性参数；等式右边第1个积分项对应图5中的低频Maxwell体，用于描述低应变率下材料的黏弹性响应，E1、θ1为低频Maxwell体的弹性常数和松弛时间；等式右边第2个积分项对应高频M a x-well体，描述材料在高应变率下的黏弹性响应，E2、θ2为高频Maxwell体的相应参数.根据文献[9]对朱-王-唐本构的总结，α、β远小于E0，因此只有当ε > 0.01时，才须考虑非线性.在本试验中未出现大于0.01的应变，因此在应用朱-王-唐本构模型时可以不考虑非线性. 此外，在冲击荷载作用下，低频Maxwell体在加载结束前都不能恢复松弛，此时的低频Maxwell体将简化为一个线性弹簧，弹性常数为E1. 朱-王-唐冲击本构方程可以简写为式中：E a为2个弹簧的弹性常数之和，E a=E0+E1.结合应力波传播理论，将冲击荷载下的朱-王-唐本构代入波传播的控制方程组，求解这组偏微分控制方程组，可以得到特征波速：应力波峰值随传播距离呈指数衰减：式中：σ为一点的应力波峰值，σ*为初始应力，x为σ所在的点与初始应力点之间的距离，αa为衰减系数.通过求解可以得到衰减系数公式：由式（9）、（11），可以用C v、αa表示高频Max-well体的参数E2、θ2：将计算得到的C v、αa、ρ2代入式（12）、（13），得出UHTCC材料中E2、θ2关于E a的表达式：UHTCC的朱-王-唐冲击本构可以表示为式中：E a可以通过准静态试验测出. UHTCC的冲击朱-王-唐本构转化为只含准静态材料参数的方程. 通过波传播试验和准静态试验共同测定材料图 5 朱-王-唐本构物理模型856浙江大学学报（工学版）第 54 卷的物理意义，得到的本构方程能够真实反映材料的非线性和黏弹性特性.5 结　论（1）通过对比几次同等加载条件下入射杆上的入射波形和反射波形，验证本试验装置加载波形的一致性.（2）在波速测试方法中，两点测量法结果较为稳定准确，入射杆波形法只适用于试件波阻抗与入射杆波阻抗量级相似的情况.（3）UHTCC 中的应力波波速、峰值衰减系数随冲击气压均没有明显变化，平均波速为3.060 km/s ，平均峰值衰减系数为2.777 m −1.（4）按照朱-王-唐本构模型的定义可以将高频参数E 2、θ2用具有实际意义的材料参数表达.在通过波传播试验确定波速和衰减后，朱-王-唐冲击本构可以表示为只含单个准静态参数的方程.（5）接下来可以通过相应的准静态试验测出剩余的准静态参数，从而确定UHTCC 的朱-王-唐本构方程，并进一步通过试验检验朱-王-唐本构对UHTCC 的适用性.参考文献(References):王礼立. 应力波基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985.[1]王礼立, 胡时胜, 杨黎明, 等. 材料动力学[M]. 合肥: 中国科技大学出版社, 2017.[2]BACON C. An experimental method for considering dispersionand attenuation in a viscoelastic Hopkinson bar [J]. Experimental Mechanics , 1998, 38(4): 242–249.[3]SIVIOUR C R. A measurement of wave propagation in the splitHopkinson pressure bar [J]. Measurement Science and Technology , 2009, 20(6): 1–5.[4]JU Y, YANG Y M, MAO Y Z, et al. 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UHTCC控裂功能梯度复合梁的弯曲疲劳性能试验研究的开题报告一、研究背景随着航空航天工业的发展，新型的高性能复合材料被广泛应用于飞机、航天器等领域，复合材料结构的强度、刚度等性能已经得到了很大程度的提高。

然而，随着使用年限的增加，复合材料材料会受到各种不同的环境因素的影响，如热应力、湿度、冲击等，这些因素会导致复合材料结构失效或受到损伤。

因此，在实际使用中，复合材料结构的疲劳性能显得尤为重要。

针对目前存在的复合材料结构疲劳失效问题，许多学者和科研机构开展了相关的研究。

其中，UHTCC（Ultra-High Toughness Cementitious Composite，高韧性水泥基复合材料）材料因其高韧性、优异的抗裂性能、自修复性以及良好的化学稳定性而备受关注。

UHTCC材料由水泥、骨料、增强纤维及添加剂等组成，与传统的水泥基材料相比，其性能更具优势。

因此，将UHTCC材料应用于复合材料结构疲劳问题的解决，具有一定的潜力和优势。

二、研究目的本研究的主要目的是针对UHTCC控裂功能梯度复合梁的弯曲疲劳性能进行试验研究，并分析其疲劳失效机制和影响因素，为深入了解UHTCC材料在复合材料结构中的应用提供科学依据。

三、研究内容1. 根据研究目的设计试验方案，考虑不同载荷和频率下的疲劳试验条件，并制定相应的试验计划。

2. 制备具有UHTCC控裂功能梯度的复合梁试件，构建相应的试验平台，对其进行弯曲疲劳试验。

3. 在试验过程中监测试件的变形、裂纹扩展、破坏模式等参数，记录试验数据，并对试验结果进行分析和处理。

4. 利用计算机模拟方法，对试验结果进行验证，分析UHTCC控裂功能梯度复合梁的疲劳失效机制及影响因素。

四、研究意义1. 对UHTCC材料的性能和应用进行深入研究，拓宽了复合材料结构疲劳问题的解决思路和方法。

2. 提出了新型的控裂功能梯度复合梁的设计思路，为实际工程应用提供了新观点和思路。

3. 针对UHTCC控裂功能梯度复合梁的疲劳失效机制和影响因素进行探讨，对完善相关理论和优化实际应用具有一定的指导意义。

高性能水泥基复合材料的性能分析及应用研究概述本文阐述的超高韧性水泥基复合材料属于应变硬化材料，延性好，高损伤容限，在荷载作用下，承载力高于普通混凝土，多形成无害裂缝，可以广泛用于抗震要求严格的结裂缝控制严格、抗震耗能要求较高的结构或结构构件中，应用前景可观。

标签：UHTCC材料;材料性能分析;工程应用研究20世纪60年代以来，对于高性能水泥基复合材料的研究工作已经取得大量的成果。

随着理论实验研究和工程应用研究工作的深入展开，一系列高性能纤维增强水泥基复合材料相继成功研发。

2008年国内成功研制出当聚乙烯醇（PV A）纤维含量仅为2%时，拉伸应变稳定在0.03～0.05，裂缝宽度有效控制在100μm 以内，呈现多条细密裂缝开裂形态的超高韧性水泥基复合材料UHTCC[1]。

1 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。

UHTCC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。

UHTCC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UHTCC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。

UHTCC和混凝土的多轴压缩试验发现，与普通混凝土相比，UHTCC材料在侧向压力存在的情况下，强度和延性改善幅度更明显。

UHTCC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。

UHTCC梁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。