碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载‒应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载‒应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。

建筑用CA-SA@SiO_(2)相变微胶囊制备及其性能优化研究

为解决脂肪酸相变温度高于建筑应用要求,以及已有脂肪酸相变微胶囊包覆率和相变潜热低的问题,首先制备了二元相变材料癸酸-硬脂酸,热性能结果表明,癸酸-硬脂酸相变温度和相变潜热为24.28℃和178.21 J/g,满足建筑应用要求。在此基础上以SiO_(2)为壁材,采用溶胶凝胶法对癸酸-硬脂酸进行封装,制备不同芯壁比的CA-SA@SiO_(2)相变微胶囊,并对其微观形貌、粒径大小、热性能、化学稳定性及抗渗漏性能进行表征。结果表明,芯壁比直接影响相变微胶囊的各项性能,其中最优芯壁比为50∶50,此时微胶囊呈球形且光滑致密,粒径范围为2~500μm,主要集中于50μm以下,壁材仅靠物理作用包覆芯材,微胶囊化后壁材可以提高芯材热稳定性,且热分解温度明显高于墙体材料使用环境,平衡渗漏率仅为4.53%,相变温度为24.63℃,处于人体舒适范围内,相变潜热和包覆率为138.16 J/g和77%,有效解决了相变温度高和包覆率、相变潜热低的问题,为相变储能建筑围护结构提供适宜温区、高能效密度与高稳定性兼容的新材料。

高竖向承载力MRE支座的试验和力学模型研究

磁流变弹性体(magneto-rheological elastomer,MRE)隔震支座竖向承载力低,竖向荷载对支座力学性能影响显著,限制了MRE支座的工程应用。通过增设竖向连杆承担竖向荷载,永磁铁提供恒定磁场,研发了MRE片与钢板交替叠合、剪切刚度双向可调的隔震支座。采用有限元方法分析了MRE片厚度、永磁铁厚度和永磁铁放置位置等对支座磁路的影响,设计制作了芯体直径为60 mm,由26片MRE和25片钢板组成的MRE叠层隔震支座。开展了不同频率、振幅、电流大小和配重下支座力学性能试验,基于试验结果,采用粒子群算法对支座的Bouc-Wen模型进行参数识别,建立了支座的Bouc-Wen模型。结果表明,所设计的MRE支座竖向承载力高,力学性能稳定,Bouc-Wen模型可以准确地描述支座的滞回特性,拟合数据与试验结果吻合较好。

熔丝制造3D打印CFRP层内损伤破坏机理与模型研究

为将3D打印技术应用到桥梁工程中,以熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环为研究对象,开展了材料层内损伤失效机理的基础性研究工作.首先,对锚环进行了张拉锚固破坏试验,明晰材料的损伤失效模式.其次,测试分析了材料的弹性参数及强度参数值,供后续仿真分析使用.最后,通过VUMAT子程序构建了材料的损伤失效本构关系,利用ABAQUS仿真分析软件模拟熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环的渐进损伤失效全过程,分析其层内损伤失效机理.结果表明:熔丝制造3D打印碳纤维复合材料具有显著的层内损伤现象;选用Hashin损伤起始判据与刚度瞬间退化模型作为熔丝制造3D打印碳纤维复合材料损伤力学模型偏于安全,具有一定的可行性;锚环在高度方向产生纵向裂纹是由纤维拉伸失效导致的.

混凝土复合柱受力及热工性能数值模拟研究

为了研究预埋FRP拉挤型材-混凝土复合柱受力性能,对其进行数值模拟。通过选取适当单元类型、材料属性以及划分网格,比较FRP-混凝土复合柱、传统钢筋混凝土和型钢-钢筋混凝土嵌入柱之间的结构性能。结果表明:FRP型材复合柱的抗压性能与钢筋混凝土柱接近,复合构件有效地补偿了结构受力不均,结构受弯性能和耐火性能有显著提升,显示出FRP-混凝土复合柱在工程应用中的可能性。

硫酸盐-干湿循环下UHPC耐久性及本构模型研究

为研究干湿循环作用下超高性能混凝土(UHPC)经不同浓度硫酸盐溶液侵蚀后的单轴压缩损伤特征及应力-应变行为,从而有效评价不同侵蚀程度下UHPC的力学性能,对四组UHPC试件进行了硫酸盐和干湿循环耦合试验,证明UHPC试件的质量及立方体抗压强度随干湿循环周期发展呈先上升后下降。利用声发射(AE)系统研究了单轴压缩模式下的损伤演化,将UHPC的单轴压缩损伤过程分为了四个阶段,结果表明,应力-应变曲线的阶段性发展与声发射特征参数的趋势关联紧密,UHPC的损伤演化与声发射振幅(AEA)联系紧密。最后根据应力-应变数据建立了侵蚀损伤本构模型,该模型能够准确地反应UHPC经硫酸盐和干湿循环耦合作用后的单轴压缩损伤演化规律,可为盐碱地区混凝土结构的设计和安全运行提供参考。

碳纤维复合材料在建筑加固工程中的应用

碳纤维复合材料具有强度高、质量轻等特点,在建筑加固工程中应用的碳纤维材料包含碳纤维板及碳纤维布两种,其加固操作简单、适用面广,相比传统加固方式优势明显。本文主要分析了碳纤维复合材料的加固原理及其优势,介绍了碳纤维复合材料在建筑加固中所应用的内嵌入式及外贴式加固方法,并对未来的应用做出展望,以期能够为碳纤维复合材料在建筑加固工程中的使用提供借鉴意义。

柔性层状石墨烯感应元件制备及其力敏特性

为了弥补现有传感器在混凝土非连续变形监测上的不足,采用特殊构型法,以还原氧化石墨烯-纳米纤维素(RGO-CNF)为传感层、聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基层,设计和制备了PDMS/RGO-CNF/PDMS层状感应元件,对其力学、电学和力敏性能进行测试和分析.结果表明,CNF能够有效地协助RGO在异丙醇中均匀分散,经化学溶胀和孔隙填充构建的传感层与基底层紧密结合,能够承受超过100%的拉伸应变.感应元件经过约10次循环拉伸后,应变电阻响应达到稳定状态,表现出良好的可回复性和可重复性.在0~10%应变下,感应元件的电阻变化率近似呈线性变化,灵敏系数可达15,随应变继续增大,电阻变化率呈指数型增长.应变电阻响应强度随应变速率的增大而提高,利用建立的考虑应变率效应的应变电阻响应模型,能够较好地预测感应元件的力敏行为.

玄武岩纤维对混凝土力学性能影响与增韧分析

对不同体积掺量和不同长度的短切玄武岩纤维混凝土开展单轴抗压试验和巴西劈裂试验,分析玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响。结果表明,玄武岩纤维的掺入使混凝土的破坏形态由脆性破坏向延性破坏转变。混凝土各龄期的立方体抗压强度在玄武岩纤维掺量0.05%和0.10%时均有不同程度的提升,当玄武岩纤维掺量提高到0.20%时,则有所降低;混凝土各龄期的劈裂抗拉强度在不同掺量下均有不同程度的提升。玄武岩纤维可以显著提升混凝土立方体的抗压韧性。对养护龄期为28 d时的混凝土而言,长度12 mm的玄武岩纤维,对混凝土韧度提升优于长度18 mm的纤维,其中体积掺量为0.05%时,对混凝土抗压韧度提升显著效果优于长度18 mm的纤维。

玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能及失效分析

管道修复用紫外光原位固化(Ultraviolet cured-in-place pipe,UV-CIPP)材料是一种玻纤复合材料,其抗弯性能是评价管道修复效果以及材料优化设计所需的重要参考指标。以玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料为研究对象,考虑固化时间、固化距离、紫外灯功率和材料厚度的影响,基于融合高清视频和SEM观测的三点弯曲试验,对玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能和失效机制进行了研究。结果表明,UV-CIPP材料的失效过程可以分为三个阶段:弹性阶段、基体开裂阶段和玻纤布断裂阶段,基体开裂、脱粘分层和纤维拉拔断裂是玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲失效的主要原因。在单一变量影响下,玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲强度和弯曲模量随固化时间、固化距离和紫外灯功率的增大均呈现出先增大后减小的趋势,随着材料厚度的增大却逐渐减小。本研究不仅为UV-CIPP材料的优化设计提供了参考依据,也为国产化UV-CIPP材料的发展奠定了重要基础。

CFRP板纵向加固RC柱在水平低周循环荷载下的力学性能研究与应用

开发了一种纵向粘贴CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer,碳纤维增强复合材料)板的RC(Reinforced Concrete,钢筋混凝土)柱抗弯加固系统,该加固系统由纵向粘贴在柱表面的预制CFRP板和防止柱底CFRP板脱粘的混凝土加厚层组成.为研究纵向粘贴CFRP板对RC柱的抗弯性能影响,设计并开展了5根足尺矩形RC柱的水平低周循环加载试验.研究结果表明:粘贴CFRP板加固能有效延缓柱的开裂;柱的破坏模式得到明显改善;相较于未加固柱子,粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的RC柱极限承载力分别提高了15.1%和17.4%;加固后柱的抗弯承载力和刚度得到提高,但增加CFRP板的层数对极限强度和刚度没有显著影响,反而会降低柱的延性,相较于仅采用增大柱底截面的方式加固的对照柱,粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的试验柱的延性系数分别降低16.2%和35.1%;试验过程中,由于柱与基础节点承载力的限制,CFRP的最大应变仅达到极限应变的24%,抗拉强度未得到充分发挥.该加固方法已在某医院加固工程中得到应用,跟踪研究表明,加固后柱子的抗弯承载力有明显提升,加固方法得到工程业界的认可.

混杂B/CFRP层合板拉伸性能及疲劳寿命仿真

为探究混杂玄武岩纤维/碳纤维增强复合材料(B/CFRP)层合板的力学响应和疲劳寿命,采用湿铺层法制作混杂层合板,通过单向拉伸试验方法研究了B/CFRP层合板在不同铺层数量和不同长度下的基本拉伸性能.借助ABAQUS精细化有限元模型,对混杂层合板拉伸过程中响应特征进行模拟研究.结合疲劳理论,分析了B/CFRP层合板的应力-寿命曲线,并基于静载仿真结果,预测了B/CFRP层合板在不同应力幅、应力比下的疲劳寿命.试验结果表明,试件长度对层合板力学性能影响不显著,随着BFRP层数的增加,层合板逐渐出现多级断裂现象.有限元仿真值与试验值较为吻合,B/CFRP层合板疲劳极限强度为0.568倍极限强度.相同应力比情况下,应力上限越大,疲劳寿命越短,且变化幅度较为明显.当应力上限低于0.7倍极限强度时,仿真寿命与理论寿命相差较小.

桥梁结构中E-GFRP单向板徐变性能与双尺度均匀化数值评估

由于玻璃纤维增强复合材料(GFRP)组分材料中的树脂属于高分子材料,桥梁工程界对GFRP结构的徐变性能十分担忧,阻碍了其推广应用。该文聚焦于桥梁工程E型玻璃纤维增强复合材料(E-GFRP)单向板,基于双尺度均匀化数值模拟方法,从纤维和树脂的徐变性能评估了E-GFRP单向板的徐变性能,并与试验结果进行比较验证了预测结果的准确性。在此基础上,分析了应力水平、纤维体积率及持荷形式对E-GFRP单层板徐变性能的影响,结果表明,应力水平越高、纤维体积率越小,单层板的徐变粘滞应变越大。在此基础上,提出了不同纤维体积率下E-GFRP单层板粘滞应变模型,准确表述了应力水平、持荷时间和徐变应变之间的关系。最后,提出了E-GFRP单层板徐变断裂时间预测公式,可为E-GFRP结构的长期性能预测提供参考。

极端湿热环境对CFRP/钢界面性能的影响

为掌握极端湿热环境下CFRP/钢界面性能的退化机理,用Sika-30胶黏剂制作了12个CFRP/钢双搭接试件,并在70℃的模拟海水中浸泡不同时间后进行拉伸剪切试验.结果表明:CFRP/钢双搭接试件的破坏模式受浸泡时长的影响较小;CFRP/钢界面平均抗剪强度随浸泡时长呈先上升后下降趋势;浸泡90 d后,CFRP/钢界面平均抗剪强度较未浸泡试件下降了35.6%.

改性凹凸棒土的孔结构与吸放湿性能研究

针对机械式湿度调节能耗过高的问题,利用热改性、酸改性、碱改性,以及无机盐改性4种改性方式,对天然多孔矿物凹凸棒土进行改性,制备具有高效吸放湿性能的材料,用于被动调节室内湿度,从而实现建筑节能;通过XRD、SEM和BET等方法表征分析改性前、后凹凸棒土的物相与微观形貌,对比测试改性前、后样品的吸、放湿效率,系统探究不同改性方式对凹凸棒土吸放湿性能的影响。结果表明:700℃热改性有利于熔融凹凸棒土表面的针状晶体,形成更丰富的孔隙结构;浓度1 mol/L盐酸酸浸处理有利于去除杂质,增加微孔数量;在相对湿度33%~98%的环境下,相较于原矿,热改性和酸改性样品的120 h吸湿率分别提高了41.14%和35.32%,酸改性样品的放湿率提高了34.54%。

SMA/预应力CFRP片材增强混凝土梁全过程受力性能分析

为验证通过形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)丝材升温产生回复应力形成预应力碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)片材增强技术的效果,开展了增强钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究。制作了引入预应力分别为100MPa和200 MPa的抗弯性能试件,对试验梁的破坏模式、荷载-挠度曲线及应变发展过程进行分析,提出了增强梁受弯全过程受力分析方法。结果表明:在屈服阶段和强化段进行加卸载循环,SMA丝材在不同预应变下的应力-应变加卸载关系曲线形式基本一致;当SMA丝材预应变为10%时,最大回复应力达到448.5MPa;同样预应变条件下,通过升温回复的方式将预应力引入CFRP片材中,最大回复应力降低了37.8%~39.5%;增强梁的开裂弯矩和屈服弯矩均有显著提升。由于CFRP片材发生端部剥离破坏,预应力效应并没有很好地限制裂缝的发展,刚度提升有限。计算结果与试验结果吻合较好,证明所提出的受弯全过程分析方法可以用于SMA丝材升温产生回复应力形成预应力CFRP片材增强梁的受弯力学性能预测。

新型导电水泥基复合材料导电性能研究

采用炭黑作为主要导电掺料,加入少量碳纳米管和钢纤维构建高效导电网络以提高导电性能,研究其在不同环境中的稳定性以及微观形态下复相导电掺料的协同作用。结果表明:掺5%炭黑、0.3%碳纳米管、0.6%体积掺量钢纤维的导电水泥基复合材料C5P3F6固化28 d电阻率为304Ω·cm,比传统水泥基复合材料降低94.5%;掺5%炭黑、0.9%碳纳米管、0.6%体积掺量钢纤维的导电水泥基复合材料C5P9F6受水泥水化、干燥环境和温度的影响较小,表现出较为优异的稳定性。微观形态下能观察到导电掺料分散性较好,碳纳米管、钢纤维有效地与分散的炭黑协同作用桥接成为导电网络。

材料组成对超高性能应变硬化水泥基复合材料的影响

为探究材料组成对超高性能应变硬化水泥基复合材料的力学性能的影响,采用正交试验,以硅灰掺量、矿渣掺量、砂胶比为影响因素制备超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC),并对其力学性能进行综合分析。结果表明,硅灰掺量对其抗压强度、初裂强度和抗拉强度影响较大,砂胶比对它的极限拉应变影响较大;在硅灰掺量为30%、矿渣掺量为15%、砂胶比为0.4、PE纤维掺量为2%,水胶比为0.16的情况下,其综合力学性能较好。

FRP-钢组合板本构模型研究

为探讨FRP-钢组合板的抗拉性能,文中根据复合材料混合理论,提出FRP-钢组合板应力-应变本构模型。考虑FRP与钢板不同材料用量的影响,制作4组8个FRP-钢组合板试件,进行单轴拉伸试验。通过试验得到破坏模式、荷载-位移曲线,结果表明组合板均发生FRP拉断破坏。最后推出组合板的应力-应变关系,与理论模型进行对比,二者吻合较好,表明文中提出的理论模型能较准确描述拉伸作用下组合板的本构模型,为FRP-钢组合板的设计和应用提供依据。

纤维改性电磁吸波集料混凝土的吸波特性和机械性能

普通混凝土电磁防护能力弱,传统水泥基吸波材料力学性能不足、耐久性差,为此提出电磁吸波陶粒和纤维组分结合的混凝土设计方法.将碳纤维(CF)、玄武岩纤维(BF)和聚丙烯纤维(PF)作为增韧和改善混凝土电磁参数的材料,在不同纤维种类和体积掺量下,通过实验研究纤维改性电磁吸波集料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、抗冻性能等机械性能.实验结果表明,3种纤维均改善了电磁吸波集料混凝土的吸波特性,特别是在高频率Ku波段(12~18 GHz),当反射率小于-7 dB时,宽度大幅拓宽,反射率峰值下降明显.BF和PF显著提升了电磁吸波集料混凝土的抗压和劈裂抗拉强度,BF对早期强度贡献较大,PF在各龄期持续优化强度.3种纤维均使电磁吸波集料混凝土抗折强度较基础组提高超过50%,3种纤维均优化了电磁吸波集料混凝土抗冻性能.试件经历150次冻融循环后,较基础组减少质量损失均超过50%,相对动弹性模量提升了8%~24%.