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工程用水泥基複合材料
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工程用水泥基複合材料(ECC),也被稱作「可彎曲的混凝土」,是一種由特別篩選的短纖維(通常是合成纖維,即聚合物纖維)隨機分布於便於模板成型的砂漿製成的加強複合材料 。 與普通混凝土不同,ECC可以達到3-7%的應變值[1],相比而言,普通波特蘭水泥(或普通硅酸鹽水泥,即OPC)只有0.1%。因此ECC表現得更像可延展的金屬材料而不是的如玻璃一樣的脆性材料(普通混凝土就呈現脆性特徵), 故而擁有廣泛的應用範圍。
發展
不同於普通的纖維加強混凝土,工程用水泥基複合材料(ECC)是一種由微觀力學(微觀彈性力學系統)設計而得的材料[2] [3]。只有當水泥基材料是基於微觀力學和斷裂力學理論設計成型,從而具有高彈性延展性的特徵,才能稱之為ECC。 因此ECC不是一種固定的材料設計方法,而是在不同的研究、發展和應用階段都具有廣泛意義的主題。目前,ECC材料的種類正在逐步增加。ECC的設計方法儘管是單門別類,但是它的發展需要結合統一納米級、微觀級、宏觀級尺度的材料研究,同時讓這些在不同尺度上的材料系統有序地組合工作。
ECC看起來很像以普通硅酸鹽水泥為基底的混凝土,然而ECC可以在應變中產生大的變形(或是彎曲)[1] 。主導ECC的學科發展的研究機構有:密歇根大學, 休士頓大學, 代爾夫特理工大學, 東京大學, 布拉格捷克理工大學,和史丹佛大學。傳統的混凝土缺乏延展性,在高應變(彎曲變形)下很容易破壞,表現出脆性破壞的特徵,正是這個不足促成了ECC 的發展。
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材料特性
ECC有許多獨特的特性,包括:受拉性能優於其它纖維加強複合材料,和普通混泥土一樣易於澆築成型,纖維用量很少 (約占總體積的2%),裂縫小,以及沒有各向異性的平面特徵。[4]這些特性很大程度上得益於纖維和水泥基底經過微觀力學「量體裁衣」式設計後的相互作用。特別是,這些纖維只允許出現許多特定寬度的微裂縫,而不是和普通混凝土一樣的少數幾條大裂縫,這就使得ECC能夠產生大變形而不會破碎性失效。
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與其它複合材料的比較
注釋:FRC=纖維加強水泥 HPFRCC=高性能纖維加強水泥基複合材料
參考文獻
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