摘 要

本文以PVA纤维和钢纤维为增强材料制备应变硬化水泥基复合材料（简称为ECC），试验研究了ECC在直接拉伸作用下体积电阻的变化，测得拉伸应力-应变曲线和电阻-应变曲线，比较了这两种曲线的同步性，以验证这种材料的拉敏特性。随着拉伸应变增加，微裂纹和电阻也随之增加。

为研究ECC的电阻随裂纹深度变化的关系，在棱柱型试样正中间预制裂缝，测量在不同裂缝深度时试样的电阻变化率。通过类比法，以材料在反平面剪切荷载作用下材料的静弹性场类比含裂纹ECC的静电场，由损伤引起的电阻变化等于反平面剪切荷载作用下的试样弹性柔度的相对改变。根据这个原理，推导出了ECC的电阻相对改变量计算公式，并与试验结果进行对比。

关键词：ECC材料；拉敏性；断裂力学；无损检测

Abstract

In this paper, PVA fiber and steel fiber reinforced strain hardening cement composites (reffred to as ECC) is prepared. The experimental studied changes in the volume resistance of ECC under direct tension, and obtained the tensile stress-strain curve resistance-strain curve.Synchronization of the two curves are compared to verify the proporties of the material.With the tensile strain increasing, the resistance of the material and the number of micro-cracks increase.

To study the relationship between resistance change and the depth of a crack, in the middle of the prismatic specimen prefabricating a crack of different depth, and measuring the ratio of resistance change. By analogy, The static elastic field of the material under antiplance shear loading is analogy with electrostatic field with cracks. The mathematical analogy shows the relative change of resistance is equal to the relative change of the elastic flexibility under antiplance shear loading.According to this theory, Deriving the formula of the relative change of resistance, and comparing the formula with the experimental results.

Key words: ECC; electrical property; fracture mechanics; non-destrctive testing

目 录

第1章 绪论 1

1.1结构健康监测简介 1

1.2 ECC的力学性能和拉敏性研究现状 1

1.3 本文研究内容 4

第2章ECC自感知性能研究的试验方法 5

2.1用于拉敏性测试的ECC拉伸试样 5

2.1.1 原材料与配比 5

2.1.2 制备工艺以及测试装置 6

2.2 ECC棱柱形试样 7

2.2.1 材料与配比 7

2.2.2 制备工艺以及测试装置 7

第3章ECC对拉伸应变和裂纹的自感知性能研究 9

3.1 ECC的拉敏性研究 9

3.1.1 ECC在单向拉伸时的力-电阻效应 9

3.1.2单向拉伸试验的结果分析 10

3.2 ECC棱柱形试样的电阻变化与裂纹的关系 13

第4章ECC的电阻变化与裂纹关系的理论分析 15

4.1理论模型的建立 15

4.2 试验与理论结果的比较 18

第5章 结论与展望 21

5.1 结论 21

5.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

本章主要从以下三个方面介绍纤维增强水泥基复合材料的研究背景、研究现状以及相关研究成果，以及本文的研究内容概述。

1.1结构健康监测简介

在过去的50年内，对于工程结构的分析方法已经形成了比较成熟的体系，工程师们在结构设计的过程中，要考虑各种载荷组合以及其他受限的情况。然而，实际结构的破坏常常还受到那些未参与结构设计的载荷的影响，而对于这些未参与设计的荷载我们需要在结构服役期间对其进行持续的评估，以确保结构的安全。对于这样的评估，通常是一些有经验的工程师每间隔一段时间检测一次，并且通常是直观的检测。然而，这种主观评估的可靠性经常遭到质疑。现代已经出现了结构健康监测技术（SHM）^[1],大多数SHM技术中检测到的数据是通过点对点的传感器得到的，这种传感器只能捕获局部的破坏。因此，我们就可能错过了不在传感器附近区域的关键破坏点。所以我们要选择一种经济的，并且可以监测结构内各个地方的破坏的分布传感器，以减少结构的突然性破坏。正是基于这个目的，自感应结构材料的发展得以推动。

自感应结构材料可为复杂的结构的健康监测提供一种有效的途径，因为它们本身就在结构中无处不在。使用纤维增强的水泥基复合材料作为自感应结构材料的可行性在以前的研究中已得到了证实^[2]。作为结构材料，纤维增强水泥基复合材料除了具有优良的力学性能外，还具有一种独特的性质，即这种材料可以把结构的破坏承载力和其电阻改变联系起来，这一点使得它作为自感应材料成为可能。

1.2 ECC的力学性能和拉敏性研究现状

本文所涉及到的纤维增强水泥基复合材料是一种自感应结构材料，主要研究具有超高延性的水泥基复合材料（下文中简称为ECC）的自感知功能。ECC是一种超高延性的纤维增强水泥基复合材料^[3-4]，与典型的纤维增强混凝土（FRCs）不同，ECC在拉伸作用下具有应变硬化行为，这是因为ECC的材料设计是基于微观力学的，ECC的拉伸应变容许值（拉伸延性）至少比普通混凝土高出100倍，与此同时，ECC的抗压强度又与高强混凝土相近（40-70MPa）。大多数的灾难性结构破坏都与拉伸相关，因此，我们特别关注ECC的拉伸特性。ECC具有这么高的拉伸延展性，是由于在荷载作用下它会形成多条微裂纹（平均裂纹宽度在60µm）。

ECC的电阻率为10³-10⁶Ω·m，与半导体的电阻率相近^[5]。养护好的水泥基材料的微观结构包括微气孔，部分地方充满非结合水和溶解在水中的离子^[6]。在气孔水里溶解的离子在外部提供的电场下发生移动，从而产生电流。然而，在ECC中气孔与气孔之间的连通是受限制的，这就增加了电流流动轨迹的弯曲性，除此之外，ECC内有各种不同相的微观结构，在各种不同相之间会产生很高的电阻。在拉伸作用下，ECC的各导电相之间的空间位置会发生改变，从而导致ECC的电阻率发生改变，使得ECC具有拉敏特性^[7]。与受压荷载相比，在拉伸作用下，ECC电阻率的改变更剧烈，尤其是材料发生应变硬化时，所以ECC可以用来传感与结构破坏相关的拉伸应力。