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。     

玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的耐久性研究

确定了玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的最优配合比,将玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料与普通C40混凝土在相同条件下进行耐久性对比实验。结果表明,玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料在300次冻融循环后,质量损失不到1.5%,而在不到150次冻融循环中,普通C40混凝土的质量损失已接近5%;混杂纤维水泥基材料28和56 d的渗透系数为普通C40混凝土的53%和26%,混杂纤维水泥基材料具有较强的抗渗透能力,抗渗性随着龄期增长逐渐增强;碳化时间<28 d时,混杂纤维水泥基材料的碳化深度大于普通C40混凝土,但碳化时间56 d时,混杂纤维水泥基材料的碳化深度为普通C40混凝土的90%;混杂纤维水泥基材料28和56 d的电通量分别为普通C40混凝土的65%和49%,混杂纤维水泥基材料的抗氯离子性能明显高于普通C40混凝土。玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的各项耐久性指标均优于普通C40混凝土。     

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。     

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。      

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。     

混杂纤维增强水泥基复合材料弯曲韧性与纤维增强指数的定量关系

基于掺加CaCO₃晶须的混杂纤维增强水泥基复合材料梁和板四点弯曲试验,提出了确定弯曲韧性指标与纤维增强指数（S）关系的数学公式。S考虑了纤维抗拉强度和机械锚固性能对混杂纤维/水泥复合材料弯拉性能的影响,物理意义明确。公式为二次函数形式,可以反映混杂纤维体系对混杂纤维/水泥复合材料增韧效果,而通过确定二次函数极值,能对纤维配比进行优化。该数学模型对钢-合成纤维和钢-植物纤维增强水泥复合材料均有良好的适用性,且无需考虑基体（水泥砂浆或混凝土）和试件形状（梁或板）。另外,该公式不仅适用于指定挠度处弯曲韧性和等效抗弯强度表征的韧性指标,对ASTM C1018规定的弯曲韧性指标,如I₅、I₁₀、I₃₀和I₅₀等也同样适用。     

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。      

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。      

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。     

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。     

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。      

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。     

玄武岩/聚丙烯纤维水泥砂浆的力学性能与抗裂性

研究了玄武岩纤维、聚丙烯纤维单独和混杂掺加对水泥砂浆工作性、力学性能和抗裂性的影响.结果表明,在掺率为0.075%～0.20%(体积分数)的范围内,单独掺加玄武岩纤维和聚丙烯纤维均可以不同程度地提高水泥砂浆的抗折强度和早期抗压强度,而对28d抗压强度均有不利影响;在体积掺率相同的情况下,掺加玄武岩纤维的砂浆比掺加聚丙烯纤维的砂浆具有更好的力学性能;玄武岩纤维与聚丙烯纤维以适当比例混杂掺加时,可以得到较掺加单一种类纤维更好的效果;混杂纤维可以有效地改善水泥砂浆的韧性,提高水泥砂浆的抗裂性能.     

钢丝网或纤维网增强超高性能混凝土双向板弯曲性能

为研究钢丝网或纤维网对混杂纤维超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)板弯曲性能的影响,进行了四边简支双向板弯曲试验。UHPC中短切纤维为：单掺钢纤维、钢纤维分别与聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维混掺等。研究参数为：钢丝网与玻璃纤维网层数、孔径、混掺纤维比例等。结果表明,单掺体积分数为1.5vol%的钢纤维时,铺设3层和4层钢丝网的UHPC板的极限承载力和25 mm挠度处的能量吸收值较2层分别提升14.9%、32.3%和14.1%、25.2%;孔径较小的钢丝网对UHPC板承载力和韧性提升明显。当混杂纤维总体积分数为1.5vol%且钢丝网2层时,混掺1.0vol%钢纤维和0.5vol%聚乙烯醇纤维对UHPC板增强增韧效果更好,0.5vol%钢纤维与1.0vol%玻璃纤维或玄武岩纤维混掺较0.5vol%钢纤维与1.0vol%聚乙烯醇纤维混掺对改善板峰后持荷能力更有利,即钢纤维与较高弹性模量非金属纤维混掺有利于提高裂后承载力。与玻璃纤维网相比,铺设钢丝网的UHPC板在峰后延性更好。提出了以素UHPC板峰值荷载挠度作为初裂挠度的韧性指标评定方...     

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。     

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。     

超低温作用对超高韧性水泥基复合材料抗弯性能的影响

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为一种具有良好力学性能和耐久性能的新型复合材料,弯曲韧性是评价其力学性能的重要指标。为探究UHTCC材料在超低温环境下的抗弯性能,设计了5组不同纤维体积掺量的UHTCC新材料,经过深冷处理后进行四点弯曲试验,对其进行等效强度分析,提出一种适用于超低温作用后的韧性评价方式,为UHTCC在超低温领域的广泛应用提供理论基础和技术支持。研究结果表明：超低温作用后UHTCC的弯拉强度显著提升,当温度降低至-160℃,UHTCC的弯拉强度最大可提升67.67%,但表现出明显的脆性;超低温环境下1.5vol%UHTCC的强度及韧性性能提升效果最佳,但超出最优掺量后,UHTCC的性能反而略微降低。     

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。      

微胶囊-玄武岩纤维/水泥复合材料的力学性能

以水泥、玄武岩纤维和脲醛/环氧树脂微胶囊为主要材料,制备水泥基复合材料标准试样,研究纤维掺量、纤维长度、微胶囊质量分数、水灰质量比和养护龄期对复合材料抗折强度和抗压强度的影响,利用正交实验确定微胶囊-玄武岩纤维/水泥自修复复合材料力学性能的最优配比。实验结果表明：抗折强度随着纤维掺量的增加而增加,抗压强度随着纤维掺量增加而减小;随着纤维长度的增加,抗折强度略有增加,抗压强度略有降低;抗折强度随着微胶囊质量分数的增加呈现出先增加后减小的趋势,而抗压强度则呈现下降趋势;抗折强度与抗压强度随养护龄期的增加而呈增加的趋势;材料经损伤后修复,抗折强度修复率为117%,恢复率为103%,抗压强度修复率为71%,恢复率为97%。     

缠绕成型混杂纤维复合材料静态拉伸性能研究

研究了T700碳纤维/玻璃纤维、T700碳纤维/玄武岩纤维不同纤维配比混杂材料的层合板拉伸性能。结果表明,混杂纤维层合板的拉伸性能随着碳纤维含量提高而提高;高断裂位移的纤维可以提高混杂纤维复合材料的断裂伸长率。复合材料模量混杂公式得到的理论值与实际测量值比较接近;加入玻璃纤维或玄武岩纤维可以提高复合材料的韧性,同时节省成本。