严酷环境混凝土结构耐久性修复材料——应变硬化水泥基复合材料耐久性能研究进展

混凝土耐久性问题是世界范围内所面临的一个难题,劣化混凝土结构由于耐久性不足而亟需修复。应变硬化水泥基复合材料(Strain hardening cementitious composites,简称SHCC)通过采用高模量的PVA(聚乙烯醇)纤维,基于微观物理力学原理优化设计而具有应变硬化特性和高韧性特征。采用SHCC对劣化混凝土结构进行修复,可大大改善其耐久性。概括了SHCC在收缩、疲劳和老化作用下,以及在冻融循环、干湿循环、高碱和氯盐环境中优异的耐久性能,表明SHCC可有效解决脆性的水泥基修复材料短期内再次开裂而导致的反复修补状况,显著延长严酷环境既有混凝土结构的使用寿命。     

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)抗拉性能试验研究

采用当地普通工程材料配制出不同配合比应变硬化水泥基复合材料(SHCC),利用外夹式单轴拉伸试验对不同龄期的哑铃型试件进行抗拉性能试验研究,获得了各试件的应力-应变曲线及裂缝开展情况。试验结果表明:各配合比SHCC在单轴拉伸荷载作用下,均可出现显著的应变硬化和多微缝开裂特征,其中A和C配合比系列的极限拉应变超过0.03。试验采用普通河砂制备出抗拉性能优越且稳定的SHCC,改变了采用石英砂制备此类材料的现状,降低了工程造价,为SHCC在工程实际中的推广应用奠定了理论基础。     

防水处理对应变硬化水泥基复合材料孔结构的影响

水泥基复合材料的抗渗性、耐久性乃至强度等与材料的孔结构密切相关。聚乙烯醇纤维(PVA)增强的水泥基复合材料(SHCC)具有应变硬化和多微裂缝扩展特征,材料具有高抗拉强度、韧性和耗能性,但纤维的添加引入了更多的界面与微裂隙。防水处理技术可以提高此类材料的抗渗性。通过压汞试验研究了硅烷防水剂对PVA-SHCC微观结构的影响,结果表明:最大骨料粒径为1.18 mm时,其总孔隙率约为0.3 mm时的50%,内掺型有机硅类防水剂具有使孔结构细化的作用,其平均孔径和最可几孔径下降为未添加防水剂时的二分之一左右,减少了水泥石中的较大孔隙,改善了水泥浆体孔结构、阻止外界气体、水分、离子向水泥基材料内部的渗透,对于提高SHCC抗渗性非常有效。     

PVA纤维增强应变硬化水泥基材料韧性性能研究

水泥基材料抗拉强度低、韧性差是其易于开裂、导致结构耐久性低劣的主要原因之一。高模量聚乙烯醇(PVA)纤维可增强水泥基材料韧性,使其呈现准应变硬化和多缝开裂特征,从而改善结构耐久性。本文通过四点弯曲试验得出了不同加载速率和不同配比应变硬化水泥基复合材料(PVA-SHCC)的力-变形曲线并用CONSOFT软件计算断裂能。结果表明,硅灰使材料的抗压强度有所提高,但最大抗弯承载力和变形下降,断裂能随之降低;甲基纤维素使PVA-SHCC脆性增大;随着加载速率的降低,材料表现出更好的应变硬化性能,微裂缝条数增多。     

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)弯曲韧性研究

砂浆、混凝土等水泥基复合材料易于开裂、耐久性低劣的主要原因是其抗拉强度低、韧性差。高模量聚乙烯醇（PVA）纤维的添加可以增强水泥基材料的韧性，使其呈现准应变硬化和多微缝开裂特性，从而显著改善结构的耐久性。通过四点弯曲试验研究了PVA纤维体积掺量分别为0、0.75%、1.5%的抗折强度，按照ASTM方法确定了SHCC的弯曲韧度指数，通过JCI方法得到了SHCC的弯曲韧性系数。结果表明，最大抗弯承载力和最大挠度均随纤维掺量的增加而增加。结果可由纤维增强材料的应变硬化特性来解释。同时，与数值模拟结果的比较也证实了上述结论。     

应变硬化水泥基复合材料收缩性能的试验研究

湿度变化引起的收缩开裂在工程裂缝中占很大比重,而裂缝是混凝土结构性能退化和使用寿命缩短的主要原因之一。高模量聚乙烯醇(PVA)纤维的添加可以增强水泥基材料的韧性,使其呈现准应变硬化和多微缝开裂特性,从而显著改善结构的耐久性。自由收缩试验结果表明,应变硬化水泥基复合材料(SHCC)14d龄期能完成80%以上的总收缩,但纤维掺量对自由收缩的影响不显著。限制收缩试验表明,纤维掺量为1.5%的SHCC裂缝控制率可以达到90%以上,同时最大裂缝宽度控制在40μm左右,成为工程上认为的无害裂缝。因此,SHCC作为修复材料或新建结构的永久性模板,可带来巨大的经济效益和社会效益。圆环试验给出了基于耐久性能优化设计SHCC材料的一种实用方法。     

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料的弯曲性能预测

基于混凝土断裂力学与细观力学理论,同时考虑钢纤维(SF)/聚乙烯醇(PVA)混杂纤维对应变硬化水泥基复合材料(SHCC)弯曲性能的影响,提出了一种适用于SF/PVA纤维混杂SHCC(SF-PVA/SHCC)弯曲性能的预测方法.开展了SF-PVA/SHCC弯曲性能试验,分析了纤维种类和掺量对SHCC抗弯强度、极限弯曲挠度及弯曲荷载挠度曲线的影响.结果表明所提出的弯曲性能计算方法可以较好地预测SF-PVA/SHCC的抗弯强度和极限弯曲挠度.     

骨料级配对应变硬化水泥基材料力学性能的影响

水泥基复合材料的高脆性是诱发结构开裂、腐蚀甚至失去承载能力的主要原因.PVA纤维增强水泥基复合材料(SHCC)的应变硬化特性和多微缝开裂特征可显著改善此类材料的性能.通过三点受弯和直拉试验对比了骨料颗粒级配合理与否对SHCC材料力学性能的影响.结果表明:适宜的颗粒级配可以显著改善SHCC的应变硬化特性,骨料的最大粒径可以由ECC材料常用的110 μm放大到1.25 mm,便于此类材料在实际工程中的推广应用.     

优化设计水泥基复合材料应变硬化性能研究

对比研究了不同试验方法和纤维掺量下优化设计水泥基复合材料(ECC)的应变硬化性能。各种试验方法下ECC性能差别较大,楔形劈裂、单轴拉伸、三点弯曲、四点弯曲试验所得断裂能依次增大,说明裂缝开展区对ECC应变硬化性能具有很大影响。通过研究认为,四点弯曲试验是较为适合的试验方法。纤维掺量增加能提高ECC的断裂能,但掺量较高时易发生纤维结团现象,对其性能造成不利影响。     

活性再生粉纤维增强应变硬化水泥基材料弯曲及拉伸韧性

通过扫描电子显微镜对再生粉的微观结构进行观测;利用X射线荧光和X射线衍射,对再生粉体及制备的水泥基材料的矿物组成和水化产物进行了测定;通过弯曲试验和单轴拉伸试验对再生粉体制备纤维增强应变硬化水泥基材料(FRCC)的力学性能进行了研究。结果表明：再生微粉以钙硅质氧化物和化合物为主,具有火山灰活性,可以增强其与基体间的二次水化反应,掺入再生粉体可有效提高FRCC的拉伸和弯曲强度;再生粉体-FRCC弯曲韧性随着纤维掺量的增加而提高,当纤维掺量(质量分数)达到2%时,FRCC具有典型的应变硬化特征;利用再生粉体等质量替代粉煤灰时,FRCC的极限应变有所降低,而极限荷载有较大程度提高,提高幅度均达到10%以上,且再生砂浆粉(RMP)、再生砖粉(RBP)比再生混凝土粉(RCP)制备的FRCC具有更好的应变硬化性能;验证了在满足材料韧性要求的情况下,利用再生粉制备应变硬化水泥基材料的可行性,对再生微粉在实际工程材料中的应用提供了参考。     

复掺矿物掺合料对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料弯曲性能的影响

粉煤灰已经成为PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-FRCC)实现准应变-硬化和多缝开裂的重要组分。但是高掺量粉煤灰PVA-FRCC具有基体早期强度过低的缺点,很难实现工程上的应用。在前人研究的基础上,研究基体早期强度高且韧性好的PVA-FRCC。采用四点弯曲、抗压强度和抗折强度试验方法研究了复掺粉煤灰和矿渣PVA-FRCC的抗弯性能和基体强度。结果表明,复掺粉煤灰和矿渣能够显著改善PVA-FRCC的基体强度,特别是早期强度。复掺粉煤灰和矿渣PVA-FRCC都有较好的弯曲挠度和韧性,28 d弯曲挠度不低于20 mm。     

基体组分优化对纤维水泥基复合材料应变硬化性能的影响

纤维增强复合材料(FRCC)在负荷下具有应变硬化和多裂缝类型特征,然而,并不是所有水泥基材料中加入一定量纤维就可得到应变硬化性能,基体组分,加工制作过程的不同和基体缺陷的差异影响着应变硬化的稳定性。依据取得应变硬化行为的微观力学模型和其他一些研究方法,探讨了水灰比、骨料、矿物掺合料、基体缺陷等因素变化对FRCC应变硬化能力的影响。结果表明:在微观力学模型的指导下,优化基体材料的组分能够稳定的取得应变硬化的行为。     

超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评价方法

本文利用薄板试件和梁试件,采用三分点加载,对超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的受弯性能进行了试验研究,并在试验结果的基础上探讨了适于UHTCC弯曲韧性的评价方法。薄板四点弯曲试验表明,UHTCC材料具有可与金属相比拟的弯曲变形能力。四点弯曲梁试验表明,UHTCC材料具有优异的裂缝无害化分散能力,在荷载达到峰值裂缝开始局部化扩展之前,裂缝在整个梁深几乎始终以扁平形式存在和扩展,宽度始终保持在几十个微米量级,不同梁深位置的变形协调通过裂缝条数的变化实现。梁试验表明,UHTCC具有非常高的耗能能力,到达峰值荷载时消耗的能量是对应钢纤维消耗能量的13倍,该材料试件在跨中挠度达到l/60时仍能够保持良好的完整性,是用于结构抗震的理想材料。在弯曲韧性的评价方法分析中发现,ASTMC1018方法中的韧性指数用于评价UHTCC可能会引起一定的误导,将限定计算挠度扩展后的JSCE-SF4方法能够很好地描述该材料的耗能能力,而本文定义的变形硬化系数法通过给出不同变形情况下的抗弯强度,不仅能够有效评价UHTCC的韧性特征,也能够很好地满...     

高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能试验研究

采用聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol,简称PVA纤维)制备高性能纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC),通过立方体抗压强度和梁四点弯曲试验分别研究不同PVA纤维体积掺入量、不同砂胶比以及粉煤灰掺入量对PVA-ECC材料的抗压强度与弯曲性能的影响。结果表明:随着纤维掺入量的增加PVA-ECC抗压强度逐渐降低,但弯曲延性增强。砂胶比的降低使得纤维更好的分散,延性效果得到明显改善。粉煤灰掺量的增加改善了PVA-ECC搅拌时的流动度,梁的抗弯承载力有所降低,但延性提高。     

复合胶凝材料胶砂强度性能研究

本文通过对不同比例的水泥、矿渣微粉和粉煤灰组成的复合胶凝材料的胶砂强度的测定,分析了水泥品种、不同比例的复合胶凝材料组成对复合胶凝材料胶砂强度的影响.通过试验,证明了水泥基复合胶凝材料的胶砂强度并不是简单的与几种掺合料活性指数线性相关,由于存在“诱导激活”等效应其作用明显优于单一的掺合料,反应了效应叠加的优点,存在着优化的掺量搭配.     

生态型高延性水泥基复合材料关键力学性能和成本分析

制备高延性水泥基复合材料(HDCC)所用日产进口PVA纤维和磨细石英砂的高昂材料成本,限制了其在国内的大面积推广和应用。以降低生产成本和推动HDCC的应用为目标,首先利用国产短切粗PVA纤维、经级配优化且最大粒径为1.18 mm的普通河砂、大掺量粉煤灰制备低成本生态型高延性水泥基复合材料(ECO-HDCC);再系统研究ECO-HDCC的基本力学性能及其影响机理;最后对比分析ECO-HDCC与传统HDCC的生产成本。力学性能试验结果显示,调控水胶比和PVA纤维体积掺量可以制备得到抗压强度为20~40 MPa、四点弯曲强度为9.0~11.0 MPa、跨中挠度为10~18 mm和单轴极限拉应变达1.9%的ECO-HDCC;成本分析显示ECO-HDCC生产成本仅为传统HDCC的1/3。低成本ECO-HDCC的制备成功为其在国内大面积推广和应用提供了理论指导。     

掺入短切纤维的纤维编织网增强混凝土薄板弯曲力学性能试验研究

为研究掺入短切纤维的纤维编织网增强混凝土(简称TRC)薄板的受弯承载能力及裂缝开展,对其进行了四点弯曲试验,对比分析了TRC薄板纤维编织网浸胶的处理、水灰比、短切纤维种类和掺量,以及钢纤维长径比等因素的影响。在此基础上,采用环境扫描电镜及能谱仪对短切纤维与纤维编织网在混凝土基体中的微观形貌进行观察。研究结果表明：对浸胶处理的TRC薄板、掺入碳纤维和聚丙烯纤维的试件的承载力提高幅度分别为16%和32%;掺入钢纤维并未提高薄板的承载力。未浸胶处理的TRC薄板,掺入短切碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维和掺入短切钢纤维与聚丙烯纤维混合纤维的试件,其承载力的提高幅度分别为132%、47%、27%和86%,且钢纤维和碳纤维掺量越多,薄板开裂后刚度越大,但聚丙烯纤维的掺量不宜偏高。短切碳纤维与钢纤维均能有效减缓裂缝的扩展,但在微观裂缝处两种纤维的交联作用机理不同;掺入短切纤维可使薄板裂缝数量增多。     

聚乙烯醇纤维对矿物掺合料砂浆阻裂性能研究

按照水灰比0.5,胶砂比1∶3设计砂浆,分别研究聚乙烯醇纤维掺量与矿物掺合料砂浆产生裂纹的数量、长度、宽度以及初裂时间等的关系,从而表征砂浆的阻裂性能,并与聚丙烯纤维的掺入效果进行比较,试验表明:每立方米矿物掺合料水泥中砂浆掺入0.9 kg聚乙烯醇纤维能明显的提高的阻裂性能,为纤维增强阻裂砂浆的应用提供了理论依据。     

高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)的制备及其力学性能研究

采用常规的材料及通用的工艺力法,通过加入不同纤维、降低水胶比、去除粗骨料等方法配制抗压强度接近100 MPa的高性能纤维增强水泥基复合材料,并进行抗压强度、抗折强度、抗拉强度、静力弹性模量等力学性能试验,结果表明:高性能纤维增强水泥基复合材料不但具有较高抗压强度,其韧性及变形能力良好,适应现代工程结构的发展需要。     

Incorporation superabsorbent polymer (SAP) particles as controlling pre-existing flaws to improve the performance of engineered cementitious composites (ECC)

This paper concerns a new concept for introducing superabsorbent polymer (SAP) particles as pre-existing flaws into matrix to improve tensile property, flexural property, drying shrinkage and restrained shrinkage of engineered cementitious composites (ECC). The experimental results show that all ECC mixtures exhibit excellent ductility, more than 1.5%. Incorporating SAP particles in ECC matrix can apparently improve tensile strain capacity and toughness of ECC specimens. Compared to control specimens, tensile capacity and deflection of ECC with SAP particles can increase 92% and 77%, respectively. Moreover, SAP particles have an apparent effect on ECC with 50% fly ash (FA) compared with ECC with 70% FA. Meanwhile, introducing SAP in matrix is effective in reducing drying shrinkage and restrained shrinkage of ECC specimens, due to water-entrained capacity of SAP particles. However, SAP particles can reduce compressive strength of 5-15% compared to control specimens. In addition, increasing FA content can also increase tensile capacity and decrease drying shrinkage and restrained shrinkage of ECC specimens.