超高韧性水泥基复合材料自愈合研究进展

在总结了最近几年国内外相关研究进展的基础上,对超高韧性水泥基复合材料(ECC)及裂缝自愈合进行了综述。着重介绍了裂缝自愈合的最大允许宽度限值以及自愈合机制。提出利用ECC所独具的对裂缝宽度的可控性及紧密细小的微裂纹、较低的水胶比及矿物掺合料的二次水化效应可实现其良好的自愈合特性。最后指出该研究领域所面临的挑战及今后的研究方向,为ECC裂缝自愈合的研究提供有价值的理论参考。     

用纳米压痕技术表征超高韧性水泥基复合材料(ECC)的裂缝自愈合特性

为了探究ECC裂缝自愈合体系中不同物相的微观力学性能,应用纳米压痕技术对经历10个干湿循环环境后裂缝自愈合ECC体系中不同物相的荷载-位移、接触刚度-位移、弹性模量及硬度进行了研究。结果表明:当荷载相同时,压入深度大小顺序为:纤维ITZSHP基体粉煤灰砂子;接触刚度与压入深度近似呈线性关系;粉煤灰和砂子的弹性模量及硬度是体系中最高的,远远高于其他相,其次是基体,接下来是SHP、ITZ,最差的是纤维。     

应变硬化水泥基复合材料动力学性能研究现状与进展

应变硬化水泥基复合材料(Strain-hardening cementitious composites,SHCC)作为一种高延性水泥基复合材料在结构修复和改造、加固无筋砌体墙、加固钢筋混凝土梁和防冲击或防爆板等方面具有广阔的应用前景.对SHCC的动力学性能进行详细研究有利于其在抗冲击或抗爆结构中的广泛应用.针对不同基质组成、纤维类型的SHCC静力学性能的理论分析和试验研究已经相对完善,然而对于SHCC动力学性能的研究主要集中在不同应变率、纤维类型及基质组成等对其动力学性能的影响.但针对高、超高应变率和围压等因素作用下的动力学性能研究尚未形成统一认识,同时也未明确得到SHCC动力学性能具体发展机理.近期研究结果表明:SHCC具有明显的应变率效应.在动态加载下,SHCC的应力和断裂能随着应变率的提高而提高,而其应变则相反.更深一步的研究表明,通过在SHCC中掺加粉煤灰等废料来改善纤维与基质之间的粘结可以明显提高其冲击能量耗散能力.本文系统地总结了国内外相关研究学者对SHCC动力学性能的研究现状,综述了SHCC动力学试验设备的原理、组成、优缺点及施加的应变率范围,同时进一步阐述了不同动力学试验设备在SHCC动力学性能研究方面的应用;然后对SHCC动态拉伸、压缩及侵彻性能进行归纳,全面揭示了应变率、纤维类型及基质组成对SHCC动力学性能发展的影响规律;最后,探讨了SHCC动力学性能研究领域所面临的问题,意在为日后SHCC动力学性能的理论分析和试验研究提供一定的建议和方向.     

高温作用对应变硬化水泥基复合材料吸水性能及微结构演化特征的影响

在高温环境下,应变硬化水泥基复合材料(Strain hardening cementitious composites,SHCC)微结构发生破坏,进而导致其力学与抗渗性能及微结构的劣化。对比研究20℃(常温)、105℃、200℃、400℃、600℃及800℃高温作用后,不同纤维掺量的SHCC试件力学与吸水性能的演化规律,并利用低场核磁共振等技术从微观角度分析了材料宏观性能劣化机制。结果表明：当受热温度由20℃升高至105℃时,试件的动弹性模量有所下降,但抗压强度及抗折强度有所提高。当受热温度升至200℃时,SHCC抗压强度和动弹性模量变化不大,但受热温度高于400℃后,二者均迅速下降;受热温度由105℃升至200℃时,SHCC试件抗折强度显著降低;高于400℃后,抗折强度进一步劣化。纤维掺量对高温作用后的SHCC试件残余力学性能没有明显规律性的影响。另外发现,当受热温度低于200℃时,SHCC毛细吸水性能较差,具有一定的抗毛细入渗性能;400℃以上时,高温损伤能够显著促进SHCC试件的毛细吸水速度和吸水量。低于200℃时,较高纤维掺量的SHCC试件初始毛细吸水系数增加更为迅速,毛细吸水...     

粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

为了探究粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料(ECC)性能的影响,设计对比三组由不同细度粉煤灰制作的ECC试件的抗拉及抗压试验性能,并进行了灰色关联度分析。结果表明:ECC的拉伸应变与粉煤灰细度之间不呈简单的线性关系;对于ECC的抗压强度,其主导因素并非是粉煤灰的细度,而是粉煤灰的活性。在特定条件下,通过改变粉煤灰的细度,可以在不影响基体强度的情况下改善ECC的延性。     

试件厚度对超高韧性水泥基复合材料弯曲性能的影响

通过不同厚度超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）试件的四点弯曲试验,研究了厚度对其弯曲性能的影响,并通过理论量纲分析做了进一步解释。结合ASTM C 1609标准,提出了以单位塑性铰区体积的能量消耗Tv为参数的韧性评价方法。试验结果表明：不同厚度试件的名义弯曲应力-弯曲应变曲线与裂缝宽度变化曲线几乎重合;挠度随厚度增大...     

水泥基材料裂缝自愈合的研究进展

总结了近些年来在水泥基材料裂缝自愈合领域的研究进展，重点论述了两种普通类型的水泥基材料裂缝自愈合的机理、愈合过程、影响因素及评价。普通水泥基材料裂缝愈合机理包括结晶沉淀、结晶渗透，对聚合物水泥基材料，主要包括空气固化愈合、热聚合愈合和温致愈合机理。并提出了进一步的研究方向。     

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。     

超高韧性水泥基复合材料疲劳裂缝扩展公式的理论与试验研究

该文基于Paris公式,对具有应变硬化和多缝开裂特征的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的疲劳裂缝扩展理论进行了理论研究,并通过试验进行验证。研究表明,Paris公式适用于UHTCC。其中：裂缝扩展参数由裂缝面积扩展A表示;与之相应,使用复合断裂能增长量#x00394;J代替应力强度因子变化量#x00394;K。基于试验,该文求出UHTCC的疲劳裂缝扩展门槛值,即当疲劳过程中的断裂能幅值#x00394;J小于某一临界值#x00394;J_th时,疲劳裂缝不扩展。在疲劳过程中,UHTCC的裂缝覆盖面积随疲劳过程呈三阶段线性发展,与疲劳变形的发展趋势一致。UHTCC的疲劳裂缝扩展随疲劳最大荷载与荷载幅值的增大而加速发展。     

超高韧性水泥基复合材料碳化与渗透性能试验研究

对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC) 进行了快速碳化、预裂后的快速碳化、渗透性、快速氯离子渗透试验及自由氯离子含量测定, 研究了不同龄期UHTCC 的抗碳化性能和渗透性能。试验结果表明, 在无裂缝状态下, UHTCC 的抗碳化性能与同强度普通混凝土相当, 但在相同荷载预裂后, UHTCC 裂缝处的碳化深度仅为对比混凝土的30 %～40 %; UHTCC 抗渗性能优于同强度普通混凝土, 且随着龄期增长优势更明显, 56 天龄期的渗透系数约为对比混凝土的35 %; 快速氯离子试验和自由氯离子含量测定得到的氯离子渗透系数均表明, UHTCC 具有明显优于普通混凝土的抵抗氯离子渗透性能。      

合成纤维种类对水泥基材料干缩开裂形态的影响

研究了相同体积掺量下(均为0.5%),聚丙烯(PP)纤维、尼龙单丝(Nycon RC)纤维和尼龙网状(MultiMesh)纤维对水泥基材料干缩开裂形态的影响.通过圆环法的对比实验,发现纤维表观形状和纤维直径对水泥基材料抗干缩开裂性能和裂缝分布有显著影响.基准水泥基材料呈现单一裂缝破坏模式,而合成纤维水泥基材料呈现了双缝或多缝开裂模式.结合SEM微观测试,分析了合成纤维与水泥基材料的界面性能,探讨了不同纤维种类限制水泥基于缩开裂的作用机理.     

Tensile fracture process of Strain Hardening Cementitious Composites by means of three-dimensional meso-scale analysis

There are a wide variety of short fiber reinforced cement composites. Among these materials are Strain Hardening Cementitious Composites (SHCC) that exhibit strain hardening and multiple cracking in tension. Quantitative material design methods considering the properties of matrix, fiber and their interface should be established. In addition, numerical models to simulate the fracture process including crack width and crack distribution for the material are needed.This paper introduces a numerical model for three-dimensional analysis of SHCC fracture, in which the salient features of the material meso-scale (i.e. matrix, fibers and their interface) are discretized. The fibers are randomly arranged within the specimen models. Load test simulations are conducted and compared with experimental results. It is seen that the proposed model can well simulate the tensile failure of Ultra High Performance-Strain Hardening Cementitious Composites (UHP-SHCC) including strain-hardening behavior and crack patterns. The effects of matrix strength, its probability distribution inside the specimen and fiber distribution on the tensile fracture are numerically investigated. Consideration of the probability distributions of material properties, such as matrix strength, appears to be essential for predicting the fracture process of SHCC.     

Application of neutron radiography in observing and quantifying the time-dependent moisture distributions in multi-cracked cement-based composites

Significant tensile strain capacity of SHCC under tensile stress can be reached by multi-crack formation, while the cracks remain bridged by fibres. Ductility of SHCC is due to this multi-crack formation. Cracks are preferential pathways for ingress of water and salt solutions into the material. In this contribution neutron radiography has been successfully applied to visualize the process of water penetration into cracked SHCC and to quantify the corresponding time-dependent moisture distributions in cracked SHCC. Results indicate that in uncracked SHCC, less water can be found. Once cracked, however, both the amount of water and the penetration depth increased with increasing of crack density and the wider crack pattern when higher tensile strain was applied. Even at comparatively modest imposed strain when micro-cracks were formed, water penetrated into the specimens along the cracks of 30 μm–50 μm immediately and then water migrated further into the surrounding matrix from water filled cracks. Water then moved into the matrix adjacent to the cracks which was mechanically damaged by direct tension. Therefore, if durability of SHCC is an issue for application, a maximum strain may not be exceeded. In order to prevent penetration of water or salt solutions into cracked SHCC, two approaches were used. Integral water repellent SHCC was prepared by adding silane emulsion to the fresh mortar. Compared with neat SHCC, the integral water repellent SHCC with multi-cracks absorbed much less water after imposed to the same tensile strain. Notice that there was still a small amount of moisture that could enter the matrix of integral water repellent SHCC via cracks when the tensile strain was over 1.5% in this study. As an alternative method, surface impregnation with silane gel was a more promising approach to protect cracked SHCC from water or salt solution penetration into the material when multi-cracks formed.     

高延性纤维增强偏高岭土-粉煤灰基地聚合物在不同环境下的自愈合性能

在1%、2%及3%不同程度预加单轴直接拉伸应变破坏下,研究了3天、7天及28天龄期的高延性聚乙烯醇（PVA）纤维增强偏高岭土-粉煤灰基地聚合物（PVA/MK-FA EGC）在空气中和干湿循环条件下的裂缝分布及自愈合性能。结果表明：PVA/MK-FA EGC结合了传统高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）及地聚合物二者的优点,表现出了明显的多缝开裂特性和应变硬化行为。2~5 mm的裂缝间距、小于25 μm的最大残余裂缝宽度给裂缝的自愈合提供了更加有利的条件。带缝试件在不同环境中自愈合后,裂缝数量大大下降,极限拉伸应变可达3.8%以上,大部分试件的极限拉应变及最终应力均能超过对比试件,空气中的养护环境更加有利于PVA/MK-FA EGC材料的自愈合。裂缝内颗粒表面覆盖有凝胶状的地聚合产物,可能增强了体系中的纤维/基体界面,使力学性能恢复。     

Mechanical Properties and Strain Hardening Behavior of Few-Layered Graphene Nanosheets-Reinforced Powder Metallurgy Nickel-Based Superalloy Metal Matrix Composites

Herein, few-layered graphene nanosheets (GNS) with approximately 3, 6, or 9 layers are used to reinforce high-performance nickel-based superalloy metal matrix composite. A powder metallurgy method comprising solution-mixing, hot isostatic pressing, and thermal processing is used to prepare GNS-FGH96 composites with different numbers of GNS layers as well as referential FGH96 matrix materials. Compared with those of unreinforced FGH96, the mechanical properties of the GNS-FGH96 composites are enhanced, specifically, the ≈6 layers GNS-FGH96 composite exhibits an ultimate tensile strength of 1660 MPa and a yield strength of 1229 MPa, which are 9.79% and 6.87% higher, respectively, than those without the addition of GNS. Furthermore, the ≈6 layers GNS-FGH96 composite exhibits the highest elongation-at-fracture of 29.9%. The as-prepared GNS-FGH96 composites show a good balance of strength and ductility owing to the increased dislocation density between the FGH96 matrix and GNS reinforcement interface area, as well as the high structural integrity of the GNS. Thus, this study provides a novel approach for designing and creating high-performance graphene-reinforced FGH96 metal matrix composites that exhibit exceptional strength and toughness.     

对非连续增强铝基复合材料的腐蚀、应力腐蚀断裂与氢脆研究的评述

本文就国内外对非连续增强铝基复合材料,主要是SiC、Al_2O_3颗粒和晶须增强铝基复合材料的腐蚀、应力腐蚀断裂和氢脆的研究现状和主要结论进行了介绍和评价,并为今后的进一步研究提供了一些思路。复合材料的腐蚀形态与铝合金相似,但复合材料的增强体对应力腐蚀断裂和氢脆的、作用不同研究者有不同的结论。     

多边形铁素体/针状铁素体双相管线钢的应变硬化行为

对X70管线钢进行临界区热处理,制备出四种铁素体/针状铁素体(PF/AF)体积分数不同的双相管线钢。用电子背散射衍射(EBSD)分析了PF含量对这种双相管线钢的晶粒尺寸、大角度与小角度晶界的比例以及几何必要位错密度(GND)的影响;通过Hollomon和修正C-J方程分析了这种钢的应力比与应变硬化指数(n值)的关系,以及不同PF体积分数双相管线钢的塑性变形和应变硬化的机理。结果表明,PF/AF双相管线钢的应变硬化能力几乎与应力比无关,而应变硬化指数与均匀延伸率表现出特定的线性关系。随着PF体积分数的提高,这种钢的颈缩点后移且应变硬化行为由两阶段向三阶段转变。PF体积分数的改变,对其第I和第II阶段的应变硬化能力有显著的影响。     

纤维厚度和体积分数对压电纤维复合物应变性能的影响

实验制备了不同纤维厚度和体积分数的压电纤维复合物, 并在0.1 Hz的激励电压下测试了压电纤维复合物的自由应变性能和驱动性能, 研究复合物典型结构参数对其性能的影响。实验发现, 随着压电纤维厚度增加, 复合物自由应变和顶端位移下降, 1000 V激励电压下, 纤维厚度为200 μm样品纵向自由应变为665 με, 驱动Mylar膜产生的顶端位移为1.9 mm, 而纤维厚度为300 μm和400 μm样品的纵向自由应变仅为纤维厚度为200 μm样品的23.2%和11.7%, 顶端位移为纤维厚度为200 μm样品的45.8%和19.0%。压电纤维复合物具有驱动正交异性, 横向自由应变、纵向自由应变以及横向效应系数随着纤维体积分数的降低而减小, 纤维体积分数为74%的复合物其横向自由应变和纵向自由应变分别为体积分数为59%样品的2.04倍和1.72倍, 横向效应系数也从0.519减小到0.451。     

钢纤维混凝土带裂状态下抗弯承载力的计算方法

在混凝土中加入钢纤维,可使开裂后的混凝土仍能在开裂面传递拉应力,但钢纤维所传递的拉应力随裂缝宽度的增加而发生变化.因此以前认为钢纤维混凝土抗拉强度与裂缝宽度无关的设计方法,并未反映钢纤维混凝土的真实受力特性.本文通过四点弯曲试验,得到荷载与裂缝张开位移的关系.然后用受力平衡的方法,反算出钢纤维混凝土开裂后拉应力与裂缝宽度的关系,即拉伸软化曲线.通过分析发现,典型的钢纤维混凝土拉伸软化曲线,可以用其四个关键点的直线段描述.并根据实验数据,给出各段直线的确定方法.最后根据裂缝宽度和拉伸软化曲线,可以确定在指定裂缝宽度下,钢纤维混凝土的抗弯承载力.