超高韧性水泥基复合材料(Ultra-high toughness cementitious composites,简称UHTCC)是由水泥、水、增强纤维、精细骨料、以及粉煤灰和硅灰等活性矿物掺合料组成的新型工程材料,具有拉伸应变硬化能力与多缝开裂特征。该材料的静态力学性能与耐久性十分突出,由此,也寄希望于该材料能够改善地震、车载等动荷载作用环境中的混凝土结构,这就有必要对其动态力学性能进行研究。本文结合国家自然科学基金重点项目(50438010)和南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(JGZXJJ2006-13),对UHTCC在冲击与疲劳荷载下的性能进行了试验研究,同时,对其疲劳裂纹扩展性能及理论基础——断裂性能进行了探索性的计算分析。论文主要研究内容如下：(1)研究了UHTCC的抗冲击性能,结果显示,UHTCC冲击试件产生的大量裂缝能有效延缓主破坏面的出现,提高其抗冲击能力,防止试件离析。对UHTCC的弯曲疲劳性能进行了试验研究,得出：在弯曲疲劳荷载作用下,UHTCC仍表现出多缝开裂特征,随应力水平的降低,裂缝数目减少,二者之间近似呈双线性关系；UHTCC试件的疲劳破坏为延性破坏,其S-N曲线具有双线性特征,原因是PVA纤维在高应力水平下发挥作用高于低应力水平的情况,且疲劳荷载下纤维的破坏方式与金属质材料类似。(2)研究UHTCC在弯曲疲劳荷载下的损伤模型,UHTCC的疲劳损伤为韧性损伤,可采用试件底面塑性应变εp作为损伤变量,计算损伤量D,基于弹塑性各向同性损伤模型,建立UHTCC的疲劳损伤演变方程。(3)对预制单边切口UHTCC梁的弯曲断裂性能进行了试验研究,并基于非线性断裂力学,采用J积分方法评价其断裂韧性。结果表明,可用开裂与失效J积分(JIC-JIF)作为评价UHTCC断裂韧性的两个指标,当流入预制切口前端塑性区的能量大于JIC时,初始裂缝出现,随后,裂缝稳定扩展,当流入塑性区的能量大于JIF时,主裂缝出现,材料进入失稳发展阶段。用宏观裂缝覆盖面积发展量△A代替单裂缝的长度扩展量△a作为描述UHTCC裂缝发展的参量,研究其JR阻力曲线：在主裂出现前,UHTCC的J-AA存在两阶段线性关系,分界点即为宏观裂缝出现点；在稳定变形阶段,UHTCC的J-△A呈线性关系,即相同面积的裂纹发展量消耗的能量相同。(4)基于描述疲劳裂纹扩展规律的Paris公式,对UHTCC的疲劳裂纹扩展性能进行了探讨性研究,用宏观裂缝覆盖面积A作为描述其裂缝发展的参量,并通过试验验证其适用性。结果表明,疲劳荷载作用下,预制单边切口UHTCC弯曲试件有多条裂缝产生,其位置、形状、长度皆随机分布,破坏时组成一个从切口根部开始发散最终汇集到加载点处的橄榄球形状；UHTCC疲劳裂纹扩展速率的计算公式为dA/dN=C(△J)m,随纤维掺量的增加,其疲劳裂纹扩展速率呈递减趋势,此外,纤维掺量对疲劳裂纹扩展速率的影响随J积分值增大而愈加明显；UHTCC存在疲劳裂纹扩展门槛值,即当疲劳过程中的疲劳荷载产生的断裂能小于某一临界值△Jth时,疲劳裂缝不扩展。(5)对UHTCC/混凝土(UC)复合梁进行三点弯曲疲劳试验,有以下发现：疲劳荷载作用下,UC梁跨中截面变形符合平截面假定,高应力水平下UC复合梁的受压区高度要小于低应力水平下相应荷载循环时的受压区高度,同一应力水平下,受压区高度随荷载循环次数的增加而降低,疲劳破坏时的受压区高度约占截面高度的0.05-0.10；复合梁的UHTCC层产生若干条可见裂缝,数目随应力水平降低而减少,混凝土层裂缝数目为1-3条,复合梁的疲劳变形曲线表现出延性特征,随荷载循环率呈现三阶段发展,且变形能力随应力水平减小而降低；分析其疲劳过程可知,UC复合梁的疲劳破坏是由UHTCC层的完全损伤所致,应用文中回归的UHTCC的疲劳损伤方程计算的复合梁变形曲线略小于试验测量值,尤其在低应力水平下吻合良好。
