工程水泥基复合材料三轴压缩强度与变形特性

马超; 郭青玥; 王国盛; 路德春; 廖维张

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20240717001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

工程水泥基复合材料三轴压缩强度与变形特性

论文 | 更新时间：2025-07-07

- 工程水泥基复合材料三轴压缩强度与变形特性
- Triaxial Compressive Strength and Deformation Characteristics of Engineered Cementitious Composites
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第3期页码：513-521
- 作者机构：
  
  1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 102616
  2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124
- 作者简介：
  
  马超（1986—），男，教授，博导，博士。主要从事地下结构防灾减灾研究。E-mail：machao@bucea.edu.cn
  王国盛（1990—），男，教授，博导，博士。主要从事混凝土力学特性及本构模型研究。E-mail：wangguosheng@bjut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划课题(2022YFC3800901);国家自然科学基金项目(52278323;52378471;52025084)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20240717001
  中图分类号： TU528
- 收稿：2024-07-17，
  
  修回：2024-09-06，
  
  纸质出版：2025-06-28
- 稿件说明：
移动端阅览
马超,郭青玥,王国盛等.工程水泥基复合材料三轴压缩强度与变形特性[J].防灾减灾工程学报,2025,45(03):513-521.

MA Chao,GUO Qingyue,WANG Guosheng,et al.Triaxial Compressive Strength and Deformation Characteristics of Engineered Cementitious Composites[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(03):513-521.
马超,郭青玥,王国盛等.工程水泥基复合材料三轴压缩强度与变形特性[J].防灾减灾工程学报,2025,45(03):513-521. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240717001.

MA Chao,GUO Qingyue,WANG Guosheng,et al.Triaxial Compressive Strength and Deformation Characteristics of Engineered Cementitious Composites[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(03):513-521. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240717001.

摘要

工程水泥基复合材料（Engineered Cement Composite，ECC）因其良好的抗拉和抗裂性能在混凝土结构中得到了广泛应用，实际工程中ECC常处于复杂应力状态下工作。为研究ECC在复杂应力状态下的力学特性，设计并开展了ECC的常规三轴压缩与劈裂拉伸试验，探究了纤维掺量、围压对ECC的压缩强度与变形的影响规律，以及纤维掺量对其劈拉强度的影响规律，从材料黏聚强度与摩擦强度发挥机制的角度，阐释了纤维掺量对ECC强度与变形的影响机制。试验结果表明：随着纤维掺量的增加，ECC的黏聚强度增大，表现为劈拉强度逐渐增大，但其内摩擦角随纤维掺量增加呈减小趋势，导致其三轴压缩强度也呈减小趋势；随着纤维掺量的增加，ECC的延性逐渐增大，在三轴压缩条件下的变形行为由剪缩/剪胀型转变为剪缩型。基于试验结果构建了ECC的强度面，研究成果对建立复杂应力条件下ECC本构模型与ECC结构设计具有重要的理论意义。

Abstract

Engineered Cementitious Composites (ECC) have been widely applied in concrete structures due to their excellent tensile strength and crack resistance. In practical engineering

ECC often operates under complex stress states. To investigate the mechanical properties of ECC under complex stress states

conventional triaxial compression and splitting tensile tests were designed and conducted. The study explored the influence patterns of fiber content and confining pressure on the compressive strength and deformation characteristics of ECC

as well as the influence of fiber content on its splitting tensile strength. The influence mechanisms of fiber content on ECC strength and deformation were explained from the perspective of the mechanisms of material cohesive and frictional strength. The experimental results showed that as fiber content increased

the cohesive strength of ECC increased

as evidenced by a gradual rise in splitting tensile strength. However

the internal friction angle showed a decreasing trend with increasing fiber content

leading to a reduction in triaxial compressive strength. Moreover

ECC exhibited enhanced ductility with increasing fiber content. The deformation behavior under triaxial compression transitioned from shear shrinkage/dilation mode to shear shrinkage mode. Based on the experimental results

the strength envelope of ECC was established. The research findings provide important theoretical support for establishing constitutive models and structural design of ECC under complex stress states.

关键词

Keywords

references

徐世烺，李贺东 . 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究［J］. 土木工程学报， 2009 ， 42 （ 9 ）： 32 - 41 .

Xu S L ， Li H D . Uniaxial ensile experiments of ultra-high toughness cementitious composite ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2009 ， 42 （ 9 ）： 32 - 41 . （in Chinese）

Fischer G ， Li V C . Effect of matrix ductility on deformation behavior of steel-reinforced ECC flexural members under reversed cyclic loading conditions ［J］. ACI Structural Journal ， 2002 ， 99 （ 6 ）： 781 - 790

Pimentel T M ， De Andrade S F . Repair of pre-damaged RC beams using hybrid fiber reinforced strain hardening cementitious composites ［J］. Engineering Structures ， 2021 ， 235 ： 112081 .

Zhang R ， Matsumoto K ， Hirata T ， et al . Application of PP-ECC in beam-column joint connections of rigid-framed railway bridges to reduce transverse reinforcements ［J］. Engineering Structures ， 2015 ， 86 ： 146 - 156 .

Pan Z F ， Zhu Y Z ， Qiao Z ， et al . Seismic behavior of composite columns with steel reinforced ECC permanent formwork and infilled concrete ［J］. Engineering Structures ， 2020 ， 212 ： 110541 .

Qudah S ， Maalej M . Application of Engineered Cementitious Composites （ECC） in interior beam-column connections for enhanced seismic resistance ［J］. Engineering Structures ， 2014 ， 69 ： 235 - 245 .

钱辉，康莉萍，郭院成，等 . 基于SMA和ECC复合材料的功能自恢复剪力墙抗震性能试验研究［J］. 土木工程学报， 2020 ， 53 （ 10 ）： 51 - 61， 71 .

Qian H ， Kang L P ， Guo Y C ， et al . Experimental study on seismic behavior of self-centering shear wall reinforced with shape memory alloy bars and engineered cementitious composites ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2020 ， 53 （ 10 ）： 51 - 61， 71 . （in Chinese）

吴孝鑫，谢群，赵鹏，等 . 超高延性混凝土加固砌体墙抗震性能研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 4 ）： 859 - 869 .

Wu X X ， Xie Q ， Zhao P ， et al . Seismic behavior of masonry wall strengthening with ultra-high ductility concrete ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2024 ， 44 （ 4 ）： 859 - 869 . （in Chinese）

Ma H ， Zhang Z G ， Ding B ， et al . Investigation on the adhesive characteristics of Engineered Cementitious Composites （ECC） to steel bridge deck ［J］. Construction and Building Materials ， 2018 ， 191 ： 679 - 691 .

Yu K Q ， Li L Z ， Yu J T ， et al . Direct tensile properties of engineered cementitious composites： A review ［J］. Construction and Building Materials ， 2018 ， 165 ： 346 - 362 .

Sun L Z ， Hao Q ， Zhao J L ， et al . Stress strain behavior of hybrid steel-PVA fiber reinforced cementitious composites under uniaxial compression ［J］. Construction and Building Materials ， 2018 ， 188 ： 349 - 360 .

Singh M ， Saini B ， Chalak H D . Performance and composition analysis of engineered cementitious composite （ECC） - A review ［J］. Journal of Building Engineering ， 2019 ， 26 ： 100851 .

Wang Y C ， Liu F C ， Yu J T ， et al . Effect of polyethylene fiber content on physical and mechanical properties of engineered cementitious composites ［J］. Construction and Building Materials ， 2020 ， 251 ： 118917 .

Said S H ， Razak H A ， Othman I . Flexural behavior of engineered cementitious composite （ECC） slabs with polyvinyl alcohol fibers ［J］. Construction and Building Materials ， 2015 ， 75 ： 176 - 188 .

Khan M ， Cao M ， Xie C ， et al . Effectiveness of hybrid steel-basalt fiber reinforced concrete under compression ［J］. Case Studies in Construction Materials ， 2022 ， 16 ： e00941 .

Yang X ， Gao W Y ， Dai J G ， et al . Flexural strengthening of RC beams with CFRP grid-reinforced ECC matrix ［J］. Composite Structures ， 2018 ， 189 ： 9 - 26 .

Zheng Y Z ， Wang W W ， Brigham J C . Flexural behaviour of reinforced concrete beams strengthened with a composite reinforcement layer： BFRP grid and ECC ［J］. Construction and Building Materials ， 2016 ， 115 ： 424 - 437 .

Ge W J ， Ashour A F ， Ji X ， et al . Flexural behavior of ECC-concrete composite beams reinforced with steel bars ［J］. Construction and Building Materials ， 2018 ， 159 ： 175 - 188 .

刘春阳，顾一凡，高英棋，等 . 钢纤维全再生粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 946 - 953 .

Liu C Y ， Gu Y F ， Gao Y Q ， et al . Experimental study on flexural performance of concrete beams with steel fiber and fully recycled coarse aggregate ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 946 - 953 . （in Chinese）

Zhang Y X ， Deng M K ， Li T ， et al . Strengthening of flexure-dominate RC columns with ECC jackets： Experiment and analysis ［J］. Engineering Structures ， 2021 ， 231 ： 111809 .

Chen X ， Zhuge Y ， Nassir AL-Gemeel A ， et al . Compressive behaviour of concrete column confined with basalt textile reinforced ECC ［J］. Engineering Structures ， 2021 ， 243 ： 112651 .

朱忠锋，王文炜 . FRP编织网/ECC复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究［J］. 东南大学学报（自然科学版）， 2016 ， 46 （ 5 ）： 1082 - 1087 .

Zhu Z F ， Wang W W . Experimental study on mechanical behaviour of circular reinforced concrete columns strengthened with FRP textile and ECC ［J］. Journal of Southeast University（Natural Science Edition）， 2016 ， 46 （ 5 ）： 1082 - 1087 . （in Chinese）

Noori A ， Shekarchi M ， Moradian M ， et al . Behavior of steel fiber-reinforced cementitious mortar and high-performance concrete in triaxial loading ［J］. ACI Materials Journal ， 2015 ， 112 （ 1 ）： 95 - 104 .

Zhang S S ， Wang J J ， Lin G ， et al . Stress-strain models for ultra-high performance concrete （UHPC） and ultra-high performance fiber-reinforced concrete （UHPFRC） under triaxial compression ［J］. Construction and Building Materials ， 2023 ， 370 ： 130658 .

潘金龙，何佶轩，王路平，等 . ECC双轴压力学性能及破坏准则试验研究［J］. 工程力学， 2016 ， 33 （ 6 ）： 186 - 193 .

Pan J L ， He J X ， Wang L P ， et al . Experimental study on mechanical behaviors and failure criterion of Engineered Cementitious Composites under biaxial compression ［J］. Engineering Mechanics ， 2016 ， 33 （ 6 ）： 186 - 193 . （in Chinese）

周俊，韦建刚，杨艳，等 . UHPC三轴受压力学性能研究［J］. 工程力学， 2023 ， 40 （ 11 ）： 206 - 217， 226 .

Zhou J ， Wei J G ， Yang Y ， et al . Research on mechanical properties of UHPC under triaxial compression ［J］. Engineering Mechanics ， 2023 ， 40 （ 11 ）： 206 - 217， 226 . （in Chinese）

Li Y ， Liu Z J . Behavior of high performance PVA fiber reinforced cement composites under uniaxial compressive load ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2012 ， 174-177 ： 687 - 691 .

Wang Z B ， Zuo J P ， Liu C ， et al . Stress-strain properties and gas permeability evolution of hybrid fiber Engineered Cementitious Composites in the process of compression ［J］. Materials ， 2019 ， 12 （ 9 ）： 1382 .

Wang G S ， Lu D C ， Li M ， et al . Static-dynamic combined multiaxial strength criterion for concrete ［J］. Journal of Engineering Mechanics ， 2021 ， 147 （ 5 ）： 04021017 .

杜修力，马超，路德春 . 岩土类材料的静水压力效应［J］. 岩石力学与工程学报， 2015 ， 34 （ 3 ）： 572 - 582 .

Du X L ， Ma C ， Lu D C . Effect of hydrostatic pressure on geomaterials ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2015 ， 34 （ 3 ）： 572 - 582 . （in Chinese）

廖维张，王滢，王俊杰，等 . BFRP-FRCM复合层弯曲性能试验研究［J］. 施工技术（中英文）， 2023 ， 52 （ 22 ）： 13 - 19 .

Liao W Z ， Wang Y ， Wang J J ， et al . Experimental study on bending properties of BFRP-FRCM reinforced layer ［J］. Construction Technology ， 2023 ， 52 （ 22 ）： 13 - 19 . （in Chinese）

Li V C ， Mishra D K ， Wu H C . Matrix design for pseudo-strain-hardening fibre reinforced cementitious composites ［J］. Materials and Structures ， 1995 ， 28 （ 10 ）： 586 - 595 .

Du Q ， Cai C ， Lyu J ， et al . Experimental investigation on the mechanical properties and microstructure of basalt fiber reinforced Engineered Cementitious Composite ［J］. Materials ， 2020 ， 13 （ 17 ）： 3796 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据