pva纤维增强水泥基复合材料强韧化及动力学特性研究

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1、国内图书分类号：TU528.58学校代码：10213国际图书分类号：691密级：公开工学博士学位论文PVA纤维增强水泥基复合材料强韧化及动力学特性研究博士研究生：陈智韬导师：姚燕教授副导师：杨英姿教授申请学位：工学博士学科：结构工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2013年4月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU528.58U.D.C:691DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONSTRENGTHENING-TO

2、UGHENINGANDDYNAMICPROPERTIESOFPVAFIBERREINFORCEDENGINEEREDCEMENTITIOUSCOMPOSITECandidate：ChenZhitaoSupervisor：Prof.YaoYanAssociateSupervisor:Prof.YangYingziAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：StructuralEngineeringAffiliation：SchoolofCivil

3、EngineeringDateofDefence：April,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要水泥基材料广泛应用于水利、土木、军事防护等诸多领域，随着现代建筑结构向大跨、高层、复杂服役环境等方向发展，水泥基材料脆性大、抗拉强度低等缺点限制了其在抗冲击、抗爆、抗震等方面的应用，改善水泥基材料的韧性，提高其抗冲击性能具有非常重要的意义。PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)是一类具有超高韧性的纤维增强水泥基复

4、合材料，具有优异的变形及能量吸收能力。目前，对PVA-ECC准静态力学性能以及耐久性能方面的研究较多，而对于其在高速动载作用下的性能研究比较缺乏。因此，本文以提高PVA-ECC抗冲击性能为宗旨，对PVA-ECC强韧化改性及其动力学特性进行了试验研究和分析。本文的一个研究重点是PVA-ECC强韧化改性及其准静态力学性能研究。通过引入聚合物、橡胶粉和纳米材料对粉煤灰和矿渣两个体系PVA-ECC进行强韧化改性，通过四点弯曲、直接拉伸和抗压抗折强度试验对25个配合比PVA-ECC弯曲性能、拉伸性能以及抗压抗折强度进行

5、研究。结果表明掺入聚合物可以显著提高PVA-ECC的弯曲韧性和拉伸应变能力，且对粉煤灰PVA-ECC的改善效果优于矿渣PVA-ECC。适量掺入聚合物可以提高PVA-ECC抗折强度且对抗压强度影响较小。掺入橡胶粉使PVA-ECC抗压抗折强度、弯曲承载力和抗拉强度降低，可以改善PVA-ECC拉伸应变能力，但改善效果不如聚合物。进行纳米材料改性可以改善PVA-ECC拉伸变形能力，提高PVA-ECC抗压抗折强度，但对ECC弯曲承载力和抗拉强度影响不显著。本文的另一个研究重点是改性PVA-ECC高速冲击力学行为研究。采

6、用分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置对PVA-ECC进行高速冲击压缩试验，研究其在高速动载作用下的力学响应，建立动态率型本构关系模型，为其在冲击振动领域的应用提供试验依据和理论指导。试验结果表明，随着矿物掺合料掺量的增加，PVA-ECC冲击压缩强度逐渐降低，峰值应变逐渐增加。随着聚合物和橡胶粉掺量的增加，PVA-ECC冲击压缩强度逐渐降低，纳米材料掺量的改变对PVA-ECC冲击压缩强度影响不显著。掺入聚合物可以显著提高PVA-ECC能量吸收能力，其能量吸收率可达50%以上，橡胶粉掺量的增加会削弱PV

7、A-ECC-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文能量吸收能力，纳米材料掺量及种类的变化对PVA-ECC能量吸收能力影响不显著，其能量吸收率都保持在40%左右。PVA-ECC的冲击韧性指数介于0.6~0.8，掺入聚合物和橡胶粉可以提高PVA-ECC冲击韧性指数，且对粉煤灰PVA-ECC的影响更加显著。根据冲击压缩试验结果，针对典型配合比PVA-ECC进行不同应变率范围内冲击压缩试验。结果表明，随着应变率的增加，PVA-ECC冲击压缩强度和吸收能量逐渐增加，表现出明显的应变率效应，且矿渣PVA-ECC的应变率效应比

8、粉煤灰PVA-ECC更显著。冲击峰值应变和冲击韧性指数随着应变率增加变化不显著，冲击峰值应变介于0.8%~1.1%之间，冲击韧性指数介于0.65~0.8之间。根据试验结果进行拟合获得含损伤ZWT粘弹性本构关系模型参数，模型预测结果与试验结果吻合度较高，说明ZWT粘弹性本构关系模型适用于描述PVA-ECC高应变率下的本构关系。关键词：PVA-ECC；强韧改性；分离式Hopkinson压杆；动态力学行为