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。     

高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能

为了获得高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法,研究了砂的颗粒级配、水胶比和粉煤灰掺量对高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)的弯曲性能、抗压、抗折强度及开裂模式的影响。结果表明:随着砂的细度模数降低,ECC的跨中挠度增大,早期强度提高,但后期强度变化不明显。随着水胶比的增大,ECC的初始开裂荷载降低,跨中挠度增大,平均裂缝宽度增加。0.25水胶比的ECC的抗压强度可以满足高强度等级的要求。0.35水胶比的抗压强度可以满足对普通强度等级的要求。随着粉煤灰掺量的增加,ECC的初始开裂荷载降低、抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,平均裂缝宽度变小。在水胶比一定的条件下,采用细砂,适当增加粉煤灰掺量有助于提高ECC的韧性和延性。     

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。      

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。     

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。     

PVA短纤维和粉煤灰对地聚合物基复合材料流变学行为和弯曲性能的影响

利用自行研制的活塞式挤压流变仪研究了掺加聚乙烯醇(PVA)短纤维和粉煤灰的地聚合物浆体在挤压过程中的流变学特性,在此基础上通过单轴挤压机成功制备出宽厚比=12.5∶1.0的短纤维增强地聚合物基复合材料。利用MTS电液侍服机系统研究了各种纤维和粉煤灰掺量的地聚合物基复合材料的弯曲行为。采用扫描电镜(SEM)研究了地聚合物基复合材料中纤维的分布、取向、纤维-基体间界面,以及弯曲实验后试样断裂面上的纤维伸出长度、纤维尖端断裂形貌和纤维表面组织,从细观和微观角度探讨各种地聚合物基复合材料微观结构和弯曲破坏机制。结果表明：PVA短纤维的加入改变了地聚合物浆体的破坏模式,由脆性破坏变为延性破坏;对于不掺或掺加少量粉煤灰(≤10%)的地聚合物基复合材料弯曲强度高,但延性小,当粉煤灰的掺加量≥30%时,地聚合物基复合材料的弯曲强度显著下降,但延性增大。     

高性能PVA纤维增强水泥基复合材料单轴受拉特性

高韧性PVA纤维增强水泥基复合材料具有很高的能量吸收能力,但强度通常较低,采用我国地方材料资源和工业废料,可制备出高强度同时极限变形量满足实际工程要求的高性能PVA纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC),以应用于高层抗震建筑结构的关键部位。通过单轴受拉强度和变形特性试验,研究PVA纤维体积率、粉煤灰掺量、硅灰掺量、水胶比及砂胶比对HPFRCC抗拉性能的影响,研究结果表明:随着PVA纤维体积掺量的增加,HPFRCC的抗拉强度与极限拉应变增大;大掺量粉煤灰替代水泥及增大水胶比可降低HPFRCC的抗拉强度,但明显改善其受拉应变硬化特性;HPFRCC中掺入适量硅灰及细砂可提高其抗拉强度,但极限拉应变降低,尤其当砂胶比较大时,HPFRCC的受拉应变硬化现象不明显;基于细观力学模型,分析了各因素对HPFRCC拉伸应变硬化特性影响的原因,研究结果可为今后HPFRCC的实际工程应用提供基础依据。     

纤维类型及水胶比对海砂ECC宏观力学性能的影响机理分析

通过15组配合比研究了不同纤维类型、体积掺量及水胶比对工程水泥基复合材料(engineering cementitious composites, ECC)宏观力学性能(压缩、三点抗弯)的影响,并从宏观及微观尺度分析纤维对ECC的影响机理。结果表明,体积掺量由2%降低至1%时,日产聚乙烯醇纤维(polyvinyl alcohol fiber, PVA) ECC的抗弯强度降低约37.8%,抗压强度降低约5.7%,国产PVA-ECC的抗弯强度降低约48.8%,抗压强度降低约23.4%,PE-ECC的抗弯强度降低约20.6%,PE纤维掺量的改变对ECC的抗压强度几乎没有影响。水胶比由0.25提高至0.29时,日产PVA-ECC的抗压强度下降约32.6%,国产PVA-ECC的抗压强度下降约28.1%,PE-ECC的抗压强度下降约43%。由灰色关联分析可知,影响ECC抗压性能及抗弯性能的主要因素分别为水胶比和纤维体积掺量。     

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。     

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。     

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。     

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。     

玄武岩格栅增强水泥基复合材料单轴拉伸力学性能试验及本构关系模型

考虑玄武岩纤维增强树脂合物基复合材料(BFRP)格栅层数和水泥基复合材料(ECC)配比等因素,对BFRP增强大掺量粉煤灰/矿粉ECC棒骨试件进行了静力单轴拉伸试验,研究掺加增强粉煤灰/矿粉ECC的抗拉力学性能。结合试验数据,基于Richard和Abbot的弹塑性应力-应变公式提出掺加增强ECC的应力-应变本构关系模型。试验结果表明:随着掺加层数的增加,格栅增强ECC的极限抗拉强度显著增大。同配合比掺矿粉制成的ECC抗压强度、开裂应变及应力高于掺粉煤灰制成的ECC。掺加增强掺矿粉ECC试件相对掺粉煤灰ECC试件具有较好的抗拉力学性能。计算结果表明,建立的单轴受拉本构关系模型可以有效地预测掺加增强ECC的应力-应变关系和极限抗拉强度。     

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。     

Self-healing behavior of strain hardening cementitious composites incorporating local waste materials

The self-healing behavior of a series of pre-cracked fiber reinforced strain hardening cementitious composites incorporating blast furnace slag (BFS) and limestone powder (LP) with relatively high water/binder ratio is investigated in this paper, focusing on the recovery of its deflection capacity. Four-point bending tests are used to precrack the beam at 28 days. For specimens submerged in water the deflection capacity can recover about 65–105% from virgin specimens, which is significantly higher compared with specimens cured in air. Similar conclusion applies to the stiffness recovery in water cured specimens. The observations under ESEM and XEDS confirmed that the microcracks in the specimens submerged in water were healed with significant amount of calcium carbonate, very likely due to the continuous hydration of cementitious materials. The self-healing cementitious composites developed in this research can potentially reduce or even eliminate the maintenance needs of civil infrastructure, especially when repeatable high deformation capacity is desirable, e.g. bridge deck link slabs and jointless pavements.     

Effect of shrinkage reducing admixture on flexural behaviors of fiber reinforced cementitious composites

The use of shrinkage reducing admixture (SRA) at various concentrations was investigated in fiber reinforced cementitious composites. Both mortar and high strength concrete (HSC) matrices were tested. Two types of fibers—steel and polypropylene—were assessed. The effect of SRA was measured on the fundamental properties such as surface tension of the bulk fluids and the contact angle developed between the fibers and the bulk fluids, on the fresh properties such as the air content and the density, and finally on the hardened mechanical properties, specially the flexural behaviors. It was noted that SRA enhances the wettability of fibers and reduces the air content of fiber reinforced cement mortars, while critical SRA concentrations are existing. SRA with critical concentration can significantly improve the flexural toughness and residual strength of steel fiber reinforced cement mortar. In the case of polypropylene fiber, SRA is not as effective in enhancing the flexural behaviors as it is in the case of steel fiber. SRA is generally ineffective in reducing the air content of HSC and the properties of steel fiber reinforced HSC with SRA are inferior to those without SRA.     

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。     

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.