基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法

本申请涉及水工高延性水泥基复合材料，特别是涉及一种基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法。

背景技术：

1、水工高延性水泥基复合材料(hydraulic engineered cementitiouscomposites，hecc)是基于传统工程化水泥基复合材料(engineered cementitiouscomposites，ecc)设计理念提出的一种新型水工结构材料。ecc材料由美国michigan大学victor c.li教授于上世纪九十年代首次研制成功，ecc采用高强高模人工合成纤维，基于微观层面的纤维增强机理，使其具有类似金属材料的拉伸强化性能，其极限拉伸应变可达5％～6％，几乎相当于钢材的塑性变形能力，是一种具有像金属一样可变形的混凝土复合材料。作为一种具有高韧性的水泥基复合材料，ecc具有很大的吸收能量的能力，因此可以显著改善混凝土结构的抗裂性能，在水工大体积混凝土防裂抗渗部位具有广阔的应用前景。

2、传统ecc材料中水泥用量过高、石英砂的粒径要控制在100μm以内，其经济成本较高，无法满足水利水电工程低成本、大方量的应用需求。长江水利委员会长江科学院基于传统ecc，在满足设计要求的前提下，对原材料、生产拌和、浇筑施工及功能需求特点进行适应性调整，形成具有水工特色的ecc技术并在工程实际中首次应用。与传统ecc相比，水工ecc具备中等强度、低弹性模量、按需设计的延伸率、可控的裂缝宽度以及原材料选择范围广等特性，将其应用在坝基廊道、面板坝石坝等水工结构中有望改善坝体开裂、渗漏等问题。

3、水工ecc材料具备按需设计的延伸率、可控的裂缝宽度等特征，但目前缺乏材料组成与性能之间的定量关系而无法实现按需设计，只能通过大量试验遴选适合不同工程需求的材料配合比设计，极大程度上降低了设计效率，且增加了时间和经济成本。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，能够提高水工高延性水泥基复合材料设计的效率和合理性。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、本申请提供了一种基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，包括：

4、构建裂缝宽度模型和极限延伸率模型；

5、获取预设裂缝宽度、预设极限延伸率和待定设计方案；所述设计方案中的待调整参数包括纤维弹性模量、基体初裂强度、纤维尺寸和纤维掺量；

6、根据所述待定设计方案和所述裂缝宽度模型，确定拉伸载荷试验模拟时产生的每条裂纹的仿真裂缝宽度；

7、根据所述待定设计方案和所述极限延伸率模型，确定仿真极限延伸率；

8、调整所述待定设计方案中待调整参数的数值，并返回步骤“根据所述待定设计方案和所述裂缝宽度模型，确定拉伸载荷试验模拟时产生的每条裂纹的仿真裂缝宽度直至所有所述仿真裂缝宽度与预设裂缝宽度的差值均处于预设裂缝宽度差值范围，且所述仿真极限延伸率与预设极限延伸率的差值处于预设极限延伸率差值范围，得到目标设计方案。

9、可选地，在得到所述目标设计方案之后，还包括：

10、按照目标设计方案批量生产水工高延性水泥基复合材料。

11、可选地，所述裂缝宽度模型为：

12、

13、其中，d为裂缝宽度，ρ为纤维掺量，r为纤维半径，ξ为纤维折减系数，σc为基体极限抗拉强度，σ0为基体初裂强度，ef为纤维弹性模量。

14、可选地，所述极限延伸率模型为：

15、

16、其中，ε为极限延伸率，em为基体弹性模量，n为裂缝数量，l为拉伸变形区的标距。

17、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

18、本申请提供了一种基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，基于待定设计方案，构建裂缝宽度模型和极限延伸率模型；根据待定设计方案和裂缝宽度模型，确定拉伸载荷试验模拟时产生的每条裂纹的仿真裂缝宽度；根据待定设计方案和极限延伸率模型，确定仿真极限延伸率；基于仿真裂缝宽度和仿真极限延伸率调整待定设计方案，设计时通过调整混凝土基体的弹性模量、初裂强度、极限拉伸强度和纤维的尺寸以及掺量实现水工ecc材料的裂缝宽度和延伸率定量控制，显著提高了设计效率，能够简单快速的根据服役需求调整ecc材料体系设计，保障服役安全性的同时节约经济成本和时间成本。

技术特征：

1.一种基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，其特征在于，在得到所述目标设计方案之后，还包括：

3.根据权利要求1所述的基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，其特征在于，所述裂缝宽度模型为：

4.根据权利要求3所述的基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，其特征在于，所述极限延伸率模型为：

技术总结
本申请公开了一种基于裂缝宽度和极限延伸率控制的水工高延性水泥基复合材料的设计方法，涉及水工高延性水泥基复合材料技术领域，该方法包括：构建裂缝宽度模型和极限延伸率模型；根据待定设计方案和裂缝宽度模型，确定拉伸载荷试验模拟时产生的每条裂纹的仿真裂缝宽度；根据待定设计方案和极限延伸率模型，确定仿真极限延伸率；基于仿真裂缝宽度和仿真极限延伸率调整待定设计方案，本申请通过构建裂缝宽度模型和极限延伸率模型，能够提高水工高延性水泥基复合材料设计的效率和合理性。

技术研发人员：李家正,郑顺祥,石妍,张秀贞,王媛怡,蒋文广,夏求林,颉志强,袁敏,田应辉,何瑞良,陈程琦,霍金阳
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5