再生细骨料对高延性水泥基复合材料力学性能及碳化耐久性的影响

为促进再生细骨料(RFA)在高延性水泥基复合材料(HDCC)中的应用,研究了RFA取代率(0%、25%、50%、75%、100%,质量分数)对HDCC抗压强度、拉伸性能、四点弯曲强度和碳化耐久性的影响。结果表明,随着RFA取代率提高,HDCC的抗压强度逐渐下降,但拉伸性能与弯曲强度显著提高。100%RFA取代率下HDCC峰值应变为3.06%,弯曲强度为7.9 MPa,较天然细骨料HDCC分别提升了31.33%和11.27%,表现出良好的延展特性。当RFA取代率高于50%时,有助于提高HDCC的碳化耐久性。基于测试结果进行拟合,建立了关于RFA取代率的HDCC碳化深度预测模型。

生态型高延性水泥基复合材料的可适性设计理论与可靠性验证Ⅰ:可适性设计理论

目前,国内普遍使用多元化固体废弃物粉末和自主研发的高强高模合成纤维来制备生态型高延性水泥基复合材料(Ecological high ductility cementitious composites, Eco-HDCC)。然而,原有高延性水泥基复合材料经典设计理论中的理论判据与现有Eco-HDCC材料的实际情况不完全相符,已不能适用于这类多元复合Eco-HDCC材料的可靠性设计与性能调控,因此,迫切需要对该经典材料设计理论进行修正和优化。本研究引入纤维分散系数和主裂缝断面有效纤维体积率两个修正参数,重新限定四个控制参数的取值范围,对经典HDCC设计理论进行了优化修正,并通过测试典型配比Eco-HDCC的宏观力学性能、微观力学性能与纤维分散度,评价可适性设计理论的合理性。研究结果证明,当采用本研究修正后的可适性设计理论并将关键设计参数取值范围控制于0.75≤α~*≤1、V_(f,effect)>1.5%、PSH_1>2.0、PSH_2>1.2时,Eco-HDCC材料可稳定实现高延性(单轴拉伸荷载下的极限应变超过2%)和多缝开裂的特性。本研究结果不仅可使采用多元化固体废弃物粉末和国内自主研发的高强高模PVA纤维制备的Eco-HDCC复合材料的设计过程更加有据可依、灵活可靠,而且能使其满足不同延性和性价比的工程需求,具有重要的理论意义和工程指导价值。

生态型高延性水泥基复合材料的变形性能研究

针对高延性水泥基复合材料收缩大、易开裂的问题，采用经级配优化的普通河砂替代磨细石英砂、国产短切粗PVA纤维替代进口纤维，制备了生态型高延性水泥基复合材料，并开展了不同强度等级生态型高延性水泥基复合材料的变形性能研究。结果显示，生态型高延性水泥基复合材料抗压强度为20～60 MPa时，干燥收缩应变终值在1046～1255με之间，自干燥收缩终值在619～882με之间，圆环约束试件在7～14 d开裂，裂缝仅两条，最大裂缝宽度132μm。生态型高延性水泥基复合材料较传统高延性水泥基复合材料具有更好的综合抗裂性能。

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1．18mm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20-40MPa、四点弯曲强度为9．0—11．0MPa、跨中挠度为10～18mm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。

高延性水泥基复合材料粉煤灰掺量优化试验

为了使工程用水泥基复合材料(ECC)更好地应用于实际工程中,进行了ECC粉煤灰掺量优化研究。通过立方体抗压试验、四点弯曲正交试验分析了水胶比、砂胶比、粉煤灰取代率和矿粉取代率对ECC抗压性能和抗弯性能的影响,最终通过抗压强度和弯曲韧性指数综合性能设计了以优化粉煤灰为基础的较优的配合比。结果表明,粉煤灰掺量对材料抗压强度影响较小,对材料抗弯韧性指数影响较大;ECC在受弯载荷作用下不同组别的应变硬化能力差异显著,组别5和组别7裂缝数量较多,分别为25条和27条,其弯曲韧性指数也较高,分别为9.46和10.00;结合抗压强度、延性和耗能能力等因素确定ECC最佳配合比为水胶比0.30,胶砂比0.36,水泥∶粉煤灰∶矿粉=0.30∶0.55∶0.15,纤维体积率为2%,减水剂掺量为胶凝材料质量的0.2%。

型钢–高延性水泥基复合材料(ECC)界面粘结性能综述

利用高延性水泥基复合材料(ECC)良好的变形和控裂能力将其与型钢组合形成型钢–ECC组合结构,可以提高结构的延性和抗震性能。型钢–ECC界面粘结是保证两种材料协同工作、共同承载的基础。本文综述了国内外关于型钢–ECC界面粘结滑移性能的研究现状和进展,介绍了型钢–ECC及构件基本性能、型钢–ECC界面粘结性能、型钢–ECC界面粘结强度、型钢–ECC粘结应力–滑移本构关系,分析了目前存在的问题,并对型钢–ECC的未来发展前景进行展望,以期为今后ECC材料在型钢–ECC组合结构中的应用提供参考。

SMAF在高延性水泥基复合材料中的黏结性能试验研究

文章介绍了在高延性水泥基材料中,通过多组实验,将具有各种直径和端部形态的超弹性记忆合金纤维按照不同深度嵌入拉伸应变可达3%的水泥基材料内,通过位移控制的荷载进行拉拔试验,得到了拉伸应力-应变曲线,并对影响形状记忆合金纤维与高延性水泥基复合材料的黏结性能因素进行了分析。

生态高延性水泥基复合材料的抗冻性能

针对寒冷地区桥面无缝连接板的受力性能,研究了生态高延性水泥基复合材料经受0~300次冻融循环后的抗压性能、弯曲性能、外观形貌、相对动弹性模量及质量损失率,并通过压汞试验分析冻融前后孔结构的变化趋势,采用电镜分析观察微观形貌.试验结果表明:经受冻融循环后,试块表面轻微脱落,质量损失率逐渐增加,而相对动弹性模量逐渐降低;随着冻融循环次数的增加,试块的抗压强度、弹性模量和弯曲强度逐渐下降,而泊松比基本无变化;冻融循环降低了纤维与基体的界面黏结性能,导致在弯曲荷载下更多纤维呈拔出状态,在0~200次冻融循环过程中,纤维的桥联作用得以充分发挥,跨中挠度增加,而在250~300次冻融循环时,纤维和基体的抗拉性能明显降低,跨中挠度减少.

高延性水泥基复合材料的流变特性和纤维分散性

为了研究高延性水泥基复合材料（HDCC）流变特性对短切聚乙烯醇（PVA）纤维分散性的影响规律，采用流变仪和荧光显微分析技术分别对HDCC浆体的流变特性以及短切PVA纤维在HDC C基体中的分散性进行研究．实验结果表明：HDC C浆体流变行为符合赫切尔巴尔克模型，浆体流动后，应变梯度随应力增量按幂指数增长；当HDCC浆体塑性黏度为1.3～7.3 Pa·s时，即使短切PVA纤维的体积掺量为1.5％～2.0％，纤维在HDCC 基体中的分散系数均大于0.92，实现了均匀分散．合理调整配比中粉煤灰、减水剂和功能性组分的掺量，可调控HDCC浆体塑性黏度并实现短切PVA纤维的均匀分散，为HDCC高延性的理论设计提供实验支持．

超高性能钢纤维水泥基复合材料-高延性水泥基材料复合梁的制备及弯曲性能

研究了无配筋条件下超高性能钢纤维水泥基复合材料(UHPFRCC)与高延性水泥基复合材料(HDCC)复合梁试件的弯曲变形性能.通过纯剪切强度测试,比较了界面处理工艺对界面粘结性能的影响.通过弯拉实验测试了复合梁试件在弯曲载荷下的变形性能,并与纯UHPFRCC梁的变形能力进行对比.结果表明,不同的界面处理工艺决定了界面粘结性能.最佳的界面处理方法能使界面粘结强度高于HDCC基体本身强度,界面过渡区基体致密,没有明显的微观缺陷.UHPFRCC-HDCC复合梁在弯拉荷载下,极限抗弯强度达到13.4 M Pa,跨中最大挠度为2.8mm.HDCC能通过自身的多缝开裂增加裂缝数目来改善变形能力.与UHPFRCC梁相比,UHPFRCC-HDCC复合梁弯曲时,塑形变形明显,并具有更大的弯曲挠度.

高延性纤维增强水泥基复合材料的直接拉伸性能

利用国产基体原材料制备了具有较高极限拉伸性能的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC),研究了粉煤灰和胶粉对ECC直接拉伸性能的影响。试验结果表明:采用合理的配合比及测试方法,制备的ECC试件具有应变硬化及多缝开裂特征;粉煤灰掺量为80%时,7d、28d极限拉应变分别达到3.77%和2.86%,28d抗压强度为25.4MPa;掺入10%胶粉,7d、28d极限拉应变分别达到3.91%和2.37%。在满足强度要求的前提下,适当增大粉煤灰和胶粉掺量有利于提高ECC的延性。

高延性水泥基复合材料高温作用后的拉伸性能

高温是高延性水泥基复合材料(ECC)在服役过程中可能面临的最不利工况之一,对比研究了聚乙烯醇纤维增强ECC(PVA-ECC)与钢纤维/聚乙烯醇纤维混杂增强ECC(HyECC)在常温以及200℃、400℃、600℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-ECC的拉伸应变硬化能力。高温对PVA-ECC和HyECC的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-ECC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyECC拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;高温作用改变了PVA-ECC和HyECC的微观结构,PVA纤维在200℃时的软化以及400℃后的分解是2种ECC材料拉伸性能高温劣化的主要原因。

SAP对高延性水泥基复合材料弯曲性能的影响

为了考察超级吸水颗粒(superabsorbent polymer particles,SAP)对高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)性能的影响,研究了SAP的质量分数分别为0、0.2%和0.4%时,6组水泥基复合材料的抗弯性能、抗压强度、抗折强度及裂缝分布特点.结果表明,水泥基复合材料的28 d挠度都不低于10 mm;SAP的质量分数越高,ECC的挠度越大.粉煤灰的质量分数为70%时,水泥基复合材料的28 d挠度超过了25 mm.SAP的质量分数越多,抗压强度和抗折强度都有不同程度的减小,但其后期强度增加较快.此外,ECC的弯曲变形能力与金属相似;在基体中引入SAP颗粒,能够增加裂缝数量,减小裂缝宽度和裂缝间距.

高温作用对混杂纤维增强高延性水泥基复合材料拉伸性能的影响

高温是高延性水泥基复合材料(HDCC)在使用阶段可能遇到的最不利工况之一,但是目前对于HDCC高温性能的研究较为有限。对比研究了聚乙烯醇(PVA)纤维HDCC材料(PVA-HDCC)、钢纤维/PVA纤维混杂HDCC材料(HyHDCC-A)以及钢纤维/PVA纤维/碳酸钙晶须混杂HDCC材料(HyHDCC-B)在常温以及200、400、600和800℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-HDCC的拉伸应变硬化能力,而引入碳酸钙晶须适量替代PVA纤维可以提高材料的拉伸强度、拉伸韧性,改善其应变硬化行为。高温对PVA-HDCC、HyHDCC-A与HyHDCC-B的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-HDCC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyHDCC-A与HyHDCC-B拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;碳酸钙晶须虽然可以提高HyHDCC-B高温作用后的拉伸强度值和拉伸韧性值,但并没有进一步减缓拉伸强度和拉伸韧性随温度的衰减速率。

高延性水泥基复合材料的制备技术综述

高延性水泥基复合材料(HDCC)是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的纤维增强水泥基复合材料.从HDCC材料的设计理论、材料选择、配合比设计、养护等方面综述了HDCC材料的制备技术,分析了制备HDCC时易忽略的几个关键技术,提出了HDCC的制备方法.明确了提高HDCC强度、抗渗性及与之相关耐久性的难度,提出HDCC的制备时,要注意基体强度与断裂韧度发展规律的差异,减少大颗粒材料等提高基体本身及纤维分布的均匀性,制备时可采用使用高掺量低活性粉煤灰,橡胶微粉和EVA乳胶粉、较高水胶比、较高胶砂比、减少养护等降低基体的断裂韧度的措施.基于现有HDCC设计理论及制备技术,要大幅度提高强度和耐久性,选择更匹配的纤维或调整优化纤维性能至关重要.

桥面连接板修补用高延性水泥基复合材料的设计与应用

采用国产聚乙烯醇纤维及天然河砂,设计制备了满足桥面连接板修补应用的高延性水泥基复合材料(HDCC),并对其工作性能、力学性能、弯曲韧性、延性和早期抗裂性能进行了试验研究。结果表明,HDCC拌合物的扩展度为190mm,28d抗折与抗压强度分别为15.5MPa和54.4MPa,弯曲跨中最大挠度10mm,极限延伸率为2.5%,对早龄期抗裂改善率为100%。并将所制备的HDCC应用在某桥面连接板修补工程中,取样测试结果表明,施工现场制备的HDCC满足设计要求,使用效果良好。

不同配合比参数对高延性纤维增强水泥基复合材料的性能影响

通过不同配合比对高延性纤维增强水泥基复合材料进行稠度、抗压和抗折强度试验,分析研究水胶比、砂胶比、纤维掺量对高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)的性能影响。试验结果表明:随着水胶比增大,ECC的抗压强度逐渐降低,在0.30~0.40水胶比范围内,水胶比对28 d抗折强度影响较小;随着聚乙烯醇纤维掺量增加,ECC的抗压和抗折强度逐渐上升;砂胶比对水泥基复合材料的抗压和抗折强度影响较小。

矿渣与粉煤灰掺量对高延性水泥基复合材料力学性能与应变硬化特性的影响

高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composites,HDCC)是指在弯曲和拉伸荷载作用下具有应变硬化特性的水泥基复合材料,具有单轴拉伸延性好,耐久性能优异等优点。在材料设计中用大掺量的粉煤灰来替代水泥,以实现更加优异的高延性。本文研究了在聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维体积掺量为1.2%和1.4%时,同时掺入高炉矿渣与粉煤灰制备高延性水泥基复合材料,通过改变高炉矿渣与粉煤灰的掺量,得到试件的抗压强度、抗折强度与弯曲韧性,用以对比矿渣与粉煤灰不同质量比例对高延性水泥基复合材料力学性能、弯曲韧性和表面裂纹特征的影响规律。结果显示,当矿渣和粉煤灰掺量分别为总胶凝材料质量的40%和10%时,试件呈现出良好的应变硬化与多缝开裂特性,最大挠度达到10.79mm,极限拉应变为1.26%,裂纹数量达到14条。表明了矿渣的掺入有利于在保证高延性水泥基复合材料具有应变硬化特性的前提下,可以有效提高高延性水泥基复合材料中的强度和弯曲韧性,对于此类材料的工程应用十分有益。

废玻璃粉对高延性水泥基复合材料性能的影响

采用粒径为75~300μm的废玻璃粉取代部分河砂制备了高延性水泥基复合材料(HDCC),研究了废玻璃粉取代率(10%、20%、30%)对HDCC抗压、抗拉和抗弯性能以及流动性的影响。结果表明:废玻璃粉的掺入提高了HDCC的流动度;HDCC的抗压强度随废玻璃粉取代率的增加而增大;当废玻璃粉取代率为10%时,HDCC的拉伸性能略有改善,取代率继续增大时,抗拉性能劣化;随废玻璃粉取代率的增加,HDCC的弯曲韧性降低,裂缝数量减少,裂缝宽度增大。此外,拉伸过程中废玻璃粉对PVA纤维有刮伤,削弱了PVA纤维的拉伸性能,导致HDCC的抗拉强度和抗弯强度降低。

高延性水泥基复合材料的断裂性能分析

实验测试了不同纤维掺量下的高延性水泥基复合材料的载荷—挠度曲线,并对试件加载过程中的声发射信号进行收集,分析了试件断裂后的裂纹分布及纤维在基材中的破坏形式.结果发现：（1）当纤维体积掺量2.0％时,水泥基材的极限挠度、极限抗弯承载力分别可达20.16mm、19.47MPa;（2）高延性水泥基复合材料破坏主要来自于微裂纹的萌生、扩展以及损伤积累过程,试件从加载至完全破坏的时间为素水泥基复合材料破坏持续时间的2～5倍;（3）高延性水泥基复合材料中纤维的破坏以纤维被拔出和纤维被拉断两种模式,试件表现出明显的多缝开裂特征.