不同长径比聚乙烯醇(PVA)/高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)动态压缩性能

基于杆径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)研究了不同长径比和不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)在4种应变率下的动态压缩性能。结果表明：长径比较大(l/D>1.0)的PVA/ECC试件冲击压缩后更易产生方向性明显的滑移破坏,其应力-应变曲线平台期的长度明显缩短,且曲线所包围的面积也明显减小;PVA/ECC的动态峰值应力、峰值应变和冲击韧性均随长径比增加而降低,存在一定的尺寸效应,且应变率越高、PVA纤维体积掺量越小,长径比的影响更明显;长径比较大的PVA/ECC试件其应变率效应有所减弱但PVA纤维的强化效应有所提升,尤其是对冲击韧性的影响程度最显著。     

湿热环境下Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能

随着纤维增强复合材料的广泛应用, 研究其在湿热环境下的动态力学性能具有重要的理论研究意义与工程应用价值。首先对碳纤维增强环氧树脂基(Carbon/Epoxy)复合材料层合板试件进行了湿热处理, 其后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术开展了干/湿态试件高应变率压缩实验并对实验结果进行分析。结果表明: 材料脱(吸)湿过程呈现出两段式特点, 存在二次脱(吸)水现象; Carbon/Epoxy复合材料层合板的强度在垂直铺层方向具有显著的应变率敏感性, 随着应变率从1 500 s-1增加至6 000 s-1, 其强度增加近3倍, 与此同时应变率对其弹性模量的影响却非常微弱; 此外, 湿热处理有助于提升该材料的动态力学性能, 经20 d吸湿后材料动态强度有最大12.45%的增幅, 吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。      

冲击荷载下高韧性水泥基复合材料动态力学特性与微结构演化研究

为提升水泥基材料静态力学性能、抗冲击特性及为减少温室气体排放而降低水泥用量,以硅粉为矿物掺合料(掺量为10%,质量比)、钢纤维为功能组分(掺量为2%,体积比),并匹配高效减水剂(掺量为1.5%～2.0%,质量比)制备高韧性水泥基复合材料,通过准静态抗压/抗折强度、分离式霍普金森压杆试验和采用水化微量热仪、热重分析仪,分别研究了高韧性水泥基复合材料准静态/动态力学特性及其微结构演变特征。结果表明：冲击荷载下(冲击速率为0.5 MPa/s)水泥基材料典型破坏过程分为三阶段,高韧性水泥基复合材料受作用后仅出现局部浆体剥落、飞散现象,而基准组体系均发生显著破坏直至整体破碎;硅粉在10%掺量下有效提升了水泥基复合材料体系早期和后期的准静态力学性能,1 d天龄期下抗压强度和抗折强度最高可达61.4 MPa、23.9 MPa,也显著提升了动态抗压强度至123.3 MPa(28 d天龄期)。微结构演变结果表明：硅粉和减水剂复合作用下浆体水化放热速率主峰提前,且主要水化产物——氢氧化钙含量减少,降低了浆体内部氢氧化钙分布的取向性,有助于改善浆体微结构。     

ECC冲击压缩力学特性及耗能机制的试验研究EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)在14.8~16.3 s^(-1),31.8~36.5 s^(-1),57.8~65.5 s^(-1),167.3~200.2 s^(-1)4个应变率范围下进行冲击压缩试验,探究ECC在不同应变率下的动态力学特性及耗能机制。试验表明:ECC的动态抗压强度和动态峰值应变呈现出显著的应变率增强效应,在低应变率下纤维掺量对ECC动态抗压强度和峰值应变的增加作用较强,在高应变率增强作用不明显;纤维掺量对ECC在不同应变率的应力应变曲线具有类似的影响,在低应变率下纤维掺量对ECC应力应变曲线形态的影响大于高应变率;ECC的耗能能力与破坏形态有关,在能耗比达到90%以上时,纤维掺量为2.00%和2.30%的ECC的完整度是基体材料的4倍,充分体现了ECC在抗爆加固领域的优势,为ECC在抗爆抗冲击领域的应用提供技术参考。     

三维四向编织复合材料动态压缩性能实验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究了三维四向编织碳纤维环氧树脂复合材料在动态压缩载荷作用下的力学性能。在横向对复合材料进行了动态压缩实验,得到了应变率从900/s―1500/s下的应力-应变曲线,并且与准静态压缩下的结果进行了对比。分析比较了应变率对三维编织复合材料横向压缩强度和模量的影响。实验中根据SHPB理论假设,采用波形整形技术,使得试件在加载过程中处于应力平衡和均匀变形状态。实验结果表明:压缩强度和模量具有一定的应变率强化效应;与准静态结果相比,在高应变率下的复合材料的强度和模量有明显的增大,并表现出明显的脆性。还分析了应变率对复合材料破坏模式的影响。     

基于高速DIC的近场冲击下高强混凝土动态压缩性能研究

为了解近场冲击荷载作用下装配式预制桥梁结构高强混凝土材料的破坏特征及高应变率力学响应特征,采用100 mm大直径霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对C60及C80两种高强度等级混凝土进行单轴冲击压缩试验。获得了混凝土的应力-应变曲线、动态弹性模量及动态增长因子等动态参数。利用高速数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术对混凝土表面应变场进行研究,分析了试样破坏过程中裂纹扩展过程。试验结果表明：在高应变率下,高强混凝土试件的动态压缩强度呈现明显的率效应,但其弹性模量保持恒定;对数函数模型能够较好地表征混凝土的动态强度演化模式;宏观上可以将观察到的破坏模式划分为4种模式：完整试样、轴向劈裂、混凝土爆裂及粉碎;高应变率下,裂缝演化不稳定性增大,其扩展速率随应变率的增大而增大。     

ECC面层加固砖墙抗震性能试验研究

高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是一种高强度、高韧性的生态建筑材料,在土木工程领域具有广泛的应用前景。为充分发挥ECC的韧性和良好的抗剪性能,该文提出一种采用ECC面层加固砖墙的方法,对2片未加固砖墙和2片ECC面层加固的砖墙进行了拟静力试验。试验结果表明：ECC面层与砖墙具有良好的粘结性能,采用ECC面层加固砖墙能有效限制墙体的开裂和破坏,提高砖砌体墙的延性和耗能能力,改善砖墙的剪切脆性破坏模式,提高墙体的损伤容限,减小砌体结构的震后加固费用。     

ECC面层加固受损砖砌体墙抗震性能试验研究

高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)具有高强度、高延性和受拉应变硬化等特性,在加固工程中具有广泛的应用前景。该文对4片采用ECC面层加固的受损砖墙进行了低周反复荷载试验,并与相关文献中4个试件进行比较,研究了ECC面层加固砖砌体墙的破坏机理、破坏形态、滞回特性和变形能力。结果表明：1) 采用ECC面层加固受损砖砌体墙,可显著提高砖墙的变形能力,改善加固后墙体的抗震性能;2) ECC面层对内部砖墙形成良好的约束作用,可显著改善砖墙的脆性破坏模式,是一种有效的砌体结构加固方法;3) 改善ECC面层与构造柱之间的粘结性能,保证ECC面层有效传递剪力,对提高加固后墙体的整体性能具有重要作用。该文的研究结果为砌体结构抗震加固提出了一种新方法,具有良好的推广和应用前景。     

高应变率荷载作用下钢筋与ECC的黏结滑移关系研究

采用水泥基复合材料(engineering cementitious composite, ECC)替代混凝土可以提高结构在偶然荷载作用下的抗连续倒塌性能,但在悬链线大变形阶段钢筋与ECC间可能会出现黏结滑移破坏。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,进行了钢筋与ECC的动态黏结滑移性能试验,分析了ECC强度等级、应变率、钢筋直径对极限黏结强度、刚度和滑移量的影响规律,获得了高应变率下钢筋与ECC的平均黏结滑移曲线,得到其黏结滑移破坏模式。并与静态黏结滑移试验进行对比,得到了动态黏结强度增强因子。进一步,通过钢筋开槽内贴应变片法,获得不同锚固位置的黏结应力及相对滑移的分布规律,提出黏结位置函数。最后,根据试验结果得到钢筋与ECC平均黏结滑移本构,进而乘以黏结位置函数得到考虑锚固位置影响的动态黏结滑移本构,为ECC结构构件设计及有限元分析提供试验依据和理论参考。     

ECC动态拉伸力学特性试验研究与数值模拟EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bars,SHPB)装置对基体材料、不同纤维掺量的ECC(engineered cementitious composites)在R1(5.8~6.9 s^(-1))、R2(9.7~13.3 s^(-1))、R3(14.4~18.9 s^(-1))、R4(19.2~28.5 s^(-1))4个应变率范围下进行冲击劈裂拉伸试验。探究基体材料、ECC在不同应变率下的动态力学特性及纤维掺量对ECC力学性能的影响。试验表明:基体材料、ECC的动态劈裂拉伸强度均具有显著的应变率增强效应;当纤维掺量小于2.3%时,纤维掺量与动态劈裂抗拉强度呈现出正相关。此外,通过试验发现基体材料的吸能能力与试件的破碎形态有关,随着纤维掺量的增加ECC破碎程度减小,微裂缝增多。通过拟合试验数据修正了ECC的应变率效应,并将修正后的模型嵌入到LS-DYNA软件中,基于新建模型对试验的全过程进行数值模拟分析,相较于试验数据,模拟结果最大误差为8%。最小误差为2.3%,试件的破坏形态吻合程度较高,数值模拟结果表明新建ECC材料模型能够较好表现ECC动态拉伸特性。     

钢/尼龙夹层板动态压缩力学性能研究

为研究钢/尼龙夹层板的适用性,对夹层板的动态压缩力学性能进行仿真和试验研究。利用有限元软件LSDYNA对霍普金森压杆(SHPB)实验进行数值模拟,结果表明钢/尼龙夹层板是一种应变率敏感性材料。基于朱王唐(ZWT)非线性粘弹性模型拟合得到不同厚度比的钢/尼龙夹层板的动态压缩本构方程。经实验验证,本构方程具有较高精度,可以用于对该类夹层板动态压缩力学性能的预测,同时也证明该文的SHPB实验的数值模拟方法正确性。     

温度对缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩性能的影响

分别开展缝合气凝胶夹芯复合材料在不同温度下的面内压缩试验,研究材料在室温、300℃、600℃和800℃下的面内压缩力学性能,并采用微焦点工业CT扫描的方法对试样内部结构进行分析,结合有限元分析方法,探究其结构破坏机制。结果表明:在面内压缩载荷作用下,材料存在极限载荷,面板的局部屈曲、芯层的剪切破坏以及缝线柱的断裂是材料破坏的主要方式。随着温度的升高,材料的面内压缩模量和极限载荷也逐渐升高,面板破坏处的断口逐渐呈现出类似脆性的断裂。300℃、600℃和800℃下材料的面内压缩模量分别为室温的1.05倍、1.57倍和1.65倍;极限载荷分别为室温的1.14倍、1.46倍和1.67倍。室温下有限元分析结果和试验结果的对比,验证了缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩破坏模式的合理性。     

温度与荷载对砂岩动态力学性能及裂纹的影响

为研究在不同温度与荷载下砂岩的动态力学性能,运用了SHPB实验仪器及配套高温环境箱分别在25(常温)、100、200、300、400、500、600、700℃下对砂岩进行3种不同荷载(0.3、0.5、0.7 MPa)动态压缩实验,并结合SEM设备对高温应力作用下砂岩内部裂纹进行分析。结果表明:当冲击荷载增大时,砂岩所能承受的动态压缩强度显著提高;当所处温度一定时,其破裂情况也随荷载的增大而加剧;当冲击气压一定时,随着温度升高,砂岩的峰值应力表现出平缓、上升、下降的变化趋势,最终在700℃时达到最小值。在应力与常温作用下,试件会先以应力作用影响为主,出现单条裂纹,当温度升高至300℃以上,单条裂纹会有所延伸并形成多条裂纹,出现二次开裂。     

Effects of different types of PVA on the properties of the nano-TiO2/PVA

用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH550）对纳米TiO2进行改性,将不同比例的聚乙烯醇（17-88与17-99）相混合制成胶液,再采用直接共混法制备了纳米TiO2/聚乙烯醇（PVA）复合材料,并流延成膜。通过自制透水仪、扫描电镜、热失重分析、拉伸强度、耐水性能以及透明性对纳米TiO2/PVA复合膜进行表征,探讨不同含量的PVA 17-88对复合膜的性能影响。结果表明,PVA 17-88的质量分数为30%,纳米TiO2/PVA膜厚度控制在25～30μm,透水量较大,拉伸强度达到28.72MPa,耐水性能最佳。     

不同型号PVA对纳米TiO2/PVA复合材料性能的影响

用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH550)对纳米TiO₂进行改性, 将不同比例的聚乙烯醇(17-88与17-99)相混合制成胶液, 再采用直接共混法制备了纳米TiO₂/聚乙烯醇(PVA)复合材料, 并流延成膜。通过自制透水仪、 扫描电镜、 热失重分析、 拉伸强度、 耐水性能以及透明性对纳米TiO₂/PVA复合膜进行表征, 探讨不同含量的PVA 17-88对复合膜的性能影响。结果表明, PVA 17-88的质量分数为30%, 纳米TiO₂ /PVA膜厚度控制在25~30 μm, 透水量较大, 拉伸强度达到28.72 MPa, 耐水性能最佳。      

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。     

Effect of degree of saponification on properties of films obtained from PVA/NaCl/H2O system

Properties of the film obtained from the solution of atactic-polyvinyl alcohol (PVA)/NaCl/H₂O system were investigated through changing the degree of saponification (DS) and NaCl concentration. The films had a higher crystallinity as well as a higher draw ratio than pure PVA film. Maximum values of degree of crystallinity and draw ratio of the films were 38.5% and 17.8, respectively. The highest tensile modulus of the films was at DS 99.05 mol% and NaCl concentration 2 wt.%. These results indicated that the NaCl concentration control has a beneficial effect on properties upgrade of PVA film, but the DS control was effective in control of degree of crystallinity.