CN101855185A - 用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料 - Google Patents

用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料 Download PDF

Info

Publication number
CN101855185A
CN101855185A CN200880115550A CN200880115550A CN101855185A CN 101855185 A CN101855185 A CN 101855185A CN 200880115550 A CN200880115550 A CN 200880115550A CN 200880115550 A CN200880115550 A CN 200880115550A CN 101855185 A CN101855185 A CN 101855185A
Authority
CN
China
Prior art keywords
strengthens
matrix composite
fiber according
brittle matrix
toughness fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN200880115550A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101855185B (zh
Inventor
维克托·C·李
杨恩华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Michigan
Original Assignee
University of Michigan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Michigan filed Critical University of Michigan
Publication of CN101855185A publication Critical patent/CN101855185A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101855185B publication Critical patent/CN101855185B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/04—Portland cements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/08—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding porous substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/20—Resistance against chemical, physical or biological attack
    • C04B2111/2038—Resistance against physical degradation
    • C04B2111/2046—Shock-absorbing materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/30—Adapting or protecting infrastructure or their operation in transportation, e.g. on roads, waterways or railways
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2904—Staple length fiber

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

一种极韧性的纤维增强脆性基体复合材料，其对于可能遭受动态和/或冲击负载的保护性结构极具价值。诸如房屋、建筑物和桥梁的基础设施可能经历由于飓风卷起物、炸弹以及其它发射物所造成的这种负载。与普通的混凝土和纤维增强混凝土相比，本发明的复合材料具有显著改善的拉伸应变能力以及应变硬化行为，甚至在遭受冲击负载时其拉伸应变能力比常规的混凝土和纤维增强混凝土高出几百倍。脆性基体可以是水硬水泥或无机聚合物。在本教导的一个示例性实施方案中，复合材料的制备方法是在工程水泥质复合材料新混合物中引入凝硬性掺合物、轻量填料和细骨料以形成所得混合物，然后将所得混合物置于模具中并固化该所得混合物。

Description

用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年9月11日提交的美国发明专利申请12/208,714和2007年9月13日提交的美国临时专利申请60/972,030的优先权，其公开内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本教导涉及纤维增强脆性基体复合材料，更具体涉及在拉伸下表现出应变硬化行为和即使在遭受冲击负载时也保持至少1％的拉伸韧性的纤维增强脆性基体复合材料。
背景技术及发明内容
本节声明仅提供涉及本公开内容并且可不构成现有技术的背景技术信息。
恐怖袭击和自然灾害突出要求在诸如炸弹爆炸和飞行物撞击等的极限负载下确保大型结构中的人员安全。虽然混凝土多年来用作卓越且成功的建筑材料，但是增强混凝土结构在极端动态载荷下可能是脆弱的。例如，1996年俄克拉荷马市爱法特穆阿联邦大楼的大部分垮塌说明增强混凝土结构在遭到炸弹爆炸时的脆弱性。
增强混凝土结构遭到爆炸/撞击时的许多灾难性的破坏与混凝土材料的拉伸脆性有关。虽然撞击/爆炸在结构的负载侧产生压缩应力波，但是其在碰撞到结构件的背侧上的自由边界之后反射成为拉伸应力波。此外，混凝土的拉伸强度通常远低于(约一个数量级)其压缩强度。因此，如Malvar和Ross所提出的那样，混凝土的拉伸特性一般决定了混凝土在撞击/爆炸下的破坏。混凝土的脆性破坏例如开裂、散裂和破裂经常在遭到爆炸/撞击的增强混凝土中观察到，并且会导致结构完整性的严重损坏。除此之外，从结构件的背侧射出的高速散裂碎片可能对结构件后方的人员造成严重伤害。
已经对增强混凝土结构件的冲击/爆炸响应以及增强混凝土结构件的抗冲击/爆炸负载的缓和设计进行了深入的研究。诸如加厚结构件的尺寸、增加钢筋用量、特殊的增强细节设计、安装额外的剪力墙等的当前实践将重点放在结构设计和细节设计和/或增加冗余度上以减小袭击后逐渐坍塌的可能性。一种解决部分上述挑战的替代解决方案是内在地赋予混凝土材料拉伸韧性。韧性混凝土对于抑制脆性破坏模式以及增强当前设计方法的效率和性能将是高度期待的。赋予混凝土韧性的最有效方式是利用纤维增强。
虽然通过纤维增强使得混凝土的破坏刚性显著改善，但是大多数的纤维增强混凝土仍旧表现出在拉伸负载下半脆性峰值后拉伸软化行为，其中负载随裂纹开口的增大而下降。因此，拉伸应变能力保持大约与普通混凝土一样低，即约0.01％。将纤维增强混凝土的这种半脆性行为转变为类似于韧性金属的韧性应变硬化行为已经取得了显著成效。在很多例子中，方法是尽可能地增加纤维的体积分数。当纤维含量超过特定值(通常根据纤维类型和界面性质为4～10％)时，常规纤维增强混凝土可能表现出中等应变硬化行为。例如，授予受让人Bouygues、Lafarge和Rhodia Chimie的法国专利WO 99/58468公开了一种在水泥基体中分散有机纤维的高性能混凝土，其中所述基体利用极硬的小直径填料进行高度压实以获得高强度。当加入体积分数为4％的聚乙烯醇纤维时，获得应变能力小于0.5％的中等应变硬化行为。
然而，高体积分数的纤维导致相当严重的加工问题。纤维分散体由于纤维的高表面积以及纤维之间的力学相互作用的存在所导致的高粘度而难以混合以及难以转运和放置。已经提出了多种加工技术以克服加工性问题。例如，Shah等人的美国专利5,891,374公开了利用挤出工艺生产具有拉伸下应变硬化行为的纤维增强的水泥质复合材料，其中使用体积分数大于4％的纤维。该挤出的复合材料的拉伸应变能力保持为低于1％。
本教导提供一种新型的应变硬化水泥质复合材料：工程水泥质复合材料的特征在于通常低于3体积％的低纤维含量和通常大于3％的高应变能力。这种工程水泥质复合材料的设计是基于对利用随机分布的短纤维增强的水泥质复合材料中应变硬化的微力学的理解。基于该微力学模型仔细选择和调节纤维、基体和界面，以确保该复合材料在遭受半静态负载时在低纤维含量下表现出拉伸应变硬化的行为。该混合物保持有利的加工性并且可以如普通混凝土那样进行转运和放置。
类似于混凝土和许多其它工程材料，工程水泥质复合材料具有表现出速率依赖性的力学特性。图1示出工程水泥质复合材料M45(在当前工程实践中最广泛研究的工程水泥质复合材料类型)经历不同的应变速率时的拉伸应力-应变曲线。应变速率范围为10-5～10-1s-1，对应于低速冲击的半静态负载。如图1b所示，对于M45发现拉伸韧性随应变速率增加而递降的趋势。在最高应变速率下，拉伸韧性从3.0％下降到0.5％。发现第一裂纹强度和断裂拉伸强度随应变速率增加而增加。
因此，本教导提供一种制造具有明显改善的拉伸应变能力的纤维增强脆性基体复合材料的方法，该复合材料即使在遭到冲击负载时也具有应变硬化行为。将用于该复合材料中的纤维调节为与砂浆基体一起加工以抑制有利于分布式微裂纹损伤的局部脆性破坏。该复合材料包含水硬水泥或无机聚合物粘合剂、水、减水剂和不连续短纤维，将上述成分混合以形成具有均匀分布的增强纤维并优选具有流动性的混合物。在一些配料设计中也使用包括细骨料、凝硬性掺合剂和轻量填料的任选成分。然后，将混合物浇注到具有期望造型的模具中并使其固化形成复合材料。
在一些实施方案中，本教导可以提供一种通过控制纤维、基体和界面之间的协同作用在纤维增强脆性复合材料遭受静态负载以至冲击负载时获得纤维增强脆性基体复合材料的高拉伸应变能力的方法。本教导的一个特征在于使用描述纤维、基体和界面性质的微力学参数以区分可接受的纤维水泥体系和不可接受的纤维水泥体系。
在一些实施方案中，本教导可以提供对用于在低纤维含量下拉伸应变硬化的纤维增强脆性基体复合材料生产的增强纤维、基体和界面的选择标准。
在一些实施方案中，本教导可以提供与其它纤维增强混凝土以及碳纤维、纤维素纤维或聚丙烯纤维增强的混凝土的相应性质相比，即使在遭受冲击负载时也具有应变硬化行为的具有明显改善的拉伸应变能力的纤维增强脆性基体复合材料产品。
在一些实施方案中，本教导可以提供一种用于建筑应用的保护性结构中的韧性材料。
在本教导的一些实施方案的实施中，粘合剂优选包括水硬性水泥，例如I型波特兰水泥。细骨料是尺寸分布至多为250μm的二氧化硅砂，凝硬性掺合剂为F型飞灰。水相对于粘合剂的重量比为0.2～0.6。不连续增强纤维为直径为30～60微米并且含量占复合材料体积约1.5％～3.0％的聚乙烯醇。
在一些实施方案中，本教导可以提供一种韧性的纤维增强脆性基体复合材料，其在遭受静态以至冲击负载时，在经历至少1％拉伸应变的拉伸应力的情况下表现出显著的多重裂纹。
根据本文的说明将会了解其它的实用性方面。应该理解的是，本说明书和具体实施例仅仅是出于说明性的目的，而并非意在限制本公开的范围。
附图说明
本文所示附图仅为说明性目的，而并非意在以任何方式限制本公开的范围。
图1示出工程水泥质复合材料M45的速率依赖性：(a)拉伸应力-应变曲线和(b)四种不同应变速率下的拉伸韧性。
图2示出拉伸应变硬化复合材料的典型σ(δ)曲线。阴影线区域表示余能J’b。灰色区域表示裂纹尖端韧度Jtip。
图3示出经历三种不同应变速率的混合物1的拉伸应力-应变曲线。
图4示出经历三种不同应变速率的混合物2的拉伸应力-应变曲线。
图5示出经历两种不同应变速率的混合物3的拉伸应力-应变曲线。
图6示出经历两种不同应变速率的混合物4的拉伸应力-应变曲线。
图7示出经历三种不同应变速率的混合物5的拉伸应力-应变曲线。
图8a示出在第二次冲击之后的砂浆板(裂纹化和碎裂)。
图8b示出在第10次冲击之后的混合物1的背侧(只有细裂纹)。
图9示出混凝土、混合物1、增强混凝土和R/混合物1梁的负载-变形曲线。
图10示出增强混凝土和R/混合物1在冲击测试之后的损坏情况。
图11总结性示出增强混凝土和R/混合物1梁在每次冲击中的负载能力。
详细说明
以下说明实质上只是示例性的，而并非意图限制本公开、本申请或其用途。应该理解的是，在所有附图中，对应的附图标记是指相同或对应的部件和特征。
本教导的实践包括提供一种水泥质混合物或无机聚合物混合物，其包含适合于制造韧性的纤维增强脆性基体复合材料的选定组分以改善结构的抗冲击性。所得的复合材料具有与常规混凝土相同的能够泵送、喷洒和浇注的良好和易性。还提供基于微力学考虑的指导用以选择适合的基体成分和不连续短纤维，其中选择标准由数个微力学特征来量化。当主要关注动态和/或冲击负载时，具有高的应变能力和能量吸收能力的材料适合用于民用和军用保护性结构或其它应用。
该混合物通常包含按比例配比的水硬水泥、水和不连续短纤维。在某些配料设计中也可使用其它的任选组分，例如细骨料、凝硬性掺合剂和轻量填料。经常需要减水剂和/或粘度改性剂来调节流变性以获得纤维的均匀分散。混合物组分的选择取决于特定应用所期望的力学性能以及所用材料的所需加工方法。
具有前述优点的复合材料设计是基于对纤维、基体以及界面相之间相互作用的理解，这可以通过微力学模型进行量化。基本要求是在拉伸下主要是稳态平面裂纹扩展，这要求裂纹尖端韧度Jtip小于根据架桥应力σ-裂纹宽度δ曲线计算的余能J’b，如式2所示。
J tip ≤ σ 0 δ 0 - ∫ 0 δ 0 σ ( δ ) dδ ≡ J b ′ - - - ( 1 )
J tip = K m 2 E m - - - ( 2 )
其中，σ0是对应于宽度δ0的最大架桥应力，Km是基体断裂韧度，Em是基体的杨氏模量。
应力-裂纹宽度的关系σ(δ)可被视为纤维桥接行为的本构定律，其通过利用断裂力学、微力学和概率论的分析工具得到。因此，σ(δ)曲线可表示为微力学参数的函数，微力学参数包括界面化学结合Gd、界面磨擦结合τ0和说明在纤维抽出时的滑移硬化行为的滑移硬化系数β。此外，引入强度降低因子f’和止动系数f来说明在以倾斜角度牵引纤维时纤维强度的降低以及在纤维和基体之间的相互作用。除了界面性质以外，σ(δ)曲线还受到基体模量Em、纤维含量Vf以及纤维的直径df、长度Lf、强度σf以及模量Ef的影响。
对于工程水泥质复合材料的应变硬化的另一条件是基体拉伸裂纹强度σcs必须不大于最大纤维架桥强度σ0。
σcs＜σ0
       (3)
其中，σcs由基体断裂韧度Km和已有的内部缺陷尺寸a0决定。虽然能量标准(式1)控制裂纹扩展模式，但是由式3所表示的基于强度的标准控制裂纹的初始化。有必要同时满足式1和式3以实现工程水泥质复合材料行为，否则，只能得到常规的拉伸软化的纤维增强混凝土行为。这些微力学分析的细节可参见已有的工作。
由于在工程水泥质复合材料中的已有的缺陷尺寸和纤维分布具有随机性，因此优选在J’b和Jtip之间的大容限(即大的J’b/Jtip比率)和在σ0和σcs之间的大容限(即大的σ0/σcs比率)。具有较大的J’b/Jtip和σ0/σcs的材料应该有更大的几率实现饱和多重裂纹化。当微裂纹大致均匀且紧密间隔(约1～2mm)并且在单轴拉伸样品的额外拉伸负载下不能减少时，就达到了多重裂纹化的饱和。
基于前述模型的参数研究产生了一组微力学性质指标值范围，其为实现应变硬化行为而选择混合物组分提供指导。优选以下的纤维、基体和界面性质的范围：纤维强度为至少800MPa；纤维直径为20～100μm，更优选30～60μm；纤维弹性模量为10～300GPa，更优选40～200GPa；纤维长度为4～40mm，这部分地受到加工限制条件的约束；基体韧度小于5J/m2，更优选小于2J/m2；界面化学结合小于2.0J/m2，更优选小于0.5J/m2；界面摩擦应力为0.5～3.0MPa，更优选0.8～2.0MPa；以及界面滑移硬化系数小于3.0，更优选小于1.5。
所有这些纤维和界面性质可以在形成复合材料之前确定。界面性质可以通过单根纤维抽出试验来表征，而纤维性质通常记载在纤维制造商的说明书中。
根据前述指导，多种可市购的不连续短纤维可用于本教导的实施。出于说明性而非限制性目的，增强纤维可选自芳族聚酰胺(即芳纶)纤维、高模量聚乙烯、聚乙烯醇和高韧度聚丙烯。不满足这些标准的其它纤维包括碳纤维、纤维素纤维、低密度聚乙烯纤维、某些聚丙烯纤维和钢纤维。
虽然实现纤维增强复合材料的应变硬化的常规方法是使用含量通常为4～20％的高含量纤维，但是本教导的特征在于通常为1～3％的极低体积分数。出于说明性的目的，在实施例中使用2％体积分数的纤维。纤维含量越低，包括但不限于浇注、挤出或喷洒的各种类型的加工就越可行。较低的纤维含量也增加了基础结构建筑应用的经济可行性。
复合材料的基体由包括水硬水泥的粘合剂构成。水硬水泥是指在水存在下固化并硬化的水泥，其包括但不限于波特兰水泥、混合波特兰水泥、膨胀水泥、快速固化硬化水泥、铝酸钙水泥、磷酸镁及其混合物。用于实施本教导的水泥的一个示例性类型是I型波特兰水泥。在该混合物中也可以包含凝硬性掺合剂例如飞灰和硅灰。
新鲜混合物中存在水，其与粘度控制剂和减水剂一起实现足够的流变性。优选的水与粘合剂的重量比为0.2～0.6。可使用粘度控制剂来防止分层并有助于更好的纤维分散。减水剂用于在确定复合材料中的水含量之后调节和易性，并且其所需量随水与水泥之比、轻量填料的类型和减水剂的类型而变。示例性的减水剂包括可从美国依利诺斯州W.R.Grace & Co.作为ADVA Cast 530得到的超塑化剂，并且在实施本教导中的典型用量为减水剂与水泥的重量比为约0.001～0.002。
本教导的混合制备可以根据常规纤维增强混凝土混合程序在任意类型的混凝土或砂浆混合器中实施。纤维可以在达到稠基体浆料时的末段加入或者可以与干粉预混合以形成预包装的砂浆。由于和易性和流变性可以在大范围内进行调节，因此新鲜的混合物可以根据建筑要求进行泵送、浇注或喷洒。
所得的复合材料具有显著改善的韧性，其中在遭受静态以至冲击负载的情况下，其应变硬化行为比常规的混凝土和纤维增强混凝土高出数百倍。所得的复合材料具有类似于常规混凝土的强度，因此适用于在经受动态和冲击负载时要求高能量吸收能力和大变形的保护性结构应用或其它应用。本发明的材料的高拉伸韧性将进一步抑制常见的混凝土碎裂并且为投射物负载下的房屋和建筑的居住者提供安全。
本教导的实施方案通过以下实施例进行说明，但是其绝非意图限制本发明。
用于制备韧性纤维增强脆性基体复合材料的以下示例性混合物包含水泥、细骨料、凝硬性掺合物、轻量填料、水、减水剂和不连续短纤维。混合比例示于表1中。所用的水泥是来自美国密歇根州Holcim Cement Co.的I型波特兰水泥。所用的减水剂是可从美国依利诺斯州W.R.Grace &Co.作为ADVA Cast 530得到的超塑化剂。以2％的体积分数使用两种不连续的聚合物纤维，分别是来自日本大阪的Kuraray Co.Ltd的K-II RECTM聚乙烯醇(PVA)纤维和来自美国Honeywell Inc.的Spectra 900高强度高模量聚乙烯(PE)纤维。该PVA和PE纤维的性质可参见表2。所用的凝硬性掺合剂是来自美国德克萨斯州Boral的低钙F级飞灰。使用两种类型的细骨料，即二氧化硅砂和回收的Corbitz砂。在一些混合物中使用可得自美国MV的US Silica Co.的尺寸分布为50～250μm的二氧化硅砂。Corbitz是化学结合的干砂消失模浇注技术的副产物并且经常含有大量的碳颗粒。所用的轻量填料是市购的来自美国明尼苏达州3M Co.的ScotchliteTM S60玻璃珠。
表1：实施例的混合比例(重量份)
  混合物编号   水泥   水   砂  Corbitz砂   飞灰   玻璃珠   SP   PE纤维(体积)   PVA纤维(体积)
  1   1   1   1.4   0   2.8   0   0.013   0   0.02
2 1 0.45 0 0 0 0.2 0.01 0 0.02
  3   1   0.56   0.8   0.05   1.2   0   0.01   0   0.02
  4   1   0.68   0   0   1.6   0   0.013   0.02   0
  5   1   0.75   0   0   0   0.5   0.013   0.02   0
表2：KII-REC PVA和Spectra 900PE纤维的性质
  纤维类型   名义强度(MPa)   直径(μm)   长度(mm)   弹性模量(GPa)
  PVA   1620   39   12   42.8
  PE   2400   38   38.1   66
在具有行星转刀的Hobart混合器中制备混合物。将除纤维之外的固体成分干混合约1～2分钟。然后加入水和超塑化剂，再混合2分钟。接着，缓慢添加纤维，直至所有的纤维分散进入水泥质基体中。将新鲜混合物浇注到有机玻璃模具中。24小时后将样品脱模，然后在室温下于密封袋中固化7天。然后，将样品在空气中固化直至预定的28天的测试老化期。
进行单轴拉伸测试以表征复合材料的拉伸行为。由于某些半脆性纤维增强混凝土在挠曲负载下表现出表观应变硬化行为，因此直接单轴拉伸测试被认为是确认复合材料的应变硬化行为的最令人信服的方式。此处所用试样的尺寸为304.8mm×76.2mm×12.7mm。将铝板胶合至试样端部以利于夹持。利用具有25kN能力的MTS机在位移控制下进行测试。测试应变速率范围为10-5～10-1s-1，对应于半静态负载至低速冲击。将测量长度为100mm的两个外部LVDT(线性可变位移传感器)附着于试样表面以测量位移。
测试结果总结于表3中，包括每个实施例混合物的最高测试速率下的拉伸应变能力和强度以及半静态负载下的压缩强度。这些复合材料的完整的拉伸应力-应变曲线示于图3～7中，并且所有这些均在经历10-5～10-1s-1范围的应变速率时表现出明显的应变硬化行为。
表3：实施例的性质
  混合物编号  拉伸强度(MPa)   拉伸应变量(％)  压缩强度(MPa)
  1   5.94   3.84   39.6
  2   5.65   3.35   41.7
  3   5.98   4.31   45.2
  4   4.19   3.21   48.4
  5   3.31   6.24   21.8
为了证明抗冲击性，使用混合物1建造简单结构件。然后进行落锤冲击试验以评估圆板、梁和钢筋增强梁形式的简单结构件的抗冲击性。在所有试验中，使用混凝土或砂浆试样作为对照。
在落锤冲击下测试圆板试样以评估其抗冲击性。使用混合物1和砂浆(fcube＝35MPa)作为制备圆板的材料。沿圆板的周长以330mm的跨度支撑该圆板(直径＝350mm，厚度＝13mm)。撞击物是35mm、977克的钢圆柱体。在每次测试时，撞击物从至多1.4米的不同高度下落。下落高度为50、75、100、125和140cm，对应的应变速率为0.23、1.11、2.05、3.53和4.28s-1(撞击速率为1.2～5米/秒)。每次下落后，对圆板进行目视检查以确定下次下落的可行性。
对照的砂浆板承受住第一次的50cm下落，但是在第二次的75cm下落(第二次冲击)下失效，产生严重的裂纹和碎裂(图8a)，而对混合物1的板进行的测试则在一系列下落(两次下落系列50、75、100、125和140，共10次冲击)后以仅造成轻微损伤而中止。而且，混合物1的板与砂浆板相比表现出优异的抗冲击性。对照的砂浆板仅能承受单次冲击，而混合物1的板承受所有冲击而且在第一次测试系列(5次冲击)后没有明显的损伤。混合物1的试样保持完好而没有大的损伤并且在第二次下落系列中表现出显著的承重能力，如表3所示。在板的背侧仅发现了微细的多重裂纹，如图8b所示。
表3：混合物1板的测力传感器峰值冲击力
在三点弯曲落锤冲击下测试尺寸为305mm×76mm×51mm(长×高×深)的梁和钢筋增强梁以评估其抗冲击性。使用混合物1和混凝土(f’c＝40MPa)作为制备梁和钢筋增强梁的材料。在钢筋增强梁的情况下，使用单根5mm直径的无罗纹钢筋作为增强体。钢筋放置在接近于具有18mm保护层的底侧处。钢筋增强混合物1(R/混合物1)梁和钢筋增强混凝土梁二者的增强率为0.5％。
将具有平坦冲击表面的50kg冲击落锤升至50cm的高度并且使其在其自由重力下自由下落至试样中心上。质量和高度选择为使得试样在单次冲击下失效。试样的支撑跨度为254mm。在试样的跨度中间和上表面上胶合钢辊，以使得在落锤接触该辊时对试样施加均匀的线负载。在试样、辊和落锤之间放置1mm厚的硬橡胶垫。橡胶垫用于在冲击时消除势能惯性作用。图9示出混凝土、混合物1、增强混凝土和R/混合物1梁的负载-变形曲线，表4总结了其负载承受能力和能量吸收能力。非增强梁的能量吸收是在直至负载为零的全负载-变形曲线下方的面积。在增强梁的情况下，失效状态定义为裂纹穿透试样的深度，其特征是由于钢筋的抽出(即图9b中的圆点)所导致的恒定负载能力(～5kN)。因此，增强混凝土和R/混合物1梁的能量吸收能力为直至圆点的负载-变形曲线下方的面积。如图可见，混合物1和R/混合物1梁分别表现出优于混凝土和增强混凝土梁的改善的负载能力和能量吸收能力。感兴趣的是，在混合物1试样中由于增强体所致的负载能力和容许能量的改善远大于混凝土试样的这种改善。这可以归因于混合物1材料的超高拉伸韧性，因而在R/混合物1梁中可以获得钢增强体和混合物1之间的相容变形，因此获得更长的钢屈服段。钢增强体和超韧混合物1材料之间的协同相互作用导致R/混合物1梁的负载能力和容许能量产生显著提高。
表4：混凝土、增强混凝土、混合物1和R/混合物1梁经历落锤冲击时的负载能力和能量吸收能力
  混凝土   增强混凝土   增强体所致的改进  混合物1  R/混合物1   增强体所致的改进
  负载能力(kN)   13   22   9   18   29   11
  容许能量(N·m)   4   17   13   69   102   33
为了评估增强混凝土和R/混合物1梁的抗多次冲击性，采取同样的试验安排，只是选择12kg的冲击落锤并且下落高度为20cm。同样地，R/混合物1梁表现出优于增强混凝土梁的大幅改善的抗冲击性。图10示出增强混凝土和R/混合物1在冲击试验后的损坏情况。如图可见，在第一次冲击后，在增强混凝土梁中出现具有大裂纹宽度的一条单裂纹。该裂纹穿透梁，导致结构整体性和负载承受能力严重受损。与之不同的是，甚至在10次冲击后，R/混合物1试样中也仅出现极细的微裂纹。图11总结了增强混凝土和R/混合物1梁在每次冲击中的负载能力。可见，增强混凝土在约9kN的第一次冲击之后失效(在第二次冲击时显示负载能力为～5kN的数据点是由于钢筋抽出所致)。但是，R/混合物1的负载能力在十次冲击期间大致保持恒定在约20kN。

Claims (22)

1.一种用于改善结构抗冲击性的韧性纤维增强脆性基体复合材料，所述复合材料包含以下组分的混合物：
体积分数为1％～4％的均匀分布的不连续短纤维、
包括水硬水泥的作为水泥质基体的粘合剂、和
水；
所述混合物在经历静态负载以至冲击负载时，在拉伸下表现出至少1％的应变能力的应变硬化行为。
2.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述均匀分布的不连续短纤维选自芳族聚酰胺、聚乙烯醇、高模量聚乙烯和高韧度聚丙烯。
3.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述均匀分布的不连续短纤维具有10～100微米的平均直径和4～40mm的平均长度。
4.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述粘合剂是波特兰水泥。
5.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述水与所述粘合剂的重量比为0.2～0.6。
6.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的减水剂，所述减水剂与所述粘合剂的重量比至多为0.05。
7.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的细骨料，所述细骨料与所述粘合剂的重量比至多为2.0。
8.根据权利要求7所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述细骨料包括砂。
9.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的轻量填料，其具有10～1000微米的受控尺寸分布。
10.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的轻量填料，其具有10～200微米的受控尺寸分布。
11.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的凝硬性掺合剂。
12.根据权利要求11所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述凝硬性掺合剂包括飞灰和硅灰中的至少其一。
13.根据权利要求1所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的粘度改性剂。
14.一种用于改善结构抗冲击性的韧性纤维增强脆性基体复合材料，所述复合材料包含以下组分的混合物：
体积分数为1％～4％的均匀分布的不连续短纤维、
包括无机聚合物的作为水泥质基体的粘合剂、和
水；
所述混合物在经历静态负载以至冲击负载时，在拉伸下表现出至少1％的应变能力的应变硬化行为。
15.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述均匀分布的不连续短纤维选自芳族聚酰胺、聚乙烯醇、高模量聚乙烯和高韧度聚丙烯。
16.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述均匀分布的不连续短纤维具有10～100微米的平均直径和4～40mm的平均长度。
17.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，其中所述水与所述粘合剂的重量比为0.2～0.6。
18.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的减水剂，所述减水剂与所述粘合剂的重量比至多为0.05。
19.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的细骨料，所述细骨料与所述粘合剂的重量比至多为2.0。
20.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的轻量填料，其具有10～1000微米的受控尺寸分布。
21.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的凝硬性掺合剂。
22.根据权利要求14所述的韧性纤维增强脆性基体复合材料，还包含：
置于所述混合物中的粘度改性剂。
CN2008801155500A 2007-09-13 2008-09-12 用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料 Expired - Fee Related CN101855185B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US97203007P 2007-09-13 2007-09-13
US60/972,030 2007-09-13
US12/208,714 US20090075076A1 (en) 2007-09-13 2008-09-11 Impact resistant strain hardening brittle matrix composite for protective structures
US12/208,714 2008-09-11
PCT/US2008/010646 WO2009035654A2 (en) 2007-09-13 2008-09-12 Impact resistant strain hardening brittle matrix composite for protective structures

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101855185A true CN101855185A (zh) 2010-10-06
CN101855185B CN101855185B (zh) 2013-08-21

Family

ID=40452756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008801155500A Expired - Fee Related CN101855185B (zh) 2007-09-13 2008-09-12 用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20090075076A1 (zh)
EP (1) EP2205536A4 (zh)
JP (1) JP2010538958A (zh)
CN (1) CN101855185B (zh)
MX (1) MX2010002873A (zh)
WO (1) WO2009035654A2 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108609954A (zh) * 2018-05-21 2018-10-02 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 一种低粘抗裂高强湿喷混凝土及其制备方法
CN109427259A (zh) * 2017-09-04 2019-03-05 肖特股份有限公司 可弯曲和/或可折叠制品以及提供所述制品的方法
CN109952194A (zh) * 2016-09-15 2019-06-28 瑞恩4赛德私人有限公司 混杂复合材料
CN113272504A (zh) * 2018-11-08 2021-08-17 密歇根大学董事会 由可重复使用的承载元件构成的承载结构的模块化建造物

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7744690B2 (en) * 2006-03-28 2010-06-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Blast-resistant concrete also suitable for limiting penetration of ballistic fragments
PL2100694T3 (pl) * 2008-03-12 2013-02-28 Buetfering Schleiftechnik Gmbh Sposób wytwarzania obrabiarki z częścią betonową
US20100012742A1 (en) * 2008-07-15 2010-01-21 Li Victor C Railway tie using strain-hardening brittle matrix composites
DE102009054563A1 (de) 2009-12-11 2011-06-16 Wacker Chemie Ag Herstellung von mineralisch gebundenen Beschichtungen mit duktilen Eigenschaften
US20130012625A1 (en) * 2011-07-05 2013-01-10 Li Victor C Strain hardening brittle matrix composites with high strength and high tensile ductility
JP6098862B2 (ja) * 2012-06-13 2017-03-22 清水建設株式会社 耐衝撃構造の材料設計方法及び耐衝撃構造
EP2935718A4 (en) * 2012-12-18 2016-12-07 Luke Pinkerton MICRO-REINFORCEMENT SYSTEM OF CONCRETE USING A REINFORCEMENT BAR
US8893872B2 (en) 2012-12-19 2014-11-25 Bastian Solutions, Llc Concrete roller
MX2016011735A (es) * 2014-03-09 2017-10-11 Sebastos Tech Inc Hormigón de baja densidad y alta resistencia y metodos relacionados.
US10781557B2 (en) * 2015-02-11 2020-09-22 The Regents Of The University Of Michigan Durable railway tie
CN105130337A (zh) * 2015-08-26 2015-12-09 西南交通大学 一种水泥基工程复合材料铁路人行道盖板制备工艺及产品
CN106396548A (zh) * 2016-08-31 2017-02-15 武汉理工大学 一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法
US11845693B2 (en) 2018-05-18 2023-12-19 Pensmore Reinforcement Technologies, Llc Twisted reinforcement fibers and method of making
CN111487142B (zh) * 2019-01-29 2023-05-23 吉林建筑大学 一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统
CN111039615B (zh) * 2019-12-05 2022-02-15 济南大学 一种高韧性水泥基复合材料的试验方法
AU2020430725B2 (en) * 2020-02-18 2023-08-03 Chung Wai SO Sprayable cementitious composition

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1031217A (zh) * 1988-09-12 1989-02-22 四川省建筑材料工业科学研究所 隔热防火复合材料及其用途
FR2708263B1 (fr) * 1993-07-01 1995-10-20 Bouygues Sa Composition de béton de fibres métalliques pour mouler un élément en béton, éléments obtenus et procédé de cure thermique.
WO1995021050A1 (en) * 1994-02-01 1995-08-10 Northwestern University Extruded fiber-reinforced cement matrix composites
US5788760A (en) * 1996-03-04 1998-08-04 The Regents Of The University Of Control of interface properties between fiber/cementitious material using plasma treatment
FR2778654B1 (fr) * 1998-05-14 2000-11-17 Bouygues Sa Beton comportant des fibres organiques dispersees dans une matrice cimentaire, matrice cimentaire du beton et premelanges
JP2000007395A (ja) * 1998-06-19 2000-01-11 Kajima Corp 高靭性ｆｒｃ材料およびその調合法
KR100267735B1 (ko) * 1998-07-09 2000-12-01 박승범 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 이용한 경량 고강도 이중바닥용 상판의 제조방법
JP2005001965A (ja) * 2003-06-13 2005-01-06 Kajima Corp 自己充填性を有する低収縮性のひずみ硬化型セメント系複合材料
US6969423B2 (en) * 2003-09-30 2005-11-29 The Regents Of The University Of Michigan Lightweight strain hardening brittle matrix composites
US7241338B2 (en) * 2003-09-30 2007-07-10 The Regents Of The University Of Michigan Sprayable, strain-hardening cementitious compositions
KR100620866B1 (ko) * 2004-02-16 2006-09-13 한국건설기술연구원 강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조 방법
CN100406403C (zh) * 2004-04-30 2008-07-30 宁波荣山新型材料有限公司 建筑外墙保温砂浆
US20060201393A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-14 Pkl Corporation Shrinkage compensating concrete
US7799127B2 (en) * 2006-02-09 2010-09-21 The Regents Of The University Of Michigan High early strength engineered cementitious composites
US8118925B2 (en) * 2006-02-15 2012-02-21 Rodriguez Alonso P Refractory material with stainless steel and organic fibers
US7572501B2 (en) * 2007-04-17 2009-08-11 The Regents Of The University Of Michigan Engineered self healing cementitious composites

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109952194A (zh) * 2016-09-15 2019-06-28 瑞恩4赛德私人有限公司 混杂复合材料
CN109952194B (zh) * 2016-09-15 2021-11-02 瑞恩4赛德私人有限公司 混杂复合材料
US11326029B2 (en) 2016-09-15 2022-05-10 Rein4Ced Nv Hybrid composite
CN109427259A (zh) * 2017-09-04 2019-03-05 肖特股份有限公司 可弯曲和/或可折叠制品以及提供所述制品的方法
CN109427259B (zh) * 2017-09-04 2021-02-09 肖特股份有限公司 一种半透明脆性材料的制品、提供所述制品的方法以及一种复合材料
CN108609954A (zh) * 2018-05-21 2018-10-02 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 一种低粘抗裂高强湿喷混凝土及其制备方法
CN108609954B (zh) * 2018-05-21 2020-07-31 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 一种低粘抗裂高强湿喷混凝土及其制备方法
CN113272504A (zh) * 2018-11-08 2021-08-17 密歇根大学董事会 由可重复使用的承载元件构成的承载结构的模块化建造物

Also Published As

Publication number Publication date
EP2205536A4 (en) 2013-03-20
JP2010538958A (ja) 2010-12-16
WO2009035654A3 (en) 2009-05-22
US20090075076A1 (en) 2009-03-19
EP2205536A2 (en) 2010-07-14
CN101855185B (zh) 2013-08-21
MX2010002873A (es) 2010-09-07
WO2009035654A2 (en) 2009-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101855185B (zh) 用于保护性结构的抗冲击应变硬化脆性基体复合材料
US20130012625A1 (en) Strain hardening brittle matrix composites with high strength and high tensile ductility
AU2016102403A4 (en) Geopolymer composite and geopolymer matrix composition
Ismail et al. Effect of Fiber Type on Impact and Abrasion Resistance of Engineered Cementitious Composite.
CN106396548A (zh) 一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法
Chasioti et al. Shear behavior and crack control characteristics of hybrid steel fiber-reinforced concrete panels
Vadivel et al. Experimental behaviour of waste tyre rubber aggregate concrete under impact loading
Myers et al. Impact Resistance of Blast Mitigation Material Using Modified ACI Drop-Weight Impact Test.
Parung et al. Crack Pattern of Lightweight Concrete under Compression and Tensile Test.
Wu et al. Flexural behavior and size effect of full scale reinforced lightweight concrete beam
He et al. Combined impacts of polypropylene fibres on workability, strength and permeability of SCC
Prithiviraj et al. Flexural performance of alccofine-based self-compacting concrete reinforced with steel and GFRP bars
Khan et al. Flexural Performance of Composite RC Beams Having an ECC Layer at the Tension Face
JP6214393B2 (ja) 複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料
Koura et al. Influence of macro-synthetic fibers on the flexural behavior of high strength concrete beams reinforced with GFRP bars
Vikram et al. Engineering properties on the sugar cane bagasse with sisal fibre reinforced concrete
El Zareef et al. Bond behaviour between GFR bars and infra-lightweight concrete
Hassan et al. Fiber reinforced concrete: a state of the art
Hernandez et al. Rubberised concrete: material characterisation and mechanical behaviour
Muthupriya et al. Experimental investigation on high performance reinforced concrete column with silica fume and fly ash as admixtures
Zulkarnain et al. Effect of adding steel fiber and viscocrete 8670-Mn tensile on the strength test of concrete
CN115450212B (zh) 一种基于混凝土护壁的高陡坡桩基施工方法
Çetin Mechanical behavior of hybrid fiber reinforces concrete under direct tension
Al-Tayeb Effect of Olive Biomass Ash (OBA) as Cement Replacement in Performance of Polyvinyl Alcohol Engineered Cementitious Composite (ECC-PVA)
Barkale et al. Effect of Potable, Acidic and Alkaline Water Curing on Flexure Strength of Strengthened and Unstrengthen Reinforced Concrete Beams

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130821

Termination date: 20140912

EXPY Termination of patent right or utility model