玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的耐久性研究

确定了玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的最优配合比,将玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料与普通C40混凝土在相同条件下进行耐久性对比实验。结果表明,玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料在300次冻融循环后,质量损失不到1.5%,而在不到150次冻融循环中,普通C40混凝土的质量损失已接近5%;混杂纤维水泥基材料28和56 d的渗透系数为普通C40混凝土的53%和26%,混杂纤维水泥基材料具有较强的抗渗透能力,抗渗性随着龄期增长逐渐增强;碳化时间<28 d时,混杂纤维水泥基材料的碳化深度大于普通C40混凝土,但碳化时间56 d时,混杂纤维水泥基材料的碳化深度为普通C40混凝土的90%;混杂纤维水泥基材料28和56 d的电通量分别为普通C40混凝土的65%和49%,混杂纤维水泥基材料的抗氯离子性能明显高于普通C40混凝土。玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的各项耐久性指标均优于普通C40混凝土。     

钢纤维和微纤维混合增强混凝土的制备和性能研究

采用钢纤维分别与玄武岩微纤维、聚乙烯醇微纤维、玻璃微纤维混合制备增强混凝土,研究了钢纤维和微纤维混合对混凝土试样的密度、抗压强度、单轴抗拉性能的影响,并分析了混凝土断裂失效机理。结果表明,微纤维的种类不会影响混凝土材料硬化密度。微纤维的长度可以影响混凝土的抗压强度,经过28 d抗压强度测试,发现掺杂玄武岩微纤维、聚乙烯醇微纤维的混凝土抗压强度较基准钢纤维混凝土分别提高了15.4%和14.6%;而掺杂玻璃微纤维的混凝土抗压强度较基准钢纤维混凝土则降低了2.1%。微纤维材料自身的抗拉强度可影响增强混凝土的抗拉性能,掺杂玄武岩微纤维、聚乙烯醇微纤维的混凝土抗拉强度和极限拉伸应变均提高了,而掺杂玻璃微纤维的混凝土却降低了。相比聚乙烯醇微纤维和玻璃微纤维,玄武岩微纤维与钢纤维混合增强混凝土的综合性能最优,其断裂过程中,钢纤维失效方式为纤维拔出,玄武岩微纤维失效方式为纤维断裂。     

纤维掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料动态压缩性能的影响

为探究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的动态本构关系及纤维体积掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVAFRCC)动态力学性能的影响,基于Φ80 mm霍普金森压杆(SHPB)装置分别对不同纤维体积分数(Ovol%、0.5vol%、1vol%、1.5vol%、2vol%)的PVAFRCC试件进行冲击压缩试验,得到各类型材料在不同应变率下的应力-应变曲线。结果表明:在约110～270 s~(-1)的应变率范围内,与纤维掺量0vol%的基体(PVAFRCC-0)相比PVA纤维的掺入对动态强度增强因子(μ_(DIF))、冲击韧性和抗破碎能力有明显提高作用,并随纤维掺量的增加而进一步增强;掺2vol%PVA纤维UHTCC(即PVAFRCC-2)试件的μ_(DIF)和冲击韧性与基体相比分别提高了约33%～37%和27%～33%,其破碎产物的平均粒径是基体破碎产物的5.9～6.8倍。基于Weibull分布理论提出了适用于掺2vol%PVA纤维UHTCC试件的动态压缩本构模型。     

纤维及矿物掺合料对煤矸石混凝土力学性能的改性研究

以煤矸石全替代普通混凝土中粗骨料的煤矸石混凝土为基础,研究不同体积掺量的聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)及钢(ST)纤维对其力学性能的影响。选取最优力学性能下的纤维种类与掺量,继而探求其对单掺粉煤灰及粉煤灰/矿粉复掺替代部分水泥时的煤矸石混凝土力学性能的改性作用,得出最佳改性煤矸石混凝土配合比。结果表明,PVA、PP纤维掺量过多抑制了煤矸石混凝土的强度发展,存在最佳掺量,ST纤维在体积掺量为2%时,相较其他组可以最大幅度提高煤矸石混凝土的力学性能,其中对混凝土劈裂抗拉强度具有最佳改性效果。随着粉煤灰替代率的增加,降低了煤矸石混凝土的强度,30%替代率下粉煤灰/矿粉掺比为1∶2时煤矸石混凝土出现了矿物掺合料替代组合中的强度峰值,2%体积掺量的ST纤维对此时煤矸石混凝土改性后,使其达到了最优力学性能。     

PVA纤维混凝土在高等级公路桥面铺装设计中的应用

高等级公路桥面铺装工作环境复杂,对混凝土韧性及抗裂性能有较高要求。PVA纤维混凝土可以有效地增强水泥基材的韧性提高基材的抗拉、抗折强度,并能很好的解决混凝土的耐久性问题。本文介绍分析了PVA纤维混凝土的特性,并从断裂力学的基本原理分析了材料的阻裂机理。最后结合工程实例,从生产与施工工艺等方面介绍了PVA纤维混凝土在高等级公路桥面铺装设计中的应用。     

聚乙烯醇在高性能水泥基材料中的作用机理分析

为了探讨聚乙烯醇(PVA)在高性能水泥基材料中的作用机理,试验研究了在不同水胶比(W/B)和聚胶比(P/B)时,聚乙烯醇对抗压强度和抗折强度的影响,并通过红外光谱和X射线衍射分析了聚乙烯醇(PVA)粉体在高性能水泥基材料中的作用机理.试验结果表明:掺入适量的聚乙烯醇(PVA)可以明显提高高性能水泥基材料的强度,存在一个最佳的聚乙烯醇(PVA)掺量;在本试验条件下,在聚胶比(P/B)为2.5%时,强度最高,其抗压强度和抗折强度分别达到113.6MPa和23.0MPa;红外光谱和X射线衍射分析表明,聚乙烯醇(PVA)参与了水泥的水化,形成的化学键增强.     

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料的弯曲性能研究

本工作研究了聚乙烯醇-玄武岩纤维混杂应变硬化水泥基复合材料(PB-SHCC)的弯曲性能。水泥基体材料水胶比为0.25,混杂体系中聚乙烯醇纤维分别为体积含量的1.5%和1.7%,再混杂一定体积含量的玄武岩纤维,制备成聚乙烯醇-玄武岩纤维混杂应变硬化水泥基复合材料,标准养护28 d后对该复合材料进行三点弯曲试验。结果表明,PB-SHCC具有弯曲应变硬化的特性,弯曲挠度较单掺体系会有所削弱,但削弱程度不大,仍具有较高的延性;玄武岩纤维的掺量在0.1%～0.3%以及0.8%～1.0%时,均利于复合材料的初裂强度及抗弯强度的提高。此外,本工作基于ASTM C1018和JSCE-SF4标准,改进并定义了弯曲韧性指数和弯曲韧性因子,能够简洁有效地评价SHCC材料的弯曲韧性,且两类指标吻合性较好。     

纤维增强水泥基复合材料的动力拉伸性能研究

采用分离式霍普金森杆对聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PRCC)、基体材料、不同相对掺量的钢纤维和PVA纤维混合增强水泥基复合材料(HFRCC)进行了四种不同应变率下的动态劈拉试验,通过对材料的劈拉强度、能量吸收和破坏形态等方面的对比分析,探讨了三种材料的动力拉伸性能,结果表明材料表现出应变率敏感性,随着应变率的提高,动态劈拉强度和能量吸收能力相应增加。HFRCC对基体材料的劈拉强度提高可达到34%,而PRCC材料提高约20%。PVA纤维对材料的耗能能力的影响比钢纤维具有更强的应变率敏感性。钢纤维掺量占总纤维掺量25%的HFRCC材料耗能能力比PRCC略低5%,而钢纤维掺量达到总纤维掺量的62.5%时,HFRCC材料的耗能能力比PRCC的耗能能力显著提高。HFRCC在动态劈拉强度和能量吸收能力方面更加均衡,具有更好抵抗冲击的能力。     

天然纤维/环氧树脂-混凝土的力学性能及老化规律天然纤维/环氧树脂-混凝土的力学性能及老化规律

环氧树脂-混凝土是由混合树脂、固化剂和砂石骨料等原料固化成型的一种复合材料,因其优异的性能已成为土木与建筑应用中富有潜力的新型工程材料。本文将高性能的天然纤维（剑麻和苎麻）引入环氧树脂-混凝土中,以进一步增强其力学性能。实验结果表明,极少含量的天然纤维便能够提升环氧树脂-混凝土的抗弯拉强度,体积分数为0.36vol%的剑麻纤维和苎麻纤维可以将混凝土的抗弯拉强度分别提高10.5%和8.4%。天然纤维对环氧树脂-混凝土抗弯拉强度的增强效应可以用基于混合率的并联模型描述,模型预测结果与实测结果相比,相对误差低于5.1%。利用紫外光耐气候试验箱模拟华南地区自然环境的日照辐射和湿热条件,研究了天然纤维/环氧树脂-混凝土抗弯拉性能随老化时间的衰减。当等效老化时间为6年时,天然纤维/环氧树脂-混凝土的抗弯拉强度分别下降了14.3%（剑麻纤维）和15.9%（苎麻纤维）。实验观察到的衰减规律可采用复合材料湿热老化的剩余强度模型描述。      

废橡胶纤维增强混凝土的制备及力学性能研究

以废橡胶纤维和硅灰的含量为变量,制备了废橡胶纤维增强混凝土。探究了单一水灰(w/c)比为0.45,不同比例废橡胶纤维(0～25%(质量分数))替换细骨料,硅灰(0,5%(质量分数))替换水泥的情况下,废橡胶纤维增强混凝土的可加工性、抗压强度、密度和弹性模量等力学性能,通过SEM和EDS分析,研究了废橡胶纤维混凝土的显微形貌及元素分布情况。结果表明,混凝土的可加工性不受废橡胶纤维添加量的明显影响;随着废橡胶纤维替换细骨料比例的提高,两种废橡胶纤维混凝土(无硅灰和硅灰5%(质量分数))的抗压强度、密度和弹性模量均逐步降低;而相比无硅灰加入的混凝土试样,加入5%(质量分数)硅灰试样的抗压强度、密度和弹性模量都有不同程度的提高,说明5%(质量分数)硅灰的掺入,加强了废橡胶与水泥基体之间的粘结,提高了混凝土的刚度,使材料更加不易发生变形,耐久性能更好。SEM和EDS分析表明,废橡胶纤维和混凝土结合并不牢固,两种材料相互之间润湿性较差,界面结合力学性能较低;废橡胶纤维含有微量的硫和锌,从而加剧了废橡胶纤维与混凝土粘结剂之间润湿性较差的问题。     

多尺度纤维增强水泥基复合材料力学性能试验

基于水泥基材料多尺度的结构特征及破坏过程,设计了一种由钢纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维以及碳酸钙晶须构成的多尺度纤维增强水泥基复合材料（MSFRCC）,研究了其抗压强度、抗弯强度、弯曲韧性、多缝开裂形态以及断裂过程等基本力学性能。结果表明：基体材料的强度和韧性均得到了显著提高;MSFRCC在弯曲荷载作用下表现出了硬化行为和多缝开裂模式。扫描电子显微镜和断裂试验结果证实了多尺度纤维在水泥基复合材料破坏过程中发挥了多尺度阻裂作用。研究认为：通过对纤维进行多尺度组合设计,可以显著改善水泥基复合材料的韧性,廉价的碳酸钙晶须可以适量取代钢纤维和PVA纤维。     

热-力耦合作用下PVA纤维混凝土力学性能及其声发射响应

通过MTS电液伺服材料测试系统及其配套的实时高温炉,对基准混凝土、聚乙烯醇(PVA)纤维混凝土进行了热-力耦合作用下的试验,同时采用声发射技术对试验过程进行了全程监测。探讨了PVA纤维的掺入对热-力耦合作用下混凝土力学性能和声发射特性的影响。研究表明:混凝土的受压破坏不是瞬间完成的,而是由其内部微细裂纹的闭合、张开、发展、汇集,最后连通形成较大的宏观裂缝所致;400℃是PVA纤维混凝土强度发生转折的温度;PVA纤维混凝土的峰值强度剩余率比对应温度段基准混凝土高,PVA纤维的掺入可以延缓混凝土的强度劣化,并增强混凝土的延性;PVA纤维混凝土声发射信号的频度和强度比基准混凝土高,PVA纤维混凝土的能量累计计数高于基准混凝土,说明PVA纤维的掺入可以提高高温下混凝土抵抗破坏的能力。     

不同胶凝材料的精细混凝土高温后力学性能

为了改善用于纤维编织网增强混凝土基体材料的精细混凝土的耐高温性能,该文进行了120个40mm×40mm×160mm棱柱体的高温后抗折强度试验和240个40mm×40mm×40mm立方体的高温后抗压强度试验。考察了不同胶凝材料对精细混凝土试件高温后力学性能的影响,包括外掺纳米材料以及以高铝水泥作为主要胶凝材料的影响。结果表明:体积掺量为1.5%和3.0%纳米Si O2气凝胶粉末未能改善精细混凝土的耐高温性能,质量掺量为5.0%纳米陶瓷粉在目标温度TR=800℃时使基体混凝土的抗压和抗折强度分别提高84.2%和120.9%。当TR=800℃时,采用高铝水泥作为主要胶凝材料的试件力学性能均比普通精细混凝土试件大幅提高;各组掺入活性粉末的高铝水泥混凝土试件在TR=800℃时,相对抗压和抗折强度均比未掺活性粉末时有所提高。     

垃圾炭混凝土性能及生态效益研究

城市生活垃圾的急剧增加和水泥行业的高耗能、高污染带来了严重的环境问题。生物炭替代一定量水泥制备混凝土具有增强混凝土工作性能和强度的特性。研究用0%、1%、3%、5%、7%、9%、15%和20%质量百分比的垃圾生物炭(简称垃圾炭)替代水泥,制造胶砂和C35、C40混凝土,研究其工作性能和力学性能,采用SEM和FT-IR表征垃圾炭混凝土水化产物的微观结构,评价其生态效益。结果表明,垃圾炭替代水泥使水泥基材料的流动性下降;垃圾炭替代率为5%内时,力学性能增强,最高可提升混凝土10%的抗压性能和7%的劈裂抗拉性能;垃圾炭替代率在9%以内时,混凝土力学性能均优于规定的最低使用标准;垃圾炭替代率为15%～20%时,垃圾炭混凝土力学性能下降,但仍可作为低标号混凝土使用。垃圾炭混凝土若在全国城市推广,每年可处理垃圾约1.8亿吨,减少1.1亿吨CO_2排放量,节约358亿元成本,生态效益和经济效益可观。     

钢筋混凝土框架结构阻尼模型研究

以往建筑结构的阻尼通常从宏观上把握,阻尼矩阵以Rayleigh阻尼的不同拓展形式为主,其物理意义并不明确。依据混凝土材料的Kelvin粘弹性阻尼模型,经结构动力学分析,推导建立了弹性阶段剪切型钢筋混凝土框架结构阻尼矩阵与混凝土材料粘滞系数之间的关系,并给出了比例阻尼矩阵的判别准则。然后利用纤维增强混凝土的阻尼测试结果进行了算例分析,给出了10层复合纤维增强阻尼钢筋混凝土框架结构阻尼矩阵的具体表达式和一阶模态阻尼比,结果表明此结构阻尼矩阵不仅可像结构质量、结构刚度一样定量把握,且其物理意义明确;相比于普通混凝土框架,各复合纤维增强阻尼混凝土框架的一阶模态阻尼比有了较大的提高,其主要原因在于纤维的掺入增加了纤维与水泥基材的界面摩擦力,而乳胶的阻尼增强机理在于聚合物分子在外力作用下的内耗增加了普通混凝土的阻尼能力。     

基于PVA纤维-基体界面性能分析水泥基材料的弯曲性能

通过调整水胶比形成三种配比的聚乙烯醇纤维增强水泥基材料(PFRCC),应用单纤维拔出试验测定了PVA纤维-水泥基体界面参数(化学脱粘能Gd和摩擦粘结强度τ0),发现水胶比增加,界面性能参数Gd、τ0均降低;应用三点弯曲试验获得了材料的弯曲韧度和强度,基于PVA纤维-基体界面性能分析,并结合断裂面处PVA纤维宏观影像和微观的扫描电镜(SEM)影像,研究了界面性能对材料弯曲性能的影响。结果表明:低水胶比下由于裂缝处高的应力和界面处纤维与水泥基体高的化学粘结力使大量桥接裂缝的纤维瞬间断裂而失效,导致材料的弯曲韧度和从开裂到弯曲材料强度的增幅较小;中水胶比下裂缝处纤维脱粘后滑动并受摩擦粘结强度作用被严重刮削;高水胶比下裂缝处大量纤维由于界面处低的化学粘结力被拔出,而且拔出的纤维在滑动过程中由于低的摩擦粘结强度被轻微刮削,故桥接裂缝的纤维经历长的滑动,宏观上呈现出高的弯曲挠度特征,因而材料的弯曲韧度和强度的增加幅度显著提高。     

早强型水下不分散水泥基复合材料的性能优化设计

针对严酷服役环境条件中水下混凝土抗拉变形能力差、开裂引发的一系列病害，在水泥浆体中掺入抗分散剂UWB-Ⅲ、粉煤灰、减水剂、速凝剂、聚乙烯醇纤维、煤矸石等物质，研究各物质不同掺量对水泥基材料的抗分散性能、水陆强度、微观形貌的影响。结果表明，适量的UWB-Ⅲ可以显著改善浆体的抗分散性能，但过量使用UWB-Ⅲ会降低砂浆的流动性。当UWB-Ⅲ掺量为6.5%时，能够较好的兼顾抗分散性能和流动性。随着粉煤灰或煤矸石替代率的增加，材料抗压强度降低，悬浊物含量增大。随着减水剂、速凝剂、聚乙烯醇纤维等掺量的增加，材料抗压强度呈现先增大后减小的趋势。综合分析可知UWB-Ⅲ掺量6.5%,粉煤灰替代率20%,水胶比0.24,减水剂0.5%,速凝剂2%,纤维掺量2%,煤矸石替代率60%的水泥基复合材料具备早强、水下不分散等特点。研究可为水下混凝土开裂提供一种快速修补方法，也可对煤研石进行资源化利用。     

改性水泥基材料用聚乙烯醇纤维耐碱性能研究

为了考察用于改性水泥基材料的聚乙烯醇纤维在水泥水化过程中的稳定性,模拟水泥水化的碱性环境,研究3种国产聚乙烯醇纤维在强碱性条件下的化学结构稳定性及表观形貌和力学性能的变化,分别采用红外光谱、纤维表面微观形貌和单丝断裂强力来进行表征。结果表明,聚乙烯醇纤维在p H为12.8的强碱性条件下具有较好的耐碱性,浸泡10 d时力学强度几乎不变化,浸泡28 d时强度降低不超过10%,红外光谱和微观形貌表征显示纤维的结构和外观无明显改变。     

熔纺三叶形聚乙烯醇纤维的制备及增强水泥基材料

采用自主创新的聚乙烯醇(PVA)熔融纺丝新技术,首次制备了三叶形截面PVA异形纤维,为水泥基复合材料提供新型增强纤维。研究了熔融纺丝和热拉伸对纤维截面形状、热性能、结晶性能、取向度和力学性能等的影响。结果表明,熔纺三叶形截面PVA初生纤维内部结构均匀致密,无明显皮芯结构。经热拉伸处理,纤维能较好保持三叶形截面,异形度为58.2%。PVA分子链在拉伸应力下诱导结晶,纤维结晶结构更完善,结晶度和取向度增加,纤维的强度增加,熔点升高。热拉伸8倍后,纤维强度达3.7 cN/dtex。将三叶形纤维用于水泥基复合材料的增强增韧,当其体积掺量为2%时,纤维增强水泥试件的挠度达17.3%,断裂能达10.5 J。     

聚乙烯醇纤维对盐冻混凝土抗折强度的影响

通过聚乙烯醇纤维增强混凝土(PVA-FRC)试件和素混凝土试件28 d弯曲抗折试验和300次盐冻后弯曲抗折试验,考察盐冻对混凝土试件弯曲抗折强度的损伤和纤维对盐冻前后混凝土试件弯曲抗折强度的增强作用.设置了3种纤维体积掺量的PVA-FRC试件,并在纤维体积掺量为1.5％的基础上,分别以10％硅灰和20％粉煤灰替代等量水泥试图提高PVA-FRC试件盐冻前后抗折强度.结果表明,PVA-FRC试件盐冻前后抗折强度均大于素混凝土试件盐冻前后抗折强度,纤维体积掺量为1.5％的PVA-FRC试件盐冻前后增益比最大;PVA-FRC试件盐冻后抗折强度损伤量远小于素混凝土试件抗折强度损伤量,纤维体积掺量为1.5％的PVA-FRC试件损伤量最低;硅灰和粉煤灰的掺加没有提高PVA-FRC试件盐冻前后的抗折强度,也没能降低PVA-FRC试件盐冻后抗折强度损伤量.