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。     

混杂纤维增强水泥基复合材料的力学性能

研究了化学改性聚丙烯（PP）纤维以及掺加聚丙烯纤维和芳纶纤维混杂比例和混杂效应对水泥基复合材料力学性能的影响,并构建了纤维增强水泥砂浆界面层的物理模型,描述了纤维对水泥砂浆的增强机制。实验表明,聚丙烯纤维经改性后使水泥砂浆前期抗折强度明显提高,聚丙烯纤维和芳纶纤维的混杂使水泥砂浆的后期抗折强度显著提高。改性聚丙烯纤维掺加体积分数为0.56%,芳纶纤维的体积分数为0.24%时,混杂纤维增强水泥砂浆试样较空白试样,3天、28天抗折强度分别提高了18.48%、31.17%,3天、28天抗压强度分别提高了7.16%、5.19%。     

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料的拉伸本构关系

钢纤维与聚乙烯醇纤维混杂增强应变硬化水泥基复合材料(SF-PVA/SHCC)的力学性能研究是近年来的热点问题之一,但目前依然欠缺能够完整描述SF-PVA/SHCC拉伸本构关系的理论模型。本文基于混凝土断裂力学和细观力学理论,通过考虑拉伸应力-应变曲线软化段及SF-PVA混杂纤维对SHCC拉伸性能的影响,提出一种新的可适用于SF-PVA/SHCC材料的单轴拉伸本构模型。为了验证模型的有效性,开展了SF-PVA/SHCC单轴拉伸性能试验,分析了纤维种类和掺量对SHCC拉伸强度、拉伸应变及拉伸韧性的影响。通过与试验数据对比发现,本文所提出的拉伸本构模型可以较好地预测SF-PVA/SHCC的拉伸应力-应变关系。      

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料的压缩本构关系

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料(HyF/SHCC)的力学性能是近年来的研究热点问题之一,但是目前依然欠缺HyF/SHCC压缩本构关系的深入探讨。本文研究了钢纤维(SF)-聚乙烯醇(PVA)纤维增强SHCC (SF-PVA/SHCC)的压缩应力-应变全曲线,分析了纤维对HyF/SHCC抗压强度、压缩应变以及压缩韧性的影响。研究发现,在本文研究工况下混杂纤维的引入对材料的抗压强度无明显影响,但是提高了压缩峰值应变。钢纤维对HyF/SHCC压缩韧性的影响较为显著,且随着钢纤维掺量的增大,HyF/SHCC的压缩韧性逐渐提高。基于损伤力学理论,从能量的角度提出了一种新的单轴压缩本构模型,通过与试验曲线的对比,发现该模型可以较好地预测SF-PVA/SHCC的压缩应力-应变关系。     

纤维/混杂纤维-矿渣地质聚合物复合材料的弯曲强度与弯曲韧性

碱激发矿渣地质聚合物存在脆性大、韧性差、易开裂等缺陷。利用纤维/混杂纤维对矿渣地质聚合物进行改性,以纤维-矿渣地质聚合物复合材料的弯曲强度与弯曲韧性作为考察指标,分析了3种单一纤维及2种混杂纤维对矿渣地质聚合物的增强与增韧效果。研究结果表明,碳纤维增强效果优于钢纤维、玄武岩纤维,钢纤维增韧效果优于碳纤维、玄武岩纤维,而玄武岩纤维增强及增韧效果相对较差;碳纤维与钢纤维混杂,可充分发挥碳纤维的增强效应和钢纤维的增韧效应,适当掺量下混杂纤维较单一纤维具有更好的增强与增韧效果;纤维与浆料的容重差对矿渣地质聚合物硬化体的均质性具有重要影响,碳纤维与钢纤维混杂可显著降低不同加载方向下矿渣地质聚合物弯曲强度与弯曲韧性的离散性。     

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

混杂纤维增强超高性能混凝土弯曲韧性与评价方法

为了研究混掺纤维对超高性能混凝土(UHPC)的增韧效果, 通过161个三点弯曲梁的断裂试验, 测定了4种纤维和不同掺量下各UHPC试件的载荷-裂口张开位移(CMOD)曲线和载荷-挠度曲线。将素UHPC峰值载荷对应的CMOD视为混杂纤维增强UHPC的初裂CMOD值, 基于载荷-CMOD曲线提出了等效断裂韧度的韧性评价方法, 该方法具有明确的物理含义, 可用于分析混掺纤维品种和掺量对UHPC断裂韧性的影响规律。研究发现:在小变形(小于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)时, UHPC韧性取决于钢纤维的掺率;粗合成纤维主要在中等变形和大变形阶段(大于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)发挥其增韧效用。      

绿色路用纤维增强水泥基复合材料制备及其韧性表征

为提高传统混凝土的路面抗变形能力,采用橡胶粉和玄武岩束制备绿色路用纤维增强水泥基复合材料(FRCC)。对材料的力学特性、韧性指标以及微观结构进行分析,结果表明:单掺橡胶粉时,材料的强度随橡胶粉掺量增加整体呈下降趋势,但其折压比随橡胶粉掺量增加有所提高,试件破坏过程中表现出一定的延性。复掺0.6%、0.8%和1.0%玄武岩纤维束时,材料的强度和折压比均有很大程度的提高,其荷载-挠度曲线具有明显的弯曲硬化特征,峰值荷载所对应的挠度比单掺10%橡胶粉的试验组提高了30%~110%,全曲线所包围面积为单掺10%橡胶粉试验组的14.4~30.3倍。采用初始弯曲韧性比进行弯曲韧性表征结果与折压比之间具有良好的线性相关性。     

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。     

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。