PVA及玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

在水泥基复合材料中掺入适量纤维可显著改善其物理力学性能,但有机-无机混杂纤维对水泥材料性能的影响目前研究不多。进行了单掺PVA纤维、单掺玄武岩纤维以及复掺两种纤维的水泥基复合材料力学性能实验。结果表明,单掺1.6%(体积分数)的短PVA纤维时,水泥基复合材料的抗折强度降低7%、抗压强度提升31%、折压比降低24%;单掺0.3%(体积分数)的短玄武岩纤维时,水泥基复合材料的抗折强度降低8%、抗压强度提升15.7%、折压比降低20%;掺0.3%(体积分数)短玄武岩纤维和0.5%(体积分数)短PVA纤维时,水泥基复合材料的抗折强度几乎无影响,抗压强度显著提升,折压比相对减少,其综合性能最优。     

聚丙烯-钢纤维/混凝土柱大偏心受压承载力计算

对270个聚丙烯纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.1vol%、0.2vol%、0.3vol%、0.4vol%、0.5vol%、钢纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.5vol%、1vol%、1.5vol%、2vol%的聚丙烯-钢纤维/混凝土试块进行立方体抗压试验、轴心抗压试验和劈裂抗拉试验,基于复合材料力学理论,考虑纤维的取向系数、长度有效系数和界面黏结系数,对其建立强度预测模型并进行机制分析,同时选取掺量分别为0vol%、0.1vol%、0.3vol%的聚丙烯纤维、掺量分别为0vol%、1.5vol%的钢纤维制作6根聚丙烯-钢纤维/混凝土柱,对其进行大偏心受压试验,在强度预测模型的基础上进行承载力计算,提出聚丙烯-钢纤维/混凝土承载力计算方法。结果表明:钢纤维对聚丙烯-钢纤维/混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均有提高;聚丙烯纤维可提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的劈裂抗拉强度,但不能提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的抗压强度;聚丙烯-钢混杂纤维加入混凝土柱可有效提高其极限承载力。      

短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验与分析

为了研究短切玄武岩纤维掺量变化对混凝土基本力学性能的影响,对6种不同体积掺量的短切玄武岩纤维混凝土(BFRC)分别进行立方体抗压、轴心抗压、劈裂抗拉、抗折试验;基于试验结果,通过BP(Back Propagation)神经网路强度预测模型的构建,对附加纤维掺量的混凝土进行强度训练及预测。试验实测数据表明:掺入短切玄武岩纤维对混凝土早期抗压强度的发展有着延缓作用;当纤维掺量为0.1%时,抗压强度达到峰值。随着纤维掺量的增加,劈拉强度增幅较大,抗折强度保持上升趋势。通过BP神经网络的训练及发展趋势预测,结果表明:当纤维体积掺量为0.1%时,抗压强度达到最大值;劈拉强度与抗折强度则随着纤维掺量的增加而持续增大。基于试验数据及预测结果,得出短切玄武岩纤维的最佳体积掺量。     

钢纤维对超高性能混凝土抗弯力学性能的影响

为研究长、短钢纤维对超高性能混凝土（UHPC）受弯力学性能的影响,设计并制作了13组标准养护条件下的UHPC试件,其中3组为掺单一型短钢纤维,其他组均为掺混杂型钢纤维,对其进行立方体抗压及四点抗折试验。结果表明：对于掺加单一型短钢纤维的钢纤维/UHPC,钢纤维体积掺量为5vol%时,抗折强度最大,为19.98 MPa,继续增加钢纤维掺量,抗折强度反而降低;掺混杂型钢纤维的UHPC比单一型的抗折强度高,并且当长、短钢纤维体积掺量分别为2vol%和1vol%时,抗折强度达到最大,为23.55 MPa;钢纤维/UHPC的抗弯力学性能主要受长纤维的影响,短纤维影响较小;长纤维掺量对钢纤维/UHPC的抗折强度、延性以及抗弯韧性有一定影响,但是主要取决于长、短纤维的搭配,长、短纤维体积掺量最优搭配为2vol%和1vol%。     

聚乙烯纤维对超高性能混凝土性能的影响

高强高模量聚乙烯纤维(PE纤维)是一种被广泛研究应用的新型合成纤维增强材料。系统地研究了不同掺量、不同长径比的PE纤维对超高性能混凝土(UHPC)性能的影响。结果表明PE纤维能显著提高混凝土的抗折强度和抗压强度,在纤维体积掺量为2%的情况下,抗折强度为28MPa,抗压强度为157MPa,较素UHPC分别提高了47.3%和28.1%。PE纤维的掺入大大提高了混凝土的韧性,改变了混凝土脆性破坏的形态,表现为多缝开裂,荷载-挠度全曲线表现为位移硬化。     

钢纤维-橡胶/混凝土抗剪性能试验

抗剪强度和剪切韧性是反映构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标。为研究钢纤维(SF)-橡胶/混凝土的剪切性能,设计了14组SF-橡胶/混凝土试件,通过双面剪切试验,研究了SF体积分数掺量、橡胶掺量和水胶比对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能及剪切破坏形态的影响。研究表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可显著改善混凝土的抗剪性能。SF对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能起主导作用,SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形及剪切韧性相比普通混凝土及橡胶/混凝土试件均显著提高,且增幅随SF掺量的增加而增大,剪切破坏呈现出明显的延性特征。当SF体积分数为1.5vol%时,橡胶掺量(等体积取代砂取代率)为10%的SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形相比橡胶/混凝土分别提高了78%、63%。橡胶对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能也起到辅助作用,SF-橡胶/混凝土试件的剪切韧性及延性相比SF/混凝土试件进一步增加。采用水胶比优化设计后,随着橡胶掺量的增加,SF-橡胶/混凝土的抗剪强度、峰值变形及峰值前剪切韧性可基本保持不变,而峰值后韧性指标进一步增加,增幅可高达96%。根据试验结果,考虑橡胶及SF掺量的影响提出了SF-橡胶/混凝土的抗剪强度计算式。      

钢纤维-橡胶/混凝土单轴受压全曲线试验及本构模型

将钢纤维(SF)掺入橡胶混凝土中,能够改善由于橡胶颗粒掺入导致的强度降低,并进一步增加延性。为研究SF-橡胶/混凝土的抗压性能,配制得到SF体积分数分别为0vol%、0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%及橡胶颗粒等体积替换砂率为0%、10%和20%的10组SF-橡胶/混凝土试件,并进行单轴受压全曲线试验。结果表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可改善混凝土的抗压性能,试件破坏呈明显延性特征。随SF掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件的抗压强度及弹性模量均明显增大,其相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性也相应增加;随橡胶颗粒掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性增加,而抗压强度及弹性模量有所减小。在已有研究基础上,通过曲线拟合试验数据,提出适用于SF-橡胶/混凝土的单轴受压应力-应变全曲线数学表达式,模型与试验结果吻合较好,为此类混凝土的结构分析设计提供了理论基础。      

纤维品种、长度及掺量对道面混凝土的性能影响研究

采用四种纤维品种、六个长度及五个掺量,试验研究了纤维品种、长度及掺量对道面混凝土强度的影响。结果表明：纤维能显著提高道面混凝土的抗折强度,但对抗压强度无显著影响,其中改性聚酯纤维混凝土抗折强度最高,抗折强度并不是简单地随纤维长度及掺量的增大而增加,而是存在一个最佳长度及掺量范围,其最佳长度为8mm～16mm,最佳体积掺量为0．10％～0．16％。建议机场高强道面采用体积掺量为0．10％～0．16％、长度为8mm～16mm的改性聚酯纤维混凝土铺筑。     

碳纳米管-碳纤维复合改性混凝土力学性能研究

碳纳米管-碳纤维复合增强体(CNTs-CF)是一种在碳纤维(CF)表面引入碳纳米管(CNTs)构筑而成的新型纤维材料。按照利用CNTs-CF作为跨尺度增强组分对混凝土进行改性的思路，制备出五种CNTs-CF体积掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%)的碳纳米管-碳纤维复合改性混凝土(CCMC),测试了CCMC的抗压强度、抗折强度、折压比(抗折强度与抗压强度的比值)及破坏形态等性能指标，进而结合扫描电镜(SEM)图像，分析了CNTs-CF对混凝土基本力学性能的增效机理。结果表明：掺加适量的CNTs-CF有利于混凝土抗压强度和抗折强度的提升，并且CNTs-CF在混凝土基体中的体积掺量存在相对最佳值。与未配置CNTs-CF的普通混凝土相比，当CNTs-CF体积掺量为0.3%时，CCMC的抗压强度提高了8.79%,抗折强度提高了27.76%。在本试验的纤维掺量范围内，CCMC的折压比随CNTs-CF体积掺量的增加呈现出递增趋势，提高幅度为8.47%～19.16%。掺入CNTs-CF后，混凝土的脆性破坏特征有所减弱，在受荷失效时，其仍可保持较好的完整性，坏而不散、裂而不断。CNTs-...     

聚丙烯纤维改性多孔生态混凝土的制备及性能研究

以玄武岩碎石为天然粗骨料,废弃混凝土为再生粗骨料,聚丙烯纤维为增强相,制备了不同聚丙烯纤维掺杂量的多孔生态混凝土,探究了聚丙烯纤维的掺杂量对多孔生态混凝土的物理性能、微观形貌、力学性能及抗冻性能的影响。结果表明,多孔生态混凝土的透水系数和孔隙率呈现出正向线性关系,随着聚丙烯纤维掺杂量的增大,混凝土的透水系数和孔隙率持续降低;适量聚丙烯纤维的掺杂能够在多孔生态混凝土中形成均匀致密的网格结构,当聚丙烯纤维的掺杂量为3%(体积分数)时,混凝土的致密度最高。随着聚丙烯纤维掺杂量的增大,混凝土的抗折强度先增大后降低,抗压强度先快速增大后缓慢增大。在28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为3%(体积分数)时,混凝土的抗折强度达到最大值4.68 MPa,对应的抗压强度为14.68 MPa。经历100次冻融循环后,当聚丙烯纤维的掺杂量为3%(体积分数)时,混凝土的质量损失率最低为2.17%,相对动弹性模量最高为84.81%,抗冻性能最佳。因此,聚丙烯纤维的最佳掺杂量为3%(体积分数)。     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

钢纤维-聚丙烯纤维混杂对再生混凝土抗冲击性能的影响

为研究钢纤维(SF)与聚丙烯纤维(PPF)混杂后对再生混凝土(RAC)抗冲击性能的影响,采用落锤弯曲冲击试验装置对素RAC、SF/RAC、PPF/RAC和SF-PPF/RAC进行抗冲击试验;分析了不同纤维掺量和掺入方式对RAC抗冲击性能的影响;采用数理统计模型对冲击试验结果进行拟合和失效概率预测,并对SF-PPF/RAC抗冲击性能的阻裂增强机制进行深入分析。结果表明:单掺或混杂纤维均可提高RAC的抗冲击性能;其中混合掺入体积分数为1.5vol%的SF和体积分数为0.9vol%的PPF时,RAC抗冲击耗能的提高幅度最大,RAC基体的延性和韧性最佳。SF-PPF/RAC的抗冲击次数很好地服从两参数Weibull分布。SF与PPF混杂对改善RAC的抗冲击性能呈现出优异的混杂增强效应。      

Effect of silica fume particle size on mechanical properties of short carbon fiber reinforced concrete

The addition of short carbon fibers (CF) in concrete leads to changes of both the mechanical and electrical properties of the hardened product. The addition of silica fume (SF) to concrete mixtures with CF facilitates an even distribution of fibers within the mixture volume and improves the strength and multifunctional properties of the product. In this work the influence of the particle size distribution of commercial SF on the strength properties of CF reinforced concrete has been studied. Also the influence of the addition of methyl-cellulose as a fiber dispersing agent that improves the homogeneity of the mixture has been studied. The results show a different behavior of concrete depending of the average SF particle size (between 1 μm and 60 μm). The evolution of the elastic compressive modulus of carbon fiber reinforced concrete (CFRC) is linked to the one of the compressive strength, with a good coincidence with the CEB (Comité Euro-International du Béton) formula values. This parameter is only slightly decreased by the addition of methyl-cellulose.     

Concrete reinforced with up to 0.2 vol% of short carbon fibres

The use of short pitch-based carbon fibres (0.5% by weight of cement, 0.189 volume % (vol%) of concrete), together with a dispersant, chemical agents and silica fume, in concrete with fine and coarse aggregates resulted in a flexural strength increase of 85%, a flexural toughness increase of 205%, a compressive strength increase of 22%, and a material price increase of 39%. The slump was 102 mm (4 in) at the optimum water/cement ratio of 0.50. The air content was 6%, so the freeze-thaw durability was increased, even in the absence of an air entrainer. The aggregate size had little effect on the above properties. The minimum carbon fibre content for flexural strength increase was 0.1 vol%, although the flexural toughness was still increased below this fibre volume fraction. The optimum fibre length was such that the mean fibre length decreased from 12 mm before mixing to 7 mm after mixing, which used a Hobart mixer. The drying shrinkage was decreased by up to 90%. The electrical resistivity was decreased by up to 83%.     

聚合物改性碳纤维增强混凝土的动态压缩力学性能

为探究聚合物改性碳纤维增强混凝土(PMCFRC)的动态压缩力学性能,利用直径Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,分别对碳纤维增强混凝土及聚合物体积分数为4vol%、8vol%、12vol%的PMCFRC进行了5组不同气压下的冲击压缩试验,获得了混凝土在不同应变率下的动态应力-应变曲线和破坏形态,分析了应变率和聚合物掺量对PMCFRC动态压缩强度、变形和韧性的影响规律。结果表明：PMCFRC的动态压缩强度、变形和韧性均具有明显的应变率强化效应,聚合物对PMCFRC的动态压缩力学性能既有强化效应,也有劣化效应。随着应变率的增大,PMCFRC的动态抗压强度、动态强度增长因子(DIF)、动态峰值应变、冲击韧性均逐渐增大。随着聚合物掺量的增大,PMCFRC的动态抗压强度、DIF、冲击韧性均先增大后减小,动态峰值应变不断增大。相同应变率水平下,4%PMCFRC的动态抗压强度、冲击韧性最大,破损程度最轻;8%PMCFRC的应变率敏感性最佳,DIF最大时达到1.94,对混凝土强度的增幅最大。聚合物一方面在混凝土基体中发挥着填充、阻裂、增韧作用,另一方面改善碳纤维-混凝土基体界面的粘结...     

弹丸冲击贯穿有限厚混凝土材料靶板的背面成坑效应

弹丸冲击贯穿有限厚混凝土靶板后,靶板背面有大块的混凝土剥落,形成近似的锥形坑。为了研究背面弹坑半锥角θ这一作为混凝土靶板贯穿后破坏范围问题研究中的重要参量,将贯穿问题等效为轴对称条件下的冲切破坏问题。采用双剪应力三参数强度准则及刚塑性模型,得到了极限应力圆的包络线方程,给出了轴对称破坏机构,进而求得θ值的表达式。理论计算结果与数值模拟结果、实验数据三者之间吻合度较好。研究表明,θ值由混凝土材料抗压强度与抗拉强度比值决定。基于上述研究,提出在混凝土中掺加钢纤维以提高有限厚靶板抗贯穿能力的实际方法,并进行了弹道实验。实验结果表明,贯穿破坏后靶板碎片的数量及θ大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗贯穿方面的适用性。