纤维对开裂后混凝土渗透性及裂缝恢复的影响

通过劈裂试验和渗透试验,研究了结构型钢纤维、聚丙烯粗纤维和聚丙烯细纤维对开裂后混凝土的裂缝恢复率、劈裂韧性和渗透系数的影响。研究结果表明:钢纤维和聚丙烯粗纤维的掺入可限制裂缝扩展,使混凝土由脆性破坏转为韧性破坏,提高开裂混凝土在卸载后裂缝的恢复作用,显著减小开裂后混凝土的渗透系数。钢纤维掺量越高,裂缝恢复和渗透性降低越明显,钢纤维掺量由25kg/m~3增加至55kg/m3时,渗透系数减小了87%。钢纤维和聚丙烯粗纤维的掺入具有较好的正混杂效应,当裂缝宽度为150μm时卸载,单掺25kg/m~3钢纤维和4kg/m~3聚丙烯粗纤维与单掺35kg/m~3钢纤维相比,渗透系数减小了60%。而聚丙烯细纤维对开裂混凝土的裂缝恢复和渗透性影响较小。     

结构型纤维对混凝土弯曲韧性和裂缝表面形态的影响

为了研究结构型聚丙烯纤维、结构型钢纤维及混杂纤维(包括结构型聚丙烯纤维和结构型钢纤维)对混凝土弯曲韧性及裂缝表面形态的影响,参照RILEM TC 162-TDF[10]标准进行混凝土开口梁的三点弯曲试验。利用激光扫描仪对每个试件裂缝表面形态进行信息采集。基于裂缝表面信息,计算了四种裂缝表面粗糙程度参数(即裂缝粗糙度(R_N)、分形维数(D)、z坐标正态分布的标准差(σ_z)和裂缝曲折度(τ)),并比较分析了裂缝表面粗糙程度参数与弯曲韧性参数之间的相关性。研究表明:随着纤维掺量的增多,混凝土弯曲韧性和裂缝表面粗糙程度均随之增大。与结构型聚丙烯纤维和结构型钢纤维相比,混杂纤维在提高混凝土弯曲韧性和增大混凝土裂缝表面粗糙度方面均展现出正混杂效应。与分形维数D、z坐标正态分布标准差σ_z和裂缝曲折度τ相比,裂缝粗糙度R_N与纤维增强混凝土梁弯曲韧性参数的相关性最为显著,且存在指数函数关系。基于该函数关系,可借助纤维增强混凝土梁的弯曲试验快速估测裂缝表面的粗糙程度。      

不同导电相对混凝土裂缝智能化自监测的灵敏度与噪声水平的影响

采用四电极法测量了弯曲荷载作用下智能混凝土梁受拉侧裂缝扩展过程的电阻变化率(ρ_FCR)，对比了碳黑（CB）、钢纤维（SF）、碳纤维（CF）不同组合及掺量对裂缝自监测灵敏度系数(K)的影响；并基于分形理论研究了归一化处理后的电阻变化率-裂缝扩展宽度曲线(ρ’_FCR-w’_COD)的粗糙程度，以反映不同导电材料对监测信号电阻变化率-裂缝扩展宽度曲线(ρ_FCR-w_COD)噪声水平的影响。研究表明:用线性函数拟合混凝土裂缝智能化自监测信号ρ_FCR-w_COD曲线的效果较好，K可用拟合直线的斜率来表征；随着SF掺量的增加，试件的K随之减小；双掺SF与纳米CB试件表现出最佳的裂缝智能化自监测性能，适量纳米CB的掺入对混凝土裂缝监测的K值有提升作用，同时可降低ρ’_FCR-w’_COD曲线的噪声水平，随着CB掺量的增加，试件的K值呈现先增后减、分形维数D值呈先减后增的规律，纳米CB的最佳掺量为1.0~1.5 kg/m3；CF的掺入对K值有一定的负面影响，但掺入CF的试件裂缝监测信号D值随导电相掺量变化而变化的程度不大。      

纤维对混凝土裂缝宽度、曲折度及渗透性的影响

为研究不同纤维（钢纤维（SF）、聚丙烯长纤维（Macro-PP）、聚丙烯短纤维（Micro-PP））对荷载作用下带裂缝混凝土渗透性能的影响,通过劈裂试验引入不同宽度的结构裂缝（50~200 μm）,比较不同纤维对卸载后混凝土裂缝宽度及曲折度的影响。利用自主研发的渗透装置,分析了不同纤维类型、掺量及混杂方式对荷载作用下不同裂缝宽度混凝土渗透性的影响。研究发现:单掺55 kg/m3 SF比25 kg/m3渗透系数降低95.7%。与单掺SF相比,SF和Macro-PP的掺入具有正混杂效应;Micro-PP与SF混杂体系中渗透系数基本无变化,研究表明Micro-PP对结构裂缝间桥接作用甚微,对渗透性的作用不明显。SF和Macro-PP可有效限制裂缝的扩展,增大表面曲折度,降低开裂后混凝土的渗透性。      

聚丙烯纤维对混凝土损伤渗透特性的影响

为研究损伤开裂后聚丙烯纤维/混凝土(PPF/PC)的渗透特性,通过圆盘劈裂试验预制了不同宽度的裂缝(100~400 μm),比较了PPF掺量对裂缝曲折度的影响。利用自行设计的渗透试验装置对混凝土损伤后的渗透率进行了研究,分析了不同PPF掺量、不同水压力下混凝土的损伤渗透率的变化规律。通过研究发现,加入PPF后,混凝土脆性较低,内部裂缝更易控制,裂缝曲折度相对于PC更高,且与PPF掺量成正比;相同水压力,相同有效裂缝宽度条件下,随着PPF掺量的增加,混凝土损伤渗透率降低,PPF的存在能够有效提高混凝土损伤后的抗渗性能;相同水压力下,相同PPF掺量的混凝土试件损伤渗透率整体上与有效裂缝宽度成正比;不同水压力下,相同PPF掺量的PPF/PC损伤渗透率在同一有效裂缝宽度情况下,随水压力增加而减小;修正后的泊肃叶渗流模型可以更好地评价PPF/PC损伤渗透特性。      

玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性的影响

为促进废弃煤矸石在寒冷地区的建材资源化利用,研究了煤矸石陶粒作为粗骨料对混凝土抗冻性能的影响,探究了玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性能提升的效果。试验共设计了4种类型混凝土,纤维体积掺量分别为0%,0.1%,0.2%和0.3%。采用快速冻融循环试验,比较了纤维掺入对基体动弹性模量的影响规律,同时,利用图像识别技术引入分形维数定量表征试件冻融损伤程度。之后,开展了毛细吸水试验,对比了冻融损伤后基体的累积吸水量和毛细吸水系数的变化规律。结果表明,玄武岩纤维的加入能显著提高煤矸石陶粒混凝土的抗冻性能。随着纤维掺量的增加,煤矸石陶粒混凝土的动弹性模量损失率降低,基体表面冻融剥蚀明显缓解,引入分形维数可以定量地分析煤矸石陶粒混凝土外观形貌的变化规律。冻融损伤后,基体毛细吸水能力显著提高,而在相同的冻融循环下,基体的毛细吸水能力随着玄武岩纤维掺量的增加而降低。     

基于分形理论的CFRP布增强混凝土梁抗弯性能研究

在实验室模拟酸雨腐蚀环境,完成了普通混凝土梁与CFRP布增强混凝土梁的抗弯试验,得到了各级荷载作用下构件表面裂缝的分布与演化过程,验证了受腐蚀CFRP布增强混凝土梁表面裂缝分布的分形特征。基于分形理论分析了受腐蚀混凝土梁在弯曲荷载作用下的开裂及破坏过程,详细讨论了梁表面裂缝的分形维数与其抗弯性能参数(损伤深度、混凝土强度、一阶频率、极限承载力、跨中挠度、位移延性系数)之间的关系。研究表明裂缝分形维数随着损伤深度的增加而减小,CFRP布增强混凝土梁的分形维数大于普通混凝土梁,其分形维数变化率与构件承载力变化率之间存在线性关系;因此梁表面裂缝分布的分形特征可作为CFRP布增强混凝土受弯构件损伤程度的衡量指标的观点,可为今后对“在役混凝土结构承载力和寿命预测的研究”提供参考。     

玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响

为研究玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响,以纤维长度及纤维体积掺率为变化参数,对纤维长度分别为12mm和30mm,纤维体积掺率分别为0.1%和0.2%的4根纤维混凝土梁和1根对比梁进行静载试验,试验中对纤维混凝土梁开裂荷载、裂缝宽度以及挠度进行监测。结果表明:与普通钢筋混凝土梁对比,玄武岩纤维混凝土梁的开裂荷载显著增大,且裂缝宽度发展更为缓慢,相同荷载作用下的裂缝宽度和跨中挠度显著减小,其主要原因是玄武岩纤维改善了混凝土梁的抗裂和阻裂性能,提高了梁的整体刚度。     

高韧性混凝土拉伸荷载下的裂缝控制能力研究

通过分析纤维在水泥基体中的界面连接应力,建立了高韧性混凝土的多缝开裂模型。基于开裂模型分析了摩擦粘结强度、化学粘结强度、基体开裂强度和纤维弹性模量单独变化时对高韧性混凝土多缝开裂区结束时的应变和裂缝宽度的影响。分析结果表明:随着摩擦粘结强度的增加,多缝开裂区结束时的应变和裂缝宽度减小;随着化学粘结强度的增加,多缝开裂区结束时的应变增加而裂缝宽度减小;随着基体开裂强度的增加,多缝开裂区结束时的应变和裂缝宽度均增大;随着纤维弹性模量的增加,多缝开裂区结束时的应变和裂缝宽度减小。通过对带切口试件的直接拉伸试验,研究了高韧性混凝土在存在初始缺陷情况下的裂缝控制能力。试验结果表明,初始缝高比为0.2时,试件切口处的极限应力为5.3 MPa,非切口处的极限应力为4.3 MPa,整个试件范围内出现了多缝开裂,且裂缝宽度控制在0.1 mm以内。初始缝高比为0.4时,试件切口处的极限应力为5.8 MPa,非切口处的极限应力为3.5 MPa,裂缝面上的纤维未能有效控制裂缝的发展,试件仅在切口附近出现了多条围绕切口的弧形裂缝。     

短切纤维及预应力对玄武岩织物增强水泥基复合材料拉伸力学性能的影响

通过静态拉伸试验研究不同体积掺量的短切碳纤维、钢纤维、耐碱玻璃纤维及预应力对5层玄武岩织物增强水泥基复合材料(BTRC)拉伸性能的影响。试验结果表明:短切碳纤维、玻璃纤维可以提高基体和BTRC的开裂强度,且开裂强度随着碳纤维掺量的增加而增加;预应力使基体产生预压力,明显提高其开裂强度。短切纤维及预应力都显著提高BTRC的峰值荷载和韧性,但峰值应变基本不变;峰值荷载和韧性随着钢纤维掺量的增加而增加,体积分数为1.5vol%掺量时达到最大值;随着碳纤维掺量增加,峰值荷载和韧性先增加后减小,体积分数为1.0vol%掺量时最大。施加预应力且掺入短切碳纤维或钢纤维时,短切纤维增强的基体可以更好地承受张拉力释放后纤维束径向变形引起的环向应力,进一步提高了织物与基体界面的挤压作用力及摩擦力,从而增强效果最明显,峰值荷载分别增加50.4%和58.9%,韧性分别增加84.7%和79.5%。BTRC材料掺入短切玻璃纤维、钢纤维及施加预应力均可以增加其受力后的裂缝条数,减小裂缝间距和裂缝宽度。     

纤维对混凝土的损伤、裂缝曲折度及裂缝恢复的影响

通过混凝土圆饼劈裂试验预制准确宽度的裂缝,研究了钢纤维（SF）、聚丙烯（PP）长纤维对荷载作用下混凝土的损伤、裂缝曲折度及裂缝恢复率的影响。使用数码显微镜（Supereyes）和Image Pro Plus图像处理软件对不同位置裂缝实际宽度进行测量。通过测量劈拉作用下穿过圆饼试件的超声波速,分析、对比了各组试件超声波速与裂缝宽度、损伤变量因子之间的关系。研究表明:纤维的桥接作用使裂缝扩展得以控制,同时提高了卸载时的裂缝恢复程度和裂缝曲折度。SF掺量为55 kg/m3的混凝土试件比SF掺量为25 kg/m3的混凝土试件,曲折度增加26.9%,混杂使用PP长纤维和SF对提高混凝土裂缝表面曲折度有显著的正混杂效应。桥接于裂缝处的SF有利于超声波的传播,减缓超声波速损失。超声波速随着裂缝宽度的增加而逐渐降低、且与裂缝之间存在较好的指数关系,可用于表征混凝土内部裂缝的扩展。      

Permeability of cracked concrete

The goal of the research presented here was to study the relationship between cracking and water permeability. A feedback-controlled test was used to generate width-controlled cracks. Water permeability was evaluated by a low-pressure water permeability test. The factors chosen for the experimental design were material type (paste, mortar, normal and high strength concrete), thickness of the sample and average width of the induced cracks (ranging from 50 to 350 micrometers). The water permeability test results indicated that the relationships between permeability and material type differ for uncracked and cracked material, and that there was little thickness effect. Permeability of uncracked material decreased from paste, mortar, normal strength concrete (NSC) to high strength concrete (HSC). Water permeability of cracked material significantly increased with increasing crack width. For cracks above 100 microns, NSC showed the highest permeability coefficient, where as mortar showed the lowest one.     

双相钢疲劳断口的分形分析

本文研究了双相钢疲劳门槛值与门槛值附近断口形貌和分形维数的关系。初步实验结果表明:分形维数基本上能反映断口粗糙度。发现门槛值随分形维数呈线性变化,门槛值、分形维数和粗糙度都随马氏体含量呈抛物线型变化。     

Effect of flexure induced transverse crack and self-healing on chloride diffusivity of reinforced mortar

Cracks in reinforced concrete are unavoidable. Durability is of increasing concern in the concrete industry, and it is significantly affected by the presence of cracks. The corrosion of reinforcing steel due to chloride ions in deicing salts or sea-water is a major cause of premature deterioration of reinforced concrete structures. Although, it is generally recognized that cracks accelerate the ingress of chlorides in concrete, a lack of consensus on this subject does not yet allow reliable quantification of their effects. The present work studies the relationship between crack widths and chloride diffusivity. Flexural load was introduced to generate cracks of width ranging between 29 and 390 μm. As crack width was increased, the effective diffusion coefficient was also increased, thus reducing the initiation period of corrosion process. For cracks with widths less than 135 μm, the effect of crack widths on the effective diffusion coefficient of mortar was found to be marginal, whereas for crack widths higher than 135 μm the effective diffusion coefficient increased rapidly. Therefore, the effect of crack width on chloride penetration was more pronounced when the crack width is higher than 135 μm. Results also indicate that the relation between the effective diffusion coefficient and crack width was found to be power function. In addition, a significant amount of self-healing was observed within the cracks with width below 50 μm subjected to NaCl solution exposure. The present research may provide insight into developing design criteria for a durable concrete and in predicting service life of a concrete structures.     

中空纤维膜表面结构对脱氧效率的影响

采用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜对水中的溶解氧进行了脱氧研究,考察了膜表面结构对脱氧效率的影响。通过改变内凝固浴的组成来改变膜的表面结构。在测定脱氧效率的同时,对不同内凝固浴下的中空纤维膜内表面结构进行了场发射电镜扫描(FE-SEM),并分别测定了中空纤维膜的孔径、透气系数以及力学性能。结果表明,随着内凝固浴中溶剂DMAc含量的增大,膜内表面开孔结构变大,表面变得粗糙,这种结构使得膜的透气系数增大,传质系数和脱氧效率提高。     

金属材料表面静摩擦学特性的预测研究——理论模型

对分形几何理论进行了改进,在此基础上建立了法向载荷、最大静摩擦力、静摩擦系数的改进分形模型。通过中间自变量实际接触面积,构建了金属材料结合面静摩擦学特性的预测模型。计算和分析表明：静摩擦系数随着法向载荷或材料特性的增大而微凹弧式增大,但随着分形粗糙度的增加而微凹弧式减小;当分形维数较小时,静摩擦系数随着分形维数的增加而增加;但当分形维数较大时,静摩擦系数随着分形维数的增加而减小;在双常用对数坐标系统下,最大静摩擦力与法向载荷大多呈现出线性正比的关系;分形几何理论适用于法向载荷极小的情况。