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摘 要

高延性水泥基复合材料(ECC)具有应变能力强，裂缝宽度可以控制的特点。用湿法粘结技术将性能优异的高延性水泥基材料采用于钢桥面铺装，能够显著地提高铺装结构抗开裂、抗疲劳能力，延长使用寿命。然而，铺装结构在服役过程中，破坏往往发生在界面上，这主要是由于在加工及施工等过程中结构粘结面不可避免的存在气泡、微孔洞、水分残留，这些都会使构件在低于理论承载力时发生失效，此时的界面问题属于断裂力学研究范畴。本课题采用室内试验和有限元模拟等方法，研究以下内容: 首先制备ECC材料并对其进行力学性能试验，探究不同配合比设计如不同粉煤灰掺量对其力学性能的影响，之后与普通的水泥砂浆材料进行对比探究PVA-ECC材料的优势。接着本文对高延性水泥基材料与正交异性钢桥面板之间的界面断裂性能进行研究，用双悬臂梁试件进行I型断裂韧性测试，用端部切口四点受弯试件进行II型断裂韧性测试，探究能量释放率在裂纹前缘的变化规律。最后给出计算鼓泡试验临界能量释放率的理论公式，得出临界能量释放率与最大外荷载的平方成正比的结论。

关键词：高延性水泥基材料，断裂力学，有限元模拟，I型断裂，II型断裂

ABSTRACT

Engineered Cementitious Composite (ECC) has the characteristics of strong strain ability and controllable crack width. The application of Engineered Cementitious Composite with excellent properties in steel deck pavement by wet bonding technology can significantly improve the cracking resistance and fatigue resistance of pavement structure and prolong its service life. However, during the service of pavement structure，the failure often occurs on the interface. This is mainly due to the unavoidable existence of bubbles, micro-holes and water residues in the bonding surface of pavement structure during the process of processing and construction, which will make the components fail when the theoretical bearing capacity is lower. At this time, the interface problem belongs to fracture mechanics research. In this paper, the following contents are studied by means of laboratory test and finite element simulation: firstly ECC material is prepared and its mechanical properties are tested, and the effects of different mix design, such as different fly ash content, on its mechanical properties are explored. In addition, the advantages of PVA-ECC material are compared with ordinary cement mortar material. Then the interfacial fracture properties between Engineered Cementitious Composite and orthotropic steel deck are studied. The fracture toughness of type I is tested with double cantilever beam specimens and type II fracture toughness is tested with 4-Point End Notched Flexure. The variation of energy release rate is exploring at the crack front. Finally, the theoretical formula for calculating the energy release rate of bubbling test is given, and it is concluded that the critical energy release rate is proportional to the square of the maximum external load.

KEY WORDS: Engineered Cementitious Composite, fracture mechanics, finite element simulation, type I fracture, type II fracture

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2桥面铺装的病害原因分析 1

1.3 高性能水泥基复合材料的研究现状 3

1.4 界面断裂特性的研究现状 3

1.5 主要研究内容及技术路线 4

第二章 ECC的制备及性能研究 6

2.1 概述 6

2.2 试验原材料 6

2.3 试件制作成型设备 8

2.4 配合比设计 9

2.5 试件成型方式 11

2.6 力学性能试验 13

2.6.1 单轴拉伸试验 13

2.6.2 四点弯曲试验 13

2.6.3 立方体抗压强度试验 14

2.7国产PVA-ECC单轴拉伸试验 14

2.7.1概述 14

2.7.2 加载过程 14

2.7.3 试验结果 16

2.8国产PVA-ECC四点弯曲试验 18

2.8.1概述 18

2.8.2加载过程 19

2.8.3试验结果 20

2.8.4 试验结论 22

2.9 国产PVA-ECC立方体抗压试验 23

2.9.1概述 23

2.9.2加载过程 23

2.9.3 试验结果 24

2.9.4 试验结论 26

第三章 I型断裂特性研究 27

3.1 引言 27

3.2双材料界面断裂力学概述 27

3.2.1界面的概念及力学分析模型 27

3.2.2界面裂纹尖端附近区域的奇异应力场 28

3.2.3粘结界面断裂试验研究 30

3.3试验方法选择 31

3.4试件设计 32

3.5试件制作方法 32

3.6试验结果与分析 33

第四章 II型断裂特性研究 37

4.1 II型断裂研究 37

4.2 试件设计 37

4.3试件制作方法 38

4.4 试验结果分析 38

第五章 基于鼓泡试验的界面断裂特性研究 42

5.1 鼓泡试验概述 42

5.2 理论分析 43

5.2.1 薄板理论 43

5.2.2鼓泡扩展理论 45

第六章 结论与展望 47

6.1 结论 47

6.2 展望 47

参考文献 49

致 谢 51

第一章 绪论

1.1引言

随着我国经济的快速发展，我国的交通事业保持着迅速良性的发展，取得了显著的成就。从上世纪50年代起，为满足跨越河流，沟壑，海峡的运输需求，我国开始大力发展大跨径桥梁。目前，正交异性钢桥面板正广泛应用于大跨径桥梁，这种结构构造上的各向异性是由于其刚度在互相垂直的两个方向上有所不同。

为了使钢桥面免于受到外荷载和外界因素的直接冲击影响，避免路面水分对主梁的腐蚀，延长其使用年限，增加行车的安全性与舒适度，节约项目的费用，需要在钢桥上修筑铺装层，作为底层材料的保护层。作为车辆荷载的直接作用部分，铺装层的性能对行车状况的影响是十分显著的，既要保证有足够的刚度与强度，又要做到抗滑防水，提供足够的路面平整度，保证行车的安全与舒适。我国常用的铺装层材料有两种，分别是沥青混凝土与水泥混凝土。桥面铺装与一般的路面铺装与相比，所面临的外界环境更为苛刻。钢桥面板一般厚度较小，具有较大的变形挠度，对于上层铺装结构而言，桥面铺装层的要求更为严格。此外，钢桥面板的导热性能良好，这就导致了桥面铺装层相比与普通路面铺装层对温度的要求更高。桥梁的受力环境与一般路面不同，往往要承受较大的风荷载，因此铺装层会承受更大的振动荷载。而且钢桥面受水的影响较大，维修的费用比较昂贵。鉴于以上的种种特点，寻找一种性能优越的桥面铺装材料是十分必要的，有很好的经济效益。

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