低温下玄武岩纤维混凝土劈拉强度尺寸效应试验

为研究极端低温作用下结构尺寸和纤维体积分数对玄武岩纤维混凝土劈拉强度的定量影响规律和作用机制,设计了4种尺寸(边长分别为70、100、150和200 mm)、4种纤维体积分数(分数范围0%~0.5%)的玄武岩纤维混凝土立方体试块在常温和低温下(温度范围20~-90℃)进行了静态劈拉破坏试验。试验结果表明:不同类型混凝土的劈拉强度均随温度降低而线性增大(最大增幅接近130%),呈现出显著的低温增强效应;玄武岩纤维的掺入能略微强化混凝土劈拉强度的低温增强效应。不同纤维体积分数玄武岩纤维混凝土的劈拉强度均呈现出一定的纤维增强效应,并且随体积分数增加而增强;极端低温作用下玄武岩纤维的主导破坏模式由拔出破坏转变为拉断破坏,导致纤维增强效应随温度下降而变强。劈拉强度的尺寸效应随温度下降而更明显,但玄武岩纤维的掺入能减弱尺寸效应(最大削弱程度达25.8%)。本文研究能为玄武岩纤维混凝土材料在极端低温环境下的大规模工程结构应用提供有效参考。

氧化石墨烯改性纤维增强水泥基材料的拉伸性能

为了提高聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基材料的力学性能,将氧化石墨烯(GO)引入PVA纤维增强水泥基材料中,探究GO掺量在0%~0.05%范围内对材料单轴拉伸性能的影响.结果表明:掺入适量的GO能够有效提高材料的单轴拉伸性能,当GO掺量为0.01%时,28 d时材料的初裂拉伸强度、极限拉伸强度和极限拉伸应变均达到最大值,与未掺GO的对照组相比分别提高了26.97%、31.28%、23.25%;适量的GO可以优化孔隙结构,减少材料内部缺陷,促进水化产物的生成,使微观结构致密化,增强纤维和基体间的界面结合力,从而改善PVA纤维增强水泥基材料的宏观性能.

钢纤维增强碱矿渣再生骨料混凝土的力学性能

碱矿渣再生混凝土是以碱激发胶凝材料替代水泥、再生骨料取代天然石子制备而成的新型混凝土,能有效降低波特兰水泥用量,提高废弃混凝土利用率,但尚未见对其力学性能的相关研究。为研究碱矿渣再生混凝土的基本力学性能,以钢纤维取代率和再生骨料取代率为主要试验参数,进行抗压试验、劈裂抗拉试验和抗折试验。研究结果表明:随着再生粗骨料取代率的增加,碱矿渣再生混凝土的抗压强度f_(cu)、劈裂抗拉强度f_(t)和抗折强度f_(w)均降低,再生粗骨料取代率为100%时的降低幅度分别为30%、10%、15%;碱矿渣再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随钢纤维体积取代率增加先提高后降低,钢纤维体积取代率为0.6%时,抗压强度和抗折强度达到最大值;碱矿渣再生混凝土抗折强度随钢纤维体积取代率增加而增加。

定向钢纤维水泥基复合材料的含砂率及定向时程影响规律

为研究钢纤维水泥基复合材料中钢纤维定向分布规律,考虑定向时程和含砂率两种因素,基于团队自主研发的钢纤维定向设备,制作32个试件。在恒定磁场下,系统地开展了梯度定向时程与含砂率钢纤维定向试验,利用COMSOL有限元模拟定向试验磁场分布情况,通过CT-X射线扫描技术获取不同试件的截面图像,计算钢纤维的方向系数,讨论钢纤维受梯度定向时程与含砂率影响下的定向规律。研究结果表明:随着定向时程的增加,在相同含砂率条件下,钢纤维的方向系数在初始阶段迅速提升,然后逐渐减缓,最终趋于稳定;在相同定向时程下,含砂率过高或过低都会对钢纤维的定向效率产生不利影响,控制含砂率在40%左右时可以获得相对理想的钢纤维定向效果。

细聚丙烯纤维混凝土介观离散力学模型及其Ⅰ型断裂强度负效应机理

细聚丙烯(PP,直径小于100μm)纤维混凝土Ⅰ型断裂强度随纤维含量增加呈现先增后减的变化规律,其机理尚不明晰。而且由于纤维数量过多,现有数值方法无法精细刻画细纤维混凝土力学行为。对此通过考虑细PP纤维亲水性提升基体局部水灰比的强度正效应和纤维桥接力强度贡献低于砂浆的强度负效应,并引入纤维直径等效系数(rf),实现介观尺度细聚丙烯纤维混凝土(PFRC)力学行为模拟。研究表明:纤维直径等效系数(rf)建议小于10;当纤维微量添加时,细PP纤维提升基体局部水灰比,使基体强度上升,此时正效应高于负效应;随着纤维含量增加,由于纤维桥接力贡献无法补偿相应面积基体强度,负效应持续增长,PFRC宏观Ⅰ型断裂强度下降。

短切玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响

为了提高混凝土的力学性能,研究短切玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响规律。把不同体积掺量(0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%)、不同长度(6 mm、12 mm)的短切玄武岩纤维掺入以C40混凝土为主的不同基体强度等级的混凝土中,进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度试验,分析短切玄武岩纤维对混凝土力学性能产生的影响,并拟合出C40混凝土抗弯强度与短切玄武岩纤维体积掺量的数量关系。结果表明:同一掺量下,12 mm短切玄武岩纤维比6 mm短切玄武岩纤维提升混凝土力学性能效果更佳;C40混凝土在12 mm短切玄武岩纤维掺量为1%时,其立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、拉压比和抗弯强度对比未掺入玄武岩纤维的混凝土分别提高7.11%、30.00%、21.34%和24.89%,此时混凝土力学性能提升效果最佳。

玄武岩纤维棒聚合物混凝土的弯曲韧性

研究了玄武岩纤维棒(BFB)的纤维增强指数I_(R)对玄武岩纤维棒聚合物混凝土(BFB-PC)韧性指标T_((2(n-1)))(n)的影响,通过分形理论探究了T_((2(n-1)))(n)与裂缝形貌的关系,并建立了弯曲韧性计算模型.结果表明:当IR=90.0时,BFB对BFB-PC的增韧效果最优,此时BFB-PC的弯曲韧性比未掺BFB时提升了8.39倍;BFB的增韧阈值为IR=37.5和IR=90.0;当IR相同时,与未掺聚合物的混凝土相比,聚灰比为0.06的BFB-PC T_((2(n-1)))(n)更高;IR越大裂缝形貌越复杂,T(2(n-1))(n)与裂缝分形维数呈二次函数关系;本文提出的弯曲韧性计算模型准确描述了BFB对PC梁的增韧作用,其试验值与理论值的相对误差小于15.00%.

纳米碳材料在水泥基材料中分散技术及表征方法的研究进展

纳米碳材料具有独特的结构和优异的性能,能够作为增强材料改善水泥基材料的性能,受到了广泛研究与关注,然而这均以纳米碳材料在水泥中能够良好分散为基础。纳米碳材料比表面积大,分子间作用力强,难以直接分散在水泥基体中,且分散效果也不易判断。本文系统梳理了常见的纳米碳材料在水泥基材料中团聚的机理,总结了近年来国内外学者采用的分散技术,详细分析了各种分散方法的机理与优缺点,同时列举了纳米碳材料在水泥基材料中分散效果的表征方法。在未来的研究中,可以重点开发更高效、更适合工业化生产的分散方法,研究纳米碳材料在水泥基体中真实分散状态的评价手段,助力纳米碳改性水泥基复合材料在实际工程项目中的规模化应用。

不同纤维对高强轻骨料混凝土力学性能影响及微观机理研究

为改善高强轻骨料混凝土的力学性能和弯曲韧性,研究了玄武岩纤维、细聚乙烯醇纤维、仿钢纤维、聚丙烯纤维和粗聚乙烯醇纤维的掺入对高强轻骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度的影响规律。通过4点弯曲试验获取荷载-挠度曲线,基于韧性指标对比分析了5种纤维对高强轻骨料混凝土弯曲韧性的影响。通过扫描电子显微镜观察纤维破坏前后的表面微观形貌,阐释了不同纤维的增强增韧机理。研究结果表明:掺入纤维对高强轻骨料混凝土的力学性能均有提升,主要提升高强轻骨料混凝土的抗拉性能和弯曲韧性。粗聚乙烯醇纤维提升劈裂抗拉强度和抗弯强度程度最大,分别提高了83%和220%,使高强轻骨料混凝土破坏由脆性转为高延性。纤维对高强轻骨料混凝土抗拉性能和韧性的提升与纤维表面损伤程度成正比。

纤维尺寸效应对深井井壁衬砌支护层力学特性的影响

为探究纤维尺寸效应对深井井壁钢纤维混凝土力学特性及应变演化的影响,设计三种不同钢纤维尺寸和掺量的混凝土配方,通过测试试样的力学特性后得知,随着钢纤维尺寸、掺量的增加,试样单轴抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及弹性模量提升。借用数字图像相关技术对试验过程监测发现,钢纤维的加入使得试样破坏时表面裂纹数量、长度远大于素混凝土试样,随着钢纤维尺寸的增加,试样破坏时试样表面裂纹宽度有所下降,混凝土试样的轴向变形降低。当试样到达峰值荷载时,素混凝土迅速失稳破坏,而钢纤维混凝土试样在到达峰值荷载时仍然存在一定残余强度。运用随机森林模型对钢纤维混凝土测试强度进行训练、测试与预测,结果表明训练、测试、预测样本精度较高,R 2>0.8,均方根误差值较小,改进随机森林模型对钢纤维混凝土强度的预测较精确,利用此预测模型,可大幅度降低优化钢纤维混凝土配方所需要的人力与物力成本,结果可为现场混凝土配方强度预测提供参考。

RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化计算模型研究

为了方便活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)等效矩形应力图系数与塑性损伤因子的计算与取值,对RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子的计算模型进行了理论研究。通过对现有的计算方法进行无量纲化转化,推导了决定计算模型的四个原函数条件;对一个实际的应力-应变关系进行了计算,将得到的结果进行了分析;并对受弯矩形梁非极限状态下截面内力和力矩的推定计算进行了演示。针对应力-应变关系式含有非整次有理分式的情况提出了曲线拟合方法;研究了拟合次数、拟合区间和拟合函数类型对拟合精度与稳定性的影响。比较了4种典型的RPC本构模型在同种材料下的应力-应变曲线系数与损伤因子取值模型曲线,结果显示:拟合曲线得到的取值模型与其他原始曲线得到的取值模型在曲线上具有较高的相似度,证明了曲线拟合方法的准确可靠性;最后给出了一种RPC受压应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化取值模型。

钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

对比研究了钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土(UHPC)工作性能及力学性能的影响,并通过SEM分析研究其演化机理。结果表明:随钢纤维掺量的增加,UHPC的工作性能变差,且端勾型钢纤维对工作性能劣化最明显。当钢纤维掺量为1.5%~2.5%时,端勾型和长直线型钢纤维UHPC的抗压、抗折及劈裂抗拉强度较高;当钢纤维掺量超过1.0%后,UHPC的拉压比会出现大幅提高,折压比相对提高不明显;当钢纤维掺量为1.5%~2.0%时,短直线型钢纤维UHPC的力学性能和工作性能最佳。SEM分析发现,钢纤维在基体中错向连续搭接分布,形成三维网状结构,能够阻止宏观裂缝的产生和微裂纹的发展,使UHPC表现出良好的力学性能。

植物纤维增强混凝土力学性能试验研究

以剑麻纤维、黄麻纤维和竹纤维为增强体,研究了植物纤维对混凝土的抗压、抗折等力学性能的增强效果,以及植物纤维的长度、掺入量和纤维分布对增强效果的影响,并与聚丙烯纤维增强效果进行对比分析。试验证明:植物纤维对混凝土抗压强度的影响可忽略不计,但对混凝土抗折强度产生重要影响。剑麻纤维(长度20 mm,体积分数1.5%)、竹纤维(长度10 mm,体积分数1.0%)和黄麻纤维(长度10 mm,体积分数1.5%)增强效果均较好,竹纤维增强效果优于其他两种植物纤维。植物纤维混掺增强效果优于单一植物纤维增强效果,总体积分数1.5%的“剑麻纤维—黄麻纤维—竹纤维”混掺增强效果最好。

钢-玄武岩混杂纤维混凝土压力管道有限元分析

重点研究了掺入钢-玄武岩的混杂纤维混凝土对水电站压力管道外包混凝土承载特性、开裂后裂缝形态以及钢衬和钢筋应力的影响.对10组不同掺量的钢-玄武岩混杂纤维钢筋混凝土试件进行轴向拉伸试验,获得了钢-玄武岩混杂纤维混凝土的相关力学性能参数.以三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道结构为例,利用有限元软件对钢-玄武岩混杂纤维的掺入对压力管道钢材应力、管道外包混凝土裂缝扩展与裂缝宽度的影响进行分析.结合三峡水电站压力管道结构的大比尺模型试验结果,对比分析了钢衬钢筋钢-玄武岩混杂纤维混凝土压力管道与常规钢衬钢筋混凝土压力管道两种方案下的钢衬及钢筋应力.结果表明,掺入钢-玄武岩混杂纤维后压力管道结构整体受力更加均匀,且管道外包混凝土的裂缝数量和裂缝宽度也有显著的降低,同时压力管道的钢衬及钢筋应力明显降低.

BFRP筋与超高性能纤维混凝土黏结性能试验研究

为探究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋与超高性能纤维混凝土(UHPFRC)之间的黏结性能,通过中心拉拔试验,对BFRP-UHPFRC试件破坏模式、黏结-滑移曲线进行分析,且探讨了筋材直径、单一纤维及钢-PVA混杂纤维对黏结强度的影响。结果表明,试件破坏模式包括BFRP筋拔出破坏与拉断破坏。BFRP筋直径的增大将导致黏结强度降低。随着单一纤维掺量增加,黏结强度呈先增大后减小的趋势。而相较于单一纤维,钢-PVA混杂纤维显著提高了试件的黏结强度,当掺入1%钢纤维和0.5%PVA纤维时,黏结强度最高(25.35 MPa)。此外,通过灰狼算法优化的支持向量回归模型实现对黏结强度的预测,预测值与实际值拟合较好。

聚丙烯纤维增强珊瑚混凝土韧性试验研究

采用聚丙烯纤维(PPF)对珊瑚混凝土进行增韧和降脆处理.结果表明:适当增加PPF的掺量或长度能在一定程度上提升珊瑚混凝土的抗弯强度与抗拉强度;当PPF长度过长或掺量过大时,PPF卷曲或聚团会引起珊瑚混凝土的局部缺陷,降低增韧效果;PPF增强珊瑚混凝土的拉伸应力-应变曲线符合三线性本构模型,极限拉应变提升了52%~333%,延性指数高达10.89;尽管PPF能显著提升珊瑚混凝土的韧性,但也可能导致其密实度和抗压强度有所降低,建议在实际应用中精确控制PPF的掺量和长度,以确保珊瑚混凝土既能获得所需的韧性,又能保持适当的密实度和抗压强度.

玄武岩纤维对C40混凝土高温后碳化的抑制作用

隧道衬砌混凝土的碳化问题尤为突出,而玄武岩纤维混凝土(BFRC)作为适用于隧道结构的高性能混凝土,其在常温下和火灾后的碳化机理尚不明确。开展了C40混凝土和玄武岩纤维混凝土的高温试验和快速碳化试验,监测了BFRC碳化深度的发展规律。基于半经验半理论模型,引入混凝土高温烧损层深度和高温后碳化速率等参数,建立了BFRC高温后碳化深度预测模型,分析了玄武岩纤维对混凝土高温后碳化深度发展的抑制作用。结果表明:掺入适量玄武岩纤维后,混凝土常温下碳化速率降低为原来的82%,高温烧损层深度大大降低,高温后碳化系数随温度的升高降低比例从21.5%达到37.5%,明显抑制了高温对混凝土碳化发展的影响,从而显著提高了混凝土的抗碳化性能。

钢纤维细石混凝土-钢组合板抗弯性能试验研究

钢纤维细石混凝土是一种具有优异力学性能和良好工作性的高性能混凝土复合材料。本试验针对正交异性钢桥面铺装层裂缝病害问题,对4组采用不同钢筋配筋率和保护层厚度的横桥向钢纤维细石混凝土-钢组合桥面板进行了抗弯破坏试验,研究了组合板的荷载-挠度关系与裂缝开展特征;用等效截面法计算了开裂应力、裂缝宽度和钢筋应力,验证了钢纤维细石混凝土-钢组合板的抗裂性能。结果表明:60 mm厚钢纤维细石混凝土铺装层在小配筋率(2.6%)和低于规范要求的保护层厚度(15 mm)条件下呈现出多缝开裂的破坏形态,具备较高的延性和开裂应力,满足规范和工程应用的要求。

玻璃纤维混凝土抗折性能及弯曲韧性试验研究

为研究玻璃纤维对混凝土的抗折性能及弯曲韧性的影响,以玻璃纤维掺量、玻璃纤维长度和混凝土基体强度等级为主要参数,对玻璃纤维混凝土小梁试件进行弯拉试验。结果表明:玻璃纤维掺入混凝土后,破坏形态得到改善,破坏后试件整体性能良好,抗折强度以及弯曲韧性均有显著提高;0.5%~1.5%时抗折强度随玻璃纤维掺量的增加而提高,1.5%~2.0%时随玻璃纤维掺量的增加而降低;抗折强度与弯曲韧性随玻璃纤维长度与基体强度的增加而增加。玻璃纤维可有效改善混凝土的抗折性能与弯曲韧性。

混杂网格增强超高性能混凝土双向板的弯曲性能

网格增强超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)具有轻质、高强、耐久性好等特性,已应用于薄壁结构和工程加固领域,但单一网格很难实现高效的增强增韧效应.为研究混杂网格增强UHPC双向板的抗弯性能,对3个钢丝网格与玻璃纤维网格混杂增强UHPC板、3个钢丝网格与玄武岩纤维网格混杂增强UHPC板、6个单一网格增强UHPC板和1个无网格UHPC对照板进行弯曲试验,研究网格种类、总层数及铺层方式对其破坏形态、承载能力和弯曲韧性的影响.结果表明:与单一钢丝网格板和单一玻璃纤维网格板相比,钢-玻璃纤维网格混杂板开裂后表现更显著的硬化现象,在连续网格与混杂短纤维协同效应下,板呈现多裂缝破坏模式,延性较理想.铺设2层网格时,钢-玻璃纤维网格混杂板的承载能力较单一钢丝网格板提升23.7%,且其在20 mm挠度处的残余承载力较单一玻璃纤维网格板提升28.2%;钢-玄武岩纤维网格混杂板峰前阶段的能量吸收值和20 mm挠度处的残余承载力均优于单一玄武岩纤维网格板.网格总层数为3层时,与单一玄武岩纤维网格板相比,2层钢丝网格与1层玄武岩纤维网格混杂增强板在峰前挠度为2 mm时的能量吸收值提高了21.6%,20 mm挠度处的残余承载力提高了42.6%.钢-玻璃纤维网格混杂板的网格强度利用率最理想,其承载能力、能量吸收值及弯曲韧性指标均高于钢-玄武岩纤维网格混杂板.最后,考虑网格强度有效利用率建立了混杂网格增强UHPC双向板抗弯承载力理论公式,适用性良好.