ECC材料力学性能与本构关系研究进展

江世永^1,2，龚宏伟¹，姚未来¹，陶帅³，蔡涛¹

1. 陆军勤务学院军事设施系2. 重庆交通大学土木工程学院3. 中国人民解放军72695部队

摘 要：混凝土在国内外应用广泛,但普通混凝土材料存在抗拉强度低、韧性差和脆性特征明显等缺点。自20世纪90年代采用性能驱动设计方法(PDDA)成功配制工程水泥基复合材料(ECC)后,仅在几年时间里,ECC材料受到了研究者的广泛关注。相比普通混凝土,采用PDDA得到的ECC的外掺纤维与基体界面有良好的粘结作用,这使得ECC材料具有应变硬化和多缝开展等重要特征。由于ECC优异的力学性能,使用其替代混凝土便成为解决混凝土脆性、裂缝开展等相关问题的一种有效的新途径。然而,ECC的制备极不容易,由于基体胶凝材料产地不同或者纤维种类不同,某一地区配制成功的配合比大多无法适用于其他地区。因此,根据当地情况进行ECC材料的配合比设计仍然是各国学者青睐的课题。一方面,欲使用ECC代替混凝土用于建筑结构等,就必定要深入研究ECC材料层面的基本力学性能。建立ECC的本构模型对ECC构件甚至结构层面的研究都十分重要,但相关研究较少。另一方面,由于ECC材料良好的裂缝控制能力,国内外学者也致力于使用ECC材料进行结构加固修复的研究。各国学者先后成功配制极限拉应变大于3%的ECC,这为进一步广泛开展ECC的研究和应用创造了很好的条件,用于配制ECC的纤维种类也更加丰富。在ECC拉伸、压缩、弯曲和剪切等大量的材料试验研究基础上,近几年,一些科研团队开始尝试用ECC部分甚至完全代替混凝土来浇筑梁、柱等构件,然后进行ECC构件层次的力学性能和耐久性等研究;另有部分研究人员也致力于建立ECC的本构模型,开展数值模拟分析。此外,由于ECC优异的力学性能,也有学者提出可以采用3D打印技术来建造无筋ECC建筑。本文从ECC材料层面的单轴单调拉压力学性能、单轴循环拉压滞回性能、多轴力学性能及破坏准则、ECC与普通钢筋和纤维增强塑料(FRP)筋两种筋材的粘结性能方面进行综述,相应介绍了几种本构模型并简要对其进行评价,以期为用ECC代替混凝土进行建筑结构设计、选取本构模型进行数值模拟分析、编制规范和技术规程等提供参考。最后,对今后进一步开展ECC力学性能研究、建立本构模型提出展望。

关键词：工程水泥基复合材料(ECC);拉伸压缩;粘结滑移;力学性能;本构模型;