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。     

PVA纤维体积率对PVA-ECC力学性能的影响

使用国产基体材料并利用铁尾矿砂细骨料替代天然砂,掺入长度为12mm的PVA纤维,制备铁尾矿砂细骨料PVA纤维水泥基复合材料(PVA-ECC),并通过实验研究了PVA纤维体积率对PVA-ECC性能的影响。实验结果表明:PVA-ECC的工作性能和基本力学性能稳定,制备工艺满足要求。PVA纤维体积率对提高PVA-ECC抗压强度的作用不明显,体积率在1.6%~2%时,PVA-ECC破坏后的整体性较好,体积率为2%时最佳,但过量的PVA纤维掺入会降低其抗压强度。PVA纤维体积率对PVA-ECC韧性的影响显著,体积率在1.6%~2%时,韧性明显增加,体积率为2%时的效果最佳,其极限荷载和抗弯强度达到峰值,弯曲韧性指标显著增大,试件破坏前出现多缝开裂现象,呈现韧性破坏特征;通过韧性指数法判定PVA-ECC为韧性材料。     

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。     

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。     

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。     

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。     

聚乙烯醇乳液改性对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料性能的影响

为解决汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料力学性能较差的问题,本文提出采用聚乙烯醇(PVA)乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料进行改性。在优化秸秆纤维的粒径和掺入量后,采用PVA乳液与秸秆纤维和水泥进行共混成型,制备了改性后的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料。研究了不同质量比的PVA乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的抗折强度、密度、比强度和弯曲韧性的影响,通过含水率、吸水率及红外光谱测试揭示了PVA乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的改性机制。结果表明:汉麻秸秆纤维粒径为1700 μm及掺入量为12%时,秸秆纤维对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的增强作用最好。随着PVA乳液质量比的增加,改性后汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的密度逐渐减小,弯曲韧性逐渐提高。当PVA乳液质量比为4.8%时,相较于未改性的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料,改性后的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料抗折强度和比强度分别提高了17.17%和20.50%。通过PVA乳液改性使汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料中秸秆纤维与水泥之间的界面得到改善,并缓解了秸秆纤维对水泥水化反应的阻碍作用。      

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在长期浸泡作用下抗硫酸盐侵蚀性能

为了研究纤维和粉煤灰对长期浸泡作用下聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（PVA纤维/水泥复合材料）抗硫酸钠侵蚀的影响,对多次试验周期后的试件表观形貌变化、质量变化、体积变化、抗压强度和微观结构进行分析研究。试验结果表明,纤维的掺入及良好的分散,在水泥基体中形成了良好的网络分布结构,使PVA纤维/水泥复合材料在硫酸钠溶液中的侵蚀速度减缓,但纤维掺量有一个最佳值;粉煤灰的掺入在一定程度上密实了PVA纤维/水泥复合材料,使其抗硫酸钠侵蚀性能得到改善,质量分数在50%之内时随着掺量的增加而更加明显。     

高性能环保型尾矿砂水泥基复合材料增韧性能研究

针对项目组研发的高性能环保型建材即替代比率达50%的尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料,采用立方体抗压实验、薄板四点弯曲实验和薄板拉伸实验,分别测得了该复合材料的抗压强度、弯曲荷载-挠度位移和拉伸应力-应变等特性曲线,获得了该复合材料的弯曲韧性和弯曲强度以及断裂能和抗拉强度。通过实验,研究PVA纤维掺量和水胶比等因素对尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料增强和增韧性能的影响。实验结果表明,配合比对尾矿砂PVA纤维增韧水泥基复合材料的力学性能有显著影响;合适的配合比可使该复合材料获得准应变硬化和多裂缝特征,使其具有良好的弯曲韧性和抗拉延性以及较好的抗压强度、弯曲强度和抗拉强度。综合评价了尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的强度、韧性及其适用性,为该环保型复合材料的工程应用提供了依据。     

掺PVA纤维的抗裂改性水泥的性能与应用研究

抗裂性差是水泥基材料存在的主要问题之一,严重影响水泥基材料物理力学性能和耐久性。本文对掺PVA纤维的抗裂改性水泥的性能与应用进行了研究。结果表明,与普通水泥砂浆相比,掺PVA纤维的抗裂砂浆的强度、变形性能、抗裂性和耐久性均具有明显改善。PVA纤维增强抗裂砂浆技术在工程中得到了实际的应用。     

纤维增强水泥薄板及其复合梁抗弯性能研究

实验研究了纤维对水泥基复合材料抗弯性能的影响.结果表明,聚乙烯醇(PVA)纤维增强挤压脱水成型板材在弯曲荷载作用下呈现多点开裂、应变硬化的特性,具有良好的延性,聚丙烯(PP)纤维增强挤压脱水成型板材呈应变软化的特性,木纤维增强挤压脱水成型板材则呈脆性破坏;与普通混凝土梁相比,冷浇和热浇纤维增强板-混凝土组合梁的抗弯强度...     

Strain hardening behavior of lightweight hybrid polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforced cement composites

Experimental results on the strain hardening and multiple cracking behaviors of polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforced cementitious composites under bending are reported in this paper. Different hybrid combinations of PVA fibers with different lengths and volume fractions are considered to reinforce the mortar matrix. Among different hybrid combinations, the composite containing 2% thicker PVA fibers of 12 mm length and 1% thinner PVA fibers of 6 mm length and the composite containing 2% thicker PVA fibers of 24 mm length and 1% thinner PVA fibers of 6 mm length showed the best performance in terms of highest ultimate load, largest CMOD (crack mouth opening displacement) at peak load and multiple cracking behavior. The effects of four types of light weight sands on the strain hardening and multiple cracking behavior of hybrid fiber composites are also evaluated in this study. It has been observed that the ultimate load and CMOD at peak load for all light weight hybrid fiber composites are almost the same irrespective of volume fractions of light weight sand. The composites containing finer light weight sands exhibited higher ultimate load than those containing coarser light weight sands. It is also observed that the hybrid fiber composite containing normal silica sand exhibited higher ultimate load than the composites with light weight sands.     

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。     

Multiple effects of nano-SiO2 and hybrid fibers on properties of high toughness fiber reinforced cementitious composites with high-volume fly ash

This article explores multiple effects of nano-SiO₂ and hybrid fibers on the flowability, microstructure and flexural properties of high toughness fiber reinforced cementitious composites. Only a little negative influences of nano-SiO₂ and hybrid fibers on the flowability are observed. SEM and MIP analysis reveal that nano-SiO₂ results in much smaller pore size in the composites. However, the porosity increases gradually with nano-SiO₂ addition. Three-point bending test results show that nano-SiO₂ increases the flexural strength of the composites with nearly equivalent deformability, but higher strength of the matrix leads to wider cracks. Due to larger volume fraction and higher modulus, hybrid fibers effectively mitigate this adverse influence on crack width and further enhance the flexural strength. The composites reinforced with 1.4% steel fiber and 2.5% polyvinyl alcohol (PVA) fiber exhibit the best flexural properties in the test. Finally, a simplified model is proposed to illustrate the reinforced mechanism of steel-PVA fibers.     

离心成型钢纤维混凝土纤维分布规律试验研究

通过对离心成型环形截面钢纤维混凝土配筋与无筋试件的切片试验,研究了离心作用下钢纤维体积率、混凝土强度及配置钢筋等因素对混凝土内钢纤维在构件环向和纵向分布形态的影响规律.发现在离心作用下钢纤维趋向于构件外壁分布,并且呈现较好的均匀性;钢纤维沿环向分布多于纵向分布,而且随着粗骨料的减少、水泥浆的增加这种现象更加明显.为离心成型钢纤维混凝土的工程应用提供了科研依据.     

Improved fiber distribution and mechanical properties of engineered cementitious composites by adjusting the mixing sequence

Engineered cementitious composites (ECC) is a class of ultra ductile fiber reinforced cementitious composites, characterized by high ductility and tight crack width control. The polyvinyl alcohol (PVA) fiber with a diameter of 39 μm and a length of 6-12 mm is often used. Unlike plain concrete and normal fiber reinforced concrete, ECC shows a strain-hardening behavior under tensile load. Apart from the mix design, the fiber distribution is another crucial factor for the mechanical properties of ECC, especially the ductility. In order to obtain a good fiber distribution, the plastic viscosity of the ECC mortar before adding fibers needs to be controlled, for example, by adjusting water-to-powder ratio or chemical admixtures. However, such adjustments have some limitations and may result in poor mechanical properties of ECC. This research explores an innovative approach to improve the fiber distribution by adjusting the mixing sequence. With the standard mixing sequence, fibers are added after all solid and liquid materials are mixed. The undesirable plastic viscosity before the fiber addition may cause poor fiber distribution and results in poor hardened properties. With the adjusted mixing sequence, the mix of solid materials with the liquid material is divided into two steps and the addition of fibers is between the two steps. In this paper, the influence of different water mixing sequences is investigated by comparing the experimental results of the uniaxial tensile test and the fiber distribution analysis. Compared with the standard mixing sequence, the adjusted mixing sequence increases the tensile strain capacity and ultimate tensile strength of ECC and improves the fiber distribution. This concept is further applied in the development of ECC with high volume of sand.     

聚乙烯醇纤维增强钢渣粉-水泥复合材料基本力学性能及微观结构

通过掺加钢渣粉来制备聚乙烯醇（PVA）纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料,从宏微观两个方面研究了这种复合材料的性能。考虑了基体材料的水胶比（0.25和0.35）、不同钢渣粉质量分数（0、30wt%、60wt%、80wt%）,采用抗压强度试验、薄板四点弯曲试验研究了PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能变化规律及其在弯曲荷载作用下的裂缝控制能力,采用扫描电镜观测了破坏后试样的微观结构。结果表明,水胶比和钢渣粉掺量均可明显影响PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能,在低水胶比条件下（水胶比为0.25）,钢渣粉掺量达到80wt%时,试样表现出较高的韧性指数和良好的裂缝控制能力,基本满足工程所需强度要求,水胶比为0.35时钢渣掺量不宜超过60wt%;同时,从节能减排的角度考虑,利用钢渣粉制备PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料是可行的。      

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。     

碳纤维/铜纤维混编酚醛树脂基摩擦材料的制备及其弯曲性能

以碳纤维和铜纤维为原料制备了三维四层深交联机织物,并将酚醛树脂和其他填料组成树脂体系,然后将二者进行复合成型,制成三维深交联摩擦材料。通过改变织物纬向的铜纤维含量及位置获得四种深交联机织摩擦材料,探究不同位置和含量的铜纤维对摩擦材料纬向弯曲性能的影响。结果表明:摩擦材料的弯曲性能随着铜纤维含量的增加而减小;当铜纤维处在摩擦材料预制体中间层时,会降低复合材料的弯曲性能。材料的破坏模式具体表现为树脂基体的碎裂,以及纤维的抽拔及断裂。