CaCO_3晶须对钢-聚乙烯醇混杂纤维增强水泥基复合材料板弯曲性能的影响

将廉价的微米级CaCO_3晶须引入毫米级钢纤维与聚乙烯醇(PVA)纤维混杂纤维增强水泥基复合材料(HyFRCC),研究CaCO_3晶须对HyFRCC薄板力学性能、破坏形态和尺寸效应的影响,并使用SEM观察HyFRCC微观形貌。试验结果显示,引入晶须后,HyFRCC薄板呈现出良好的弯曲性能及比梁式试件更优良的假性应变硬化和多缝开裂特征,且可以更有效地减小尺寸效应对抗弯强度的影响。微观形貌观察证实掺加晶须后,混杂纤维体系可以在不同尺度上发挥多层次阻裂作用。研究认为,由廉价的CaCO_3晶须部分替代钢纤维和PVA纤维制备的HyFRCC呈现出对板式构件良好的适应性,实现了力学性能优化和经济性提高的双重目标。     

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。     

高温对钢纤维-聚乙烯醇纤维-CaCO3晶须多尺度纤维/水泥复合材料弯曲性能和微观结构的影响

为促进钢纤维(SF)-聚乙烯醇(PVA)纤维-CaCO₃晶须(CW)多尺度纤维/水泥复合材料的工程应用,考察其抗火耐高温性能,本文研究了SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料高温后的弯曲性能及其微观结构。研究发现:随温度升高,SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料弯曲强度总体下降,但在500℃以下时下降缓慢,CW掺量为3vol%的SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料弯曲强度有所提高;800℃及以上时,SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料的弯曲强度急剧下降。采用JSCE SF4规定的等效弯曲强度评价弯曲韧性。随温度升高,SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料的等效弯曲强度逐渐降低,500℃以下时掺加CW显著增强了SF对裂缝的控制能力,其中小挠度阶段的作用效果优于大挠度阶段。800℃以上时,等效弯曲强度急剧下降,其中大挠度阶段下降更为显著。借助数码相机、光学显微镜和SEM进行多尺度观测,揭示了高温对SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料弯曲性能影响的微观机制。      

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。     

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。     

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。      

基于数字图像相关的钢纤维增强水泥基复合材料的冲击损伤特性

本文采用数字图像相关（DIC）技术对钢纤维增强水泥基复合材料三点弯落球冲击试验过程中试件表面位移场和应变场进行计算与研究,基于开裂点附近位移变化确定初裂冲击次数,并对全场水平应变值进行统计分析,得到冲击过程的损伤程度因子（D_f）表征曲线,进一步探讨纤维掺量对试件弯曲冲击损伤的影响规律。试验结果表明：钢纤维的掺入对水泥基材料破坏次数的提高较初裂次数更明显;D_f曲线能够较好反映冲击荷载作用下试件弯曲冲击破坏各阶段;试件弯曲冲击损伤过程经历缓慢、加速、再缓慢三个阶段;纤维掺量越多,D_f曲线发展越缓慢,冲击损伤三阶段中的再缓慢阶段所占比例越大,即钢纤维增韧作用主要表现在三阶段损伤过程中的再缓慢阶段。     

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。      

Effects of fiber–matrix interaction on multiple cracking performance of polymeric fiber reinforced cementitious composites

The effects of polymeric fiber addition on the multiple cracking performance of composites have been investigated. For this purpose, cement-based matrices incorporating fly ash and a latex emulsion have been designed. Prismatic samples have been prepared and subjected to four-point bending load. The load-midpoint deflection curves and crack patterns have been determined. Meanwhile, flexural strength and relative toughness values have been calculated. Finally, the number of visible cracks formed throughout the testing period has been analyzed.Test results showed that the toughening improvement mechanisms of PP and PVA fibers in a cement-based matrix are extremely different and matrix modifications significantly change the multiple cracking performance. The addition of a latex emulsion in a weak matrix decreased the multiple cracking tendency of PP fiber reinforced composites. However, the same modification attempt improved the multiple cracking capacity of weak matrix in case of PVA fiber reinforcement. The possible causes of this performance improvement have been discussed with the aid of microstructure investigations.     

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.     

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。     

低模量聚酯纤维/水泥基复合材料抗冲击性能及损伤机制

研究聚酯纤维长径比、掺量对混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性及冲击荷载等力学性能的影响;运用复合材料理论和纤维间距理论对聚酯纤维/混凝土增韧阻裂机制进行研究,结合SEM观察微观形貌分析纤维长径比与掺量对增韧阻裂机制的影响;采用正交试验设计方法及激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)研究冲击高度、试件厚度、长径比及掺量对纤维/混凝土抗冲击性能的影响。结果表明,长径比为300与600的聚酯纤维会降低混凝土抗压强度,低掺量长径比为150的聚酯纤维通过提高混凝土致密程度使混凝土抗压强度有所提升;在抗拉强度方面长径比为150的聚酯纤维主要以缺陷形式存在,长径比为300的聚酯纤维对改善混凝土内部拉结作用最显著,3%(与胶凝材料体积比)掺量聚酯纤维对提高混凝土抗折强度最显著;对于混凝土断裂韧性,长径比为300与600的聚酯纤维/混凝土断裂韧性提高明显,通过SEM微观形貌发现纤维拉结作用产生的微裂纹会提高混凝土耗能能力,从而提高混凝土极限荷载与破坏时中心挠度,长径比为300的聚酯纤维/混凝土抗拉强度变化规律与复合材料理论和纤维间距理论分析结果较吻合;冲击高度为影响冲击荷载大小的主要因素,纤维长径比较纤维掺量影响较大,通过LSCM三维损伤形貌分析得出长径比为150的聚酯纤维对混凝土材料损伤改善效果较显著,同等掺量下长径比为150的聚酯纤维间距较小导致混凝土局部力学性能提高,从而提高混凝土抗冲击性能。      

钢筋增强超高韧性水泥基复合材料(RUHTCC)梁弯曲性能影响的几何参数分析

具有超高韧性新型随机PVA短纤维增强的水泥基复合材料(UHTCC)代替传统的具有准脆性应力软化特征的混凝土或纤维混凝土材料制作的钢筋(RUHTCC)受弯梁,可提高承载力,改善构件的延性,并具有良好的损伤演变能力,被认为是一种抗震性能较好的新型构件形式。除了配筋率和UHTCC拉压材料性能外,截面几何尺寸是影响其弯曲性能的一个重要因素。基于受弯理论分析和试验验证,采用该理论公式对截面几何尺寸(截面高度、宽度以及面积)的影响规律进行了系列分析。结果发现:对承载力,梁高度比宽度影响明显,而对承载力提高幅度和变形而言,随梁高的增加而减小,梁宽没有影响;对裂缝控制来说,只要梁下边缘的极限拉应变小于UHTCC材料的极限拉应变,截面尺寸的变化几乎不影响裂缝宽度的大小。并进一步针对RUHTCC梁的受弯设计提出了一些设计建议。     

不同纤维掺量下聚乙烯醇纤维增强工程水泥复合材料梁剪切韧性试验

为研究聚乙烯醇纤维增强工程水泥复合材料（PVA/ECC）无腹筋梁的剪切韧性,基于5组PVA/ECC梁受剪破坏试验结果,以剪切韧性指数和斜裂缝综合指数为指标,对不同纤维掺量下PVA/ECC梁的斜截面剪切韧性进行了研究与评价。结果表明:PVA纤维的掺入能改善梁的开裂性能,明显提高梁受荷全过程的变形能力及斜截面承载力,从而提高构件的剪切韧性;PVA纤维体积分数在0~2vol%范围内时,其值越大,加载过程中消耗的能量越多,斜截面抗剪承载力越高,破坏之前的总变形越大,梁的剪切韧性越好。