热力耦合作用下耐高温高延性水泥基复合材料的多尺度力学行为研究

Engineered cementitious composites (ECCs) are featured by high ductility and excellent impact resistance. Synthetic fibers in ECCs have poor stability at elevated temperatures, resulting in ECCs’ loss of high tensile ductility. As a result, ECC’s performance under thermo-mechanical loading is not satisfactory. . The research group has developed ECC using basalt fiber (BF). BF-ECC exhibits strain-hardening behavior and high ductility at room and elevated temperatures. The project will investigate the mechanical behavior of fiber, matrix and their interface in micro-, meso- and macro-scale under room and elevated temperatures. The interaction between BF and matrix will be experimentally investigated, and the mechanism of strain-hardening behavior of BF-ECCs under room and elevated temperatures will be explored. A multiscale numerical model for analyzing the tensile properties of BF-ECCs will be developed. Based on the multiscale model, the material design method will be developed, which will be used to guide the material design of BF-ECCs. The dynamic behavior of BF-ECCs will be investigated experimentally and numerically to study the performance of BF-ECCs under high temperature and impact load. . The mechanism of strain-hardening behavior of BF-ECC under room and elevated temperatures will be the breakthrough of the ECCs’ micromechanics. The multiscale numerical model will facilitate the material design and development of ECCs. The project will pave the way for improving the impact and blast resistance of critical civil infrastructure and buildings by using BF-ECCs.

高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）具有高韧性、抗冲击特性。然而，ECC中的合成纤维耐高温性能差，导致ECC高温延性失效，因此现有ECC难以满足高温-冲击极端荷载下的使用要求。. 研究组使用玄武岩纤维（BF）已初步研发出具有应变硬化特性的BF-ECC，其在常温和高温下都具有高延性。本项目将研究不同温度下纤维、基体以及纤维-基体界面的多尺度力学行为，分析玄武岩纤维与基体的相互作用，揭示BF-ECC常温和高温拉伸应变硬化机理。建立BF-ECC拉伸性能多尺度有限元模型和设计方法，优化BF-ECC的设计。开展BF-ECC常温和高温动态力学行为试验研究和数值模拟，揭示其耐高温抗冲击机理。. BF-ECC应变硬化机理是ECC断裂力学理论的创新和发展，拟开发的有限元模型将为ECC设计提供有效的技术手段。耐高温BF-ECC的研发及其动态力学行为研究将为其在防护结构和特种工程中的应用提供理论支持。

高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）具有高韧性、抗冲击特性。然而，ECC中的合成纤维耐高温性能差，导致ECC高温延性失效，因此现有ECC难以满足高温-冲击极端荷载下的使用要求。.本项目采用玄武岩纤维（BF）与耐高温胶凝材料制备了具有耐高温性能的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料，研究了常温和高温下BF-ECC纤维、基体以及纤维-基体界面的多尺度力学行为，分析了BF-ECC应变硬化机理，建立了BF-ECC优化设计方法，优化了BF-ECC的设计并开展了BF-ECC动态力学性能研究。研究结果表明：采用玄武岩纤维可制备集耐高温与高延性于一体的BF-ECC，其常温延性可达0.8%，结合lattice model建立的数值分析模型，开发了玄武岩短切纤维、钢纤维和玄武岩纤维网多尺度纤维增韧技术，研制出400℃高温作用下，抗压强度高达110 MPa，且延性保持在1.5%的BF-ECC。400 ℃条件时，多尺度纤维增韧的BF-ECC在直接拉伸动态抗冲击荷载作用下仍具有应变硬化特性，其延性随着温度升高而增大。.本项目耐高温BF-ECC的研发及其动态力学行为研究将为其在防护结构和特种工程中的应用提供理论支撑与材料支持。