高延性纤维增强水泥基复合材料的直接拉伸性能

利用国产基体原材料制备了具有较高极限拉伸性能的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC),研究了粉煤灰和胶粉对ECC直接拉伸性能的影响.试验结果表明:采用合理的配合比及测试方法,制备的ECC试件具有应变硬化及多缝开裂特征;粉煤灰掺量为80％时,7d、28 d极限拉应变分别达到3.77％和2.86％,28 d抗压强度为25.4 MPa;掺入10％胶粉,7d、28 d极限拉应变分别达到3.91％和2.37％.在满足强度要求的前提下,适当增大粉煤灰和胶粉掺量有利于提高ECC的延性.     

高延性水泥基复合材料弯曲性能的率效应

探究了不同加载速率(0.1、1、10和50 mm/min)、不同PVA纤维掺量(体积分数1.5%、1.75%、2%)以及混杂使用PVA纤维与碳酸钙晶须对高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composites, HDCC)弯曲性能的影响。试验结果表明：随着加载速率的提高,HDCC的抗弯强度呈上升趋势,但试件的能量吸收能力下降,弯曲韧性降低。PVA纤维对HDCC的抗弯性能起控制作用,在相同加载速率下,HDCC的抗弯性能随PVA掺量的降低而劣化。相比于单掺1.75%或1.5%PVA纤维,混杂使用碳酸钙晶须提高了HDCC在不同加载速率下的抗弯强度、弯曲韧性和能量吸收能力。而相比于单掺2%PVA纤维,在不同加载速率下混杂使用1.75%PVA纤维和1%碳酸钙晶须并没有引起HDCC弯曲性能明显的劣化,但降低了HDCC成本,提高了性价比。     

延性纤维增强水泥基复合材料的抗弯性能

该文通过三点弯曲试验,研究了不同水胶比的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)的抗弯性能。实验结果表明,水胶比对PVA-ECC的抗弯性能影响显著。随着水胶比的降低,抗弯强度增大,但梁的延性下降。水胶比由0.35降为0.25时,抗弯强度和延性均有突变。水胶比大于0.35时,水胶比对抗弯强度和延性的影响没有水胶比小于0.35时影响显著。与普通混凝土材料相比,梁的抗弯强度和延性均有明显提高。普通混凝土梁在达到峰值荷载后,承载力迅速下降,而PVA-ECC梁在达到峰值荷载后,有一段平缓的延性段,承载力下降缓慢,延性增加明显。     

掺石墨烯的高延性水泥基复合材料拉伸敏感性

研究纳米石墨烯片(GnPs)或氧化石墨烯(GO)掺杂高延性水泥基复合材料(SHCC)的拉伸力学性能、导电性和拉伸机敏性。研究表明,当GnPs掺量低于0.8%时,GnPs-SHCC的拉伸强度高于SHCC,但对延性的影响不大。GnPs的掺入提高了材料的导电性,但在拉伸时电阻变化的灵敏度系数降低。GO在较小的掺量下(0~0.05%),与未掺加GO的SHCC相比GO-SHCC的拉伸强度和延性降低,但其对拉应变的敏感性提高,GOSHCC的灵敏度系数为SHCC的8~9倍。     

碳酸钙晶须对混杂纤维增强高延性水泥基复合材料力学性能的影响

为了探究碳酸钙晶须对钢纤维/PVA混杂纤维增强高延性水泥基复合材料(HyFRHDCC)力学性能的影响,利用2%体积掺量的廉价碳酸钙晶须替代部分纤维,研究了不同纤维掺量HyFRHDCC的压缩性能和拉伸性能,利用扫描电子显微镜观察了HyFRHDCC的微观结构。研究结果表明,引入碳酸钙晶须能够提高HyFRHDCC的初裂拉伸应变和峰前压缩韧性;在1.5%PVA+0.25%钢纤维HyFRHDCC中掺入2%碳酸钙晶须可以改善材料的拉伸性能;当PVA纤维减少至1%时,HyFRHDCC出现了明显的应变软化行为。微观形貌分析发现,碳酸钙晶须能够通过裂纹偏转、晶须拔出以及裂缝桥联等微观机制改善HyFRHDCC的应变硬化行为。     

颗粒增强铝基复合材料断裂韧性与拉伸延性的解析模型

基于Eshelby等效夹杂理论及Weibull统计分布,发展了SiCp/Al金属基复合材料断裂韧性与拉伸延性的力学模型.模型的计算表明:当复合材料受外力时,SiC颗粒所受的力与外加应力呈线性关系.随着外加应力的增加,SiC颗粒所受的力也线性增加.同时,外力作用下SiC颗粒的断裂分数服从Weibull统计分布,即SiC颗粒的总体含量越高,其断裂分数就越高.模型关于约化拉伸延性和断裂韧性的计算与实验结果较为吻合.模型的解析和实验结果都表明:拉伸延性与断裂韧性随SiC颗粒体积分数的增加而减小.在相同体积分数的情况下,拉伸延性与断裂韧性随SiC颗粒尺寸的增加而减小.     

超高韧性水泥基复合材料延性断裂性能评价准则的试验研究

该文研究了超高韧性水泥基复合材料的断裂性能评价准则。对纤维体积掺量为1。5%、2。0%与2。5%的超高韧性水泥基复合材料试件进行了弯曲断裂试验,基于非线性断裂力学,应用双J参数评价其断裂性能,并分析了其J_R阻力曲线。结果表明,该材料的弯曲断裂表现出延性特征。应用双J参数评价该材料的断裂性能,当流入裂缝塑性区的能量大于起裂断裂能J_IC时,裂缝出现;随后,裂缝稳定扩展;当流入塑性区能量大于失效断裂能J_IF时,局部裂缝出现,材料进入失稳发展阶段。该材料的J_R阻力曲线存在三阶段线性关系,分别以宏观裂缝出现点与主裂缝局部化点为分界点。在UHTCC的变形稳态发展阶段,相同面积的裂纹发展量消耗的能量相同。     

尼龙基导热复合材料制备与性能研究

以PA6为基体树脂,不同粒径氮化硼(BN)、碳纤维(CF)复配作为基体填料,经熔融混炼模压成型制得高导热复合材料。利用热流法导热系数测试仪(DRL-II)、动态热机械分析仪(DMA)、扫描电子显微镜(SEM)、热变形温度试验机、热重分析仪(TG)对复合材料的储存模量、导热性能、微观结构、热变形温度和热稳定性能进行了表征。结果表明:碳纤维和氮化硼均匀分散在基体树脂中,不同粒径复配的氮化硼能更好的提高复合材料的导热性能。碳纤维的加入不仅增加复合材料的拉伸强度,同时起到基体内部导热网链的串联作用,基体导热性能进一步提高,制得的复合材料导热系数达到2.307W/(m·k),为纯尼龙导热系数的近十倍,复合材料的热变形温度为179.8℃。     

高温作用对混杂纤维增强高延性水泥基复合材料拉伸性能的影响

高温是高延性水泥基复合材料(HDCC)在使用阶段可能遇到的最不利工况之一,但是目前对于HDCC高温性能的研究较为有限。对比研究了聚乙烯醇(PVA)纤维HDCC材料(PVA-HDCC)、钢纤维/PVA纤维混杂HDCC材料(HyHDCC-A)以及钢纤维/PVA纤维/碳酸钙晶须混杂HDCC材料(HyHDCC-B)在常温以及200、400、600和800℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-HDCC的拉伸应变硬化能力,而引入碳酸钙晶须适量替代PVA纤维可以提高材料的拉伸强度、拉伸韧性,改善其应变硬化行为。高温对PVA-HDCC、HyHDCC-A与HyHDCC-B的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-HDCC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyHDCC-A与HyHDCC-B拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;碳酸钙晶须虽然可以提高HyHDCC-B高温作用后的拉伸强度值和拉伸韧性值,但并没有进一步减缓拉伸强度和拉伸韧性随温度的衰减速率。     

碳纤维增强SiO2气凝胶复合材料的制备及保温性能研究

以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体,无水乙醇和去离子水为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂气凝胶,再以不同含量(0,1%,3%和5%（质量分数）)短切碳纤维为增强材料,在胶凝完成后,经过表面改性,采用常压干燥工艺,制备了碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料。采用XRD、SEM、FT-IR和孔径测试等方法对制备所得复合材料的微观结构、形貌、孔径分布和导热性能进行了测试分析。结果表明,碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料为典型的非晶态结构,属于毛细凝聚特征的介孔材料,碳纤维的掺杂并没有改变SiO₂气凝胶的晶态结构;未掺杂碳纤维的SiO₂气凝胶的颗粒相互堆搭,掺入碳纤维的SiO₂气凝胶颗粒的孔隙明显减小,孔洞结构较为完整,碳纤维的掺入填充了大尺寸孔隙,有助于气凝胶孔径分布区间的收窄,当碳纤维的含量为3%（质量分数）时,颗粒分布最佳;随着碳纤维含量的增加,复合材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势,当碳纤维的含量为3%（质量分数）时,样品的导热系数最低为0.019 W/（...     

石墨烯/水泥基复合材料的制备与性能

采用机械球磨法制备石墨烯(Graphene),分别使用马尔文激光粒度仪(Zetasizer Nano ZS)、XRD、SEM等技术手段对其进行结构表征与分析。同时将制备得到的石墨烯与硅粉共同加入水泥中,并使用耐驰436导热仪和电液伺服压力试验机测试其导热性能和力学性能,探讨了石墨烯纳米片在水泥中的导热机理。实验结果表明:在有硅粉(SF)存在的条件下,当石墨烯掺量为0.5%wt时,复合材料的导热率为0.56W/(m·K),3d、7d和28d的抗压强度分别为34、46.2和58.4MPa,与空白样相比,导热率提高了60%,抗压强度分别提高了10.4%、15%和10.8%。硅粉辅助石墨烯在水泥中的分散,形成导热通路,提高了复合材料的导热性能。     

配筋聚乙烯醇纤维增强水泥复合材料梁的曲率延性

聚乙烯醇纤维增强水泥（Polyvinyl alcohol fiber reinforced cement,PVA/C）复合材料具有优越的受拉应变硬化特性,可显著提高结构的变形能力。本文以PVA纤维体积分数和受拉钢筋配筋率为研究参数,对6根配筋PVA/C梁和2根普通混凝土梁（RC）进行四点弯曲试验,并对其曲率延性进行了试验研究和理论分析。试验研究表明:配筋PVA/C梁的荷载-挠度（P-δ）关系曲线所包围的面积是C梁的1.64~2.43倍,证明配筋PVA/C梁有较好的持荷变形能力;在PVA纤维体积分数一定的情况下,试验梁的曲率延性系数随受拉钢筋配筋率的增大而减小;在受拉钢筋配筋率一定的情况下,配筋PVA/C梁的曲率延性系数是C梁的1.56~2.02倍,证明掺入PVA纤维显著提高了试验梁的延性。建立了配筋PVA/C梁曲率延性系数的计算公式,并分析了PVA纤维体积分数对受压区高度系数和曲率延性系数的影响,试验结果与计算结果吻合较好。      

生态型高延性水泥基复合材料的可适性设计理论与可靠性验证Ⅰ:可适性设计理论

目前,国内普遍使用多元化固体废弃物粉末和自主研发的高强高模合成纤维来制备生态型高延性水泥基复合材料(Ecological high ductility cementitious composites, Eco-HDCC)。然而,原有高延性水泥基复合材料经典设计理论中的理论判据与现有Eco-HDCC材料的实际情况不完全相符,已不能适用于这类多元复合Eco-HDCC材料的可靠性设计与性能调控,因此,迫切需要对该经典材料设计理论进行修正和优化。本研究引入纤维分散系数和主裂缝断面有效纤维体积率两个修正参数,重新限定四个控制参数的取值范围,对经典HDCC设计理论进行了优化修正,并通过测试典型配比Eco-HDCC的宏观力学性能、微观力学性能与纤维分散度,评价可适性设计理论的合理性。研究结果证明,当采用本研究修正后的可适性设计理论并将关键设计参数取值范围控制于0.75≤α~*≤1、V_(f,effect)1.5%、PSH_12.0、PSH_21.2时,Eco-HDCC材料可稳定实现高延性(单轴拉伸荷载下的极限应变超过2%)和多缝开裂的特性。本研究结果不仅可使采用多元化固体废弃物粉末和国内自主研发的高强高模PVA纤维制备的Eco-HDCC复合材料的设计过程更加有据可依、灵活可靠,而且能使其满足不同延性和性价比的工程需求,具有重要的理论意义和工程指导价值。     

水灰比对轻质水泥基泡沫材料性能的影响

通过物理引气法制备轻质水泥基泡沫材料,研究了水灰比对材料孔隙率、强度、导热系数及孔结构的影响。结果表明,孔隙率随着水灰比的增大而增大,但孔结构在水灰比大于0.9时劣化明显。材料抗压强度和导热系数受孔隙率和孔结构的综合影响。当水灰比由0.75增大至0.9时,"强度/表观密度"降低9.6%,导热系数减小25.6%。但当水灰比由0.9增大至0.95时,"强度/表观密度"降低幅度达到了18.5%,导热系数非但没有减小而是略有增大。通过SEM和Young-Laplace方程分析了水灰比对孔结构的影响规律,阐明了水灰比对水泥基泡沫材料性能的影响机理。     

轻质玻璃基复合材料的研制及性能分析

主要以废玻璃和铸造废砂为主要原料,添加适量发泡剂、助熔剂、稳泡剂为辅助原料,用粉末烧结法制备了轻质玻璃基复合材料,利用热差分析和扫描电镜测试技术对轻质玻璃基复合材料的微观表征进行了分析.     

双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型

基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。     

玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料的制备及性能研究

通过预混法制备了不同玻璃纤维(0%,3%,6%,9%质量分数)掺量的玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料,对该发泡材料的应力/应变、抗压强度、粉化率、导热系数和热稳定性等进行了分析。结果表明,随着玻璃纤维掺量的增加,玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料的应力/应变、抗压强度、质量损失率和热失重逐渐增大,粉化率逐渐降低,而导热系数无明显变化。当玻璃纤维的掺量为9%(质量分数)时,发泡材料的应变达到0.1,应力达到594 MPa,对应的抗压强度达到最大为497 MPa,与不掺杂玻璃纤维的样品相比提高了152.3%。当玻璃纤维的掺量从3%(质量分数)增加到6%(质量分数)时,发泡材料的粉化率降低了33.0%;当玻璃纤维的掺量从6%(质量分数)增加到9%(质量分数)时,发泡材料的粉化率降低了8.5%。4种玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料经过不燃性测试后,形貌和体积的变化不大,只是表面出现炭化现象,发泡材料的导热系数与玻璃纤维的掺量并无明显关系。     

高石蜡掺量相变水泥基复合材料的性能

为了提高相变水泥基复合材料中相变材料石蜡的掺量,引入造孔剂在基体中产生气孔,使部分石蜡填充到气孔中,增加液化石蜡的存储空间,减少石蜡渗出。研究了不同造孔剂掺量下石蜡含量对相变水泥基复合材料抗石蜡渗出性、力学性能和储热性能的影响规律。结果表明：当造孔剂掺量（与水泥基复合材料质量比）由0%提高至4%时,石蜡在相变水泥基复合材料中不渗漏的掺量（与水泥基复合材料质量比）由5.0%提高至7.2%,抗压强度降低幅度较大。造孔剂和石蜡的最佳掺量分别为2%和5.8%。随着石蜡掺量的增加,相变水泥基复合材料储热性能提高,同时,造孔剂产生的气孔隔热保温效果也有助于相变水泥基复合材料板外壁和内壁最高温度温差的增加及测量体系内腔最高温度的下降。