氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构

本文采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）悬浮液,通过FTIR、XRD和AFM等测试技术对GO晶体结构和尺寸形态进行了表征,考察了GO掺量和水灰比的变化对GO增强水泥基复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明：GO增强水泥基复合材料抗折抗压强度随GO掺量增加而先提高后降低,且对于抗折强度增强效果远超过抗压强度,当GO掺量为0.03%时,抗折强度达到最大值13.72 MPa;高水灰比条件下掺入GO对水泥胶砂强度的提高更显著;通过SEM对GO增强水泥基复合材料微观结构进行表征,发现GO能够优化水泥水化产物的微观结构形态,细化晶体尺寸,形成更加致密均匀的网络结构,从而改善水泥基复合材料的宏观性能。     

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。     

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。     

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。     

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。      

竹纤维和椰纤维增强水泥复合材料

本工作采用竹短纤维和椰壳纤维增强水泥, 改善水泥基体的韧性和抗裂性, 提高了韧度和强度。研究了植物纤维含量、加入乳胶成分和含水量等因素对植物纤维增强水泥复合材料性能的影响, 以及植物纤维复合材料的微观破坏。      

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。     

国家竹纤维和椰纤维增强水泥复合材料

本工作采用竹短纤维和椰壳纤维增强水泥,改善水泥基体的韧性和抗裂性,提高了韧度和强度.研究了植物纤维含量、加入乳胶成分和含水量等因素对植物纤维增强水泥复合材料性能的影响,以及植物纤维复合材料的微观破坏.     

碳纤维/水泥基复合材料微观结构及机敏特性

以普通硅酸盐水泥为基体材料, 以碳纤维为功能组分, 采用压力成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC) 。用SEM 和孔结构分析仪对复合材料的微观结构进行了分析, 同时研究了其机敏特性。结果表明:较大成型压力制备的复合材料孔隙率明显低于较小成型压力制备的复合材料。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势。较小成型压力制备的CFRC , 其临界温度为75～100 ℃; 较大成型压力制备的CFRC , 其临界温度为100～120 ℃。循环载荷下, 碳纤维水泥基复合材料电阻的相对变化与载荷之间呈现明显的一一对应关系, 较大成型压力制备的CFRC 在每个循环过程中电阻相对变化的幅度明显大于较小成型压力制备的CFRC , 更适合应用于结构的实时、动态的健康监测和损伤评估。      

偶联剂改性玄武岩纤维增强水泥基复合材料力学性能

为改善玄武岩纤维(BF)与水泥基材料的界面结合作用,分别采用质量分数为0.4%、0.8%和1.2%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(CG550)、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(CG570)和乙烯基三乙氧基硅烷(Z6518)的三种硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面处理,研究改性后纤维及其增强混凝土的力学性能影响规律。实验结果表明,随着CG550溶液浓度增加,改性玄武岩纤维及其水泥基复合材料力学性能整体呈上升趋势,当CG550溶液浓度为1.2%时,纤维及其增强水泥基材料有最佳的力学性能;随着CG570溶液浓度增加,改性后玄武岩纤维的断裂强度先升高后降低,断裂伸长率基本不变,纤维断裂强度最高提升5.8%,其水泥基复合材料的力学性能随溶液浓度增加呈上升趋势,抗折强度最高提升24.4%,抗压强度最高提升7.3%;随着Z6518溶液浓度上升,改性后玄武岩纤维的断裂强度逐渐降低,但断裂伸长率逐渐增高,表现出较好的延性;其水泥基复合材料力学性能随浓度变化无明显改善。综合考虑实验结果,三种硅烷偶联剂对纤维的改性效果好坏依次为CG570、CG550、Z6518。     

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。     

Controlling fracture toughness of matrix for ductile fiber reinforced cementitious composites

An experimental study was carried out to find material parameters for making fiber reinforced cementitious composites (FRCC) more ductile. One of the dominant factors to control the ductility might be hidden in fracture property of matrix as well as the interface property between fiber and matrix. Therefore this study varied air content and water-binder ratio as the parameters to change the fracture property of matrix and experimentally examined their influence on the ductility of FRCC by three-point bend test with notched beams. As a result, it is concluded that fracture toughness of the matrix could be one of key parameters to control the ductility of FRCC. In case of a polyethylene fiber used in this study, the optimum value of the fracture toughness (critical strain energy release rate): G_IC of the matrix was obtained to be 7.5-8.0 N/m.     

钢渣超微粉/橡胶复合材料的性能及补强-阻燃机制

以磁选热闷渣、未磁选热闷渣、电炉渣和风淬渣作为研究对象,以乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇制备钢渣助磨剂,钢渣助磨剂与钢渣进行复合获得钢渣超微粉。将钢渣超微粉与炭黑N220、促进剂、硫磺、 ZnO、硬脂酸、天然橡胶进行复合,制备钢渣超微粉/橡胶复合材料。研究钢渣种类和钢渣助磨剂用量对钢渣超微粉/橡胶复合材料力学性能和阻燃性能的影响。利用XRF、 XRD、 LPSA和FTIR对化学成分、矿物组成、粒度分布和组成结构进行测试。结果表明,以电炉渣制备的钢渣超微粉/橡胶复合材料的力学性能最佳,以磁选热闷渣或未磁选热闷渣制备的钢渣超微粉/橡胶复合材料的阻燃性能最佳。钢渣助磨剂可以减小钢渣超微粉的粒度尺寸,改善钢渣超微粉的粒度分布均匀程度。随着钢渣助磨剂用量的增加,钢渣超微粉的粒度分布均匀程度改善,钢渣超微粉/橡胶复合材料的力学性能提高,阻燃性能降低。     

聚乙烯醇纤维增强水泥复合材料板的冲切性能

利用MTS试验机对聚乙烯醇纤维(PVA)/水泥复合材料板进行准静态冲切试验,研究了不同PVA纤维掺量对其破坏形态和承载力的影响。结果表明:掺入PVA纤维能够将水泥基板的破坏形态由脆性破坏转为延性破坏。PVA/水泥复合材料板的冲切极限荷载和耗能能力均随PVA纤维掺量增加而增大,其中耗能能力的增大更显著。进一步采用Instron 落锤冲击系统对PVA纤维体积分数为2vol%的PVA/水泥复合材料板进行动力冲切试验,研究冲切速度(2.0~4.2 m/s)对PVA/水泥复合材料板的破坏形态、初裂荷载、极限荷载、初始刚度及耗能性能的影响。结果表明:与准静态试验相比,冲切荷载作用下PVA/水泥复合材料板的极限荷载增大,而耗能减少;此外相对初裂荷载和耗能,极限荷载的冲切速度相关性最显著。基于上述结果,构建了纤维增强水泥复合材料四线型拉伸本构模型,并通过反算模型和塑性铰线方法对纤维增强水泥复合材料板的冲切力学性能进行模拟,并得到材料的本构参数。本研究可以为PVA/水泥复合材料的抗冲切设计提供技术支撑。      

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。      

PVA纤维增强水泥基复合材料热处理后的力学性能

为了促进聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在热环境工程领域中的应用,通过狗骨试件拉伸试验,研究了高粉煤灰掺量的PVA-ECC热处理后的力学性能变化;采用单纤维抗拉试验、单纤维拔出试验以及单裂缝拉伸试验研究了PVA-ECC性能提升的机制。结果表明:在不高于200℃的热处理后,PVA-ECC仍能实现多裂缝开裂,相比20℃,50、100、200℃热处理后的PVA-ECC复合材料的拉伸力学性能提高,其幅度为100℃> 50℃> 200℃;纤维强度不是PVA-ECC抗拉性能变化的控制因素,适当的温度处理提高了纤维与基体的化学黏结力和摩擦力,从而提高了纤维的桥接作用和裂缝的余能,进而提高了PVA-ECC的抗拉性能和摩擦耗能能力。PVA-ECC性能变化的机制分析为PVA-ECC工程设计提供了良好的理论基础。      

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。      

Multiple cracking response of plasma treated polyethylene fiber reinforced cementitious composites under flexural loading

The effects of low frequency cold plasma treatments on the microstructure and chemistry of Polyethylene (PE) have been investigated. PE plates and fibers were exposed to plasmas of argon and oxygen gases. The surface wettabilities of plasma-treated plates were monitored. Possible physical changes on fiber surfaces were observed by a scanning electron microscope (SEM) at micrometer scale and by an atomic force microscope (AFM) at nanometer scale after this process. The effects of plasma treatment on surface chemistry of PE fibers have been analyzed by using an X-ray photoemission spectroscope (XPS). The fibers modified by plasma treatments were used in prismatic cementitious composites. The flexural performance of samples were characterized at two different ages (28 days and 8 months). Results showed that plasma treatment caused significant modifications on fibers’ surface structure and composites’ performance. Proper plasma treatment conditions significantly leads to improvement of multiple cracking behavior of fiber reinforced composites.