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。     

聚乙烯纤维制备超高延性水泥基复合材料的试验研究

为进一步提升高性能水泥基复合材料的拉伸能力,研制了以短切超高分子量聚乙烯纤维作为增强材料,以水泥砂浆为基体的超高延性水泥基复合材料(Ultra-high ductility cementitious composites, UHDCC)。本研究通过直接拉伸、单轴抗压及三点弯曲梁试验研究了UHDCC的基本力学性能。直拉试验表明,UHDCC具有优异的应变硬化和多重裂缝开裂性能。在极限状态下,UHDCC的裂纹间距小于2 mm,最大平均裂纹宽度小于200 μm;材料的平均抗拉强度为7.28 MPa,峰值强度处的平均拉伸应变达到12%,最大拉伸应变达到13%以上,具有超高的拉伸延性。轴压试验表明,超过峰值强度后,UHDCC在80%和60%的抗压峰值强度处的应变分别约为2.8%和7.0%,说明材料具有强大的受压变形能力。材料的弯曲韧性指数I10、I30、I50、I60分别为10.1、33.1、54.4、65.6,表明UHDCC具有优异的弯曲变形能力。此外,三点弯曲缺口梁和单裂缝试验结果表明,UHDCC的超高延性源于聚乙烯纤维超高的裂缝桥接能力。     

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.     

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。     

碳酸钙晶须增强水泥基复合材料压缩性能随温度的变化规律

碳酸钙晶须可以有效改善水泥基复合材料在常温下的压缩性能,但是高温作用后碳酸钙晶须对材料压缩性能的影响尚不清楚。研究了不同体积掺量(0%、0.5%、1%、2%)的碳酸钙晶须增强水泥基复合材料分别在常温以及200,400,600和800℃高温作用后的压缩性能。试验结果表明,常温下随着晶须掺量的提高,试件的抗压强度和压缩韧性呈先上升后下降的趋势,其中掺入1%碳酸钙晶须的材料压缩性能最好。200℃条件下材料的抗压强度和压缩韧性较常温均有明显提高,而当目标温度超过200℃后,高温对材料的压缩性能劣化作用明显,其抗压强度和压缩韧性持续衰减,800℃作用后各组的压缩性能已没有明显差距,但在每个目标温度作用下,碳酸钙晶须均可以提高高温作用后的抗压强度值和压缩韧性值,说明碳酸钙晶须的掺入对提高材料在高温作用后的压缩性能有积极作用。     

基于图像处理的纤维分布与取向分布对水泥基材料弯曲性能的影响

聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基材料的弯曲性能与纤维在水泥基体内的分布和取向分布相关。采用抛光断面后涂荧光粉的显微成像法,基于图像处理程序对PVA纤维在水泥基材料中的分布和取向分布进行量化测定,对不同基体结构特征影响纤维分布的机理进行了讨论。结合弯曲试验结果,研究了纤维分布和取向分布对材料弯曲性能的影响。纤维分布测定结果表明,均匀的基体结构特征利于纤维的分布,同时对于材料组分和加工制作过程完全相同的试件,纤维分布系数越大,试件的弯曲强度与韧性越大;纤维取向分布测定结果表明,乱向分布的纤维当其长度方向与抛光断面方向的角度接近90°分布概率越大,试件的弯曲韧性也越大。     

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。     

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。     

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。     

炭纤维水泥基复合材料eebeck效应

发现特制纤维水泥具有Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，研究结果表明，它对温差有较高的灵敏度，试块上下表面浊国差△ｔ与浊国差电动热呈线性关系。     

应变率和温度对耐碱玻璃纤维织物增强水泥基复合材料弯曲力学行为的影响

为研究不同应变率和温度下耐碱玻璃织物增强水泥基复合材料的弯曲力学行为,采用美特斯(MTS)万能试验机和INSTRON落锤冲击系统对其试样分别进行室温(25℃)下准静态三点弯曲(应变率为3.33×10-5 s-1)和不同应变率(4、8、12、16和18s-1)及温度(-50、0、25、50和100℃)下的动态三点弯曲试验,静态和动态三点弯曲试验采用一套弯曲夹具。同时考虑了增强织物层数对其弯曲力学性能的影响。试验结果表明:室温下,随应变率的增加,弯曲强度提高,弯曲峰值应变和韧性先减小后增大,弯曲模量先增大后减小;应变率为12s-1时,随着温度的升高,弯曲强度、弯曲模量和韧性整体上减小,弯曲峰值应变变化不明显;纤维织物为六层时,对混凝土的增韧效果较明显。应变率、温度和织物层数均能对试样的弯曲性能产生较大影响。     

应变硬化水泥基复合材料性能与应用研究进展

混凝土作为典型的脆性材料,在拉伸荷载作用下呈现应变软化现象,这种不理想的失效模式会对工程结构的受力性能和耐久性能产生不利影响。通过在微观尺度上对材料进行设计,综合考虑纤维、基体和纤维/基体界面三者之间的相互作用,制备了应变硬化水泥基复合材料(SHCC)。这是一种新型的高性能纤维增强水泥基材料,相较于传统的纤维混凝土,SHCC具有两大显著优势:一是拉伸应变硬化,二是破坏失效前会产生多条细密裂缝。高延性使SHCC力学性能优良,细密裂缝有效保证了其耐久性,近年来相关的研究工作已取得了一定的进展。研究初期,以材料设计理论为指导使SHCC达到预定的硬化效果。纤维桥联法则是其理论基础,为了实现应变硬化,必须满足两个准则:强度准则和能量准则。设计较为完善的材料的各项力学性能指标可为工程应用提供关键信息。高强、高韧是研究者们不懈追求的目标之一,目前,已经成功设计出抗压强度高达115 MPa、极限拉应变达到8%的SHCC,而且该复合材料的大多数裂缝宽度在100μm以下,裂缝间距不超过2 mm。关于SHCC断裂性能的研究具有挑战性,在多缝开裂阶段仍缺乏行之有效的分析手段。霍普金森杆冲击试验表明,SHCC是与应变率相关的材料,峰值应力明显随着应变率的增加而增大。在承受疲劳荷载作用时,SHCC表现出延性破坏特征,疲劳寿命相对较长。当工程结构的服役周期较长时,材料的耐久性问题不容忽视。由于SHCC的裂缝宽度较小,水分的渗透量会大幅下降,2%拉应变水平下其渗透系数只有2.10×10-7m/s,其自愈合行为还会进一步改善渗透性。SHCC还为极端温度条件下的应用提供了可能,经受300次冻融循环后其各项性能均保持在较高水平;历经高温后纤维发生熔融留下蒸汽压力释放的通道,避免了材料的高温爆裂。此外,实际工程的检验客观真实地反映了材料的性能,SHCC已被成功应用于普通混凝土梁加固、砌体结构加固、路面桥面工程以及大坝修补等方面。本文介绍了SHCC的设计理念、应满足的基本准则及原材料选取;分别论述了国内外在SHCC基本力学性能和耐久性能方面取得的最新研究成果;概括了SHCC修复加固工程结构与典型的工程应用。最后,进一步探讨了SHCC研究中存在的问题,并对未来的研究方向作出展望。     

不同加载速率下高性能水泥基复合材料断裂性能研究

为研究加载速率对高性能水泥基复合材料(High-performance cement-based composites,HPCC)断裂性能的影响,本研究对带预制裂缝的HPCC矩形梁进行了三点弯曲测试.以裂缝嘴张开位移(Crack mouth opening displacement,CMOD)为加载控制参数,加载速率分别为0.001 mm/s、0.01 mm/s和0.1 mm/s,试件内钢纤维体积掺量分别为0％和2％(均为质量分数).基于荷载-裂缝嘴张开位移(P-CMOD)曲线分析了第一裂纹应力、弹性模量、弯曲强度、失稳韧度以及断裂能等一系列断裂特征参数随加载速率的变化规律.试验结果表明:(i)第一裂纹应力和弹性模量几乎不受钢纤维含量和加载速率的影响;(ii)HPCC弯曲强度与应变率比呈对数关系,且含钢纤维HPCC的弯曲强度率效应更明显;(iii)含钢纤维HPCC的失稳韧度和断裂能有很大程度的提升,但其对加载速率的敏感性较低.掺钢纤维能够有效提高HPCC材料抵抗冲击荷载的能力.     

水灰比对PVA纤维增强水泥基复合材料性能和显微结构的影响

对3种不同水灰比(0.2,0.4,0.65)形成的聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基材料,通过三点弯曲试验,结合表观裂缝形状和裂缝处PVA纤维形态,研究了水灰比对材料弯曲性能的影响;通过对断裂面处纤维表面、纤维嵌入端和纤维拉断或拔出端的SEM影像分析,从微观层面研究了水灰比对PVA纤维-基体界面显微结构的影响。弯曲试验结果表明:随着水灰比增加,跨中部位裂缝数量明显增加,裂缝处拔出的纤维数量增多而拉断的数量减少,材料的弯曲韧度和开裂强度到弯曲强度的增强幅度提高。界面显微结构表明:随着水灰比增加,基体结构由致密变疏松,界面粘结力减弱,桥接裂缝的PVA纤维状态由瞬间猝断转变为滑动拔出且表面有轻微刮削,纤维对材料增强增韧的效率显著提高。     

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。     

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。     

蔗渣纤维对水泥基复合材料性能的影响

为缓解废弃蔗渣带来的环境压力,甘蔗渣纤维作为增强材料被应用于水泥基复合材料。本研究分析了0.5%NaOH溶液、4%NaOH溶液和角质化三种预处理方法对蔗渣纤维质量损失和吸水性能的影响,以及1%、2%、3%、4%的蔗渣纤维掺入量对复合材料干密度、吸水性能和力学性能的影响。结果表明：4%NaOH处理后的蔗渣纤维质量损失率最大,吸水率最低;蔗渣纤维的掺入降低了复合材料的干密度,增大了复合材料的吸水率,而复合材料的力学强度随着蔗渣纤维掺量的提高先增加后减小;经碱处理后,蔗渣纤维的增强效果得到进一步提高,改善了纤维与基体的界面结构,水泥基复合材料的物理力学性能均得到提高。     

PVA纤维增强水泥基复合材料热处理后的力学性能

为了促进聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在热环境工程领域中的应用,通过狗骨试件拉伸试验,研究了高粉煤灰掺量的PVA-ECC热处理后的力学性能变化;采用单纤维抗拉试验、单纤维拔出试验以及单裂缝拉伸试验研究了PVA-ECC性能提升的机制。结果表明:在不高于200℃的热处理后,PVA-ECC仍能实现多裂缝开裂,相比20℃,50、100、200℃热处理后的PVA-ECC复合材料的拉伸力学性能提高,其幅度为100℃> 50℃> 200℃;纤维强度不是PVA-ECC抗拉性能变化的控制因素,适当的温度处理提高了纤维与基体的化学黏结力和摩擦力,从而提高了纤维的桥接作用和裂缝的余能,进而提高了PVA-ECC的抗拉性能和摩擦耗能能力。PVA-ECC性能变化的机制分析为PVA-ECC工程设计提供了良好的理论基础。