应用耦联变分原理于应变硬化材料塑性变形的物理模拟计算

文献 [1～3] 建立了耦联系统的变分原理, 并明确指出, 这些原理适用于弹性和弹塑性变形体所构成的耦联系统。本文对这一命题做进一步说明,

高速碰撞过程中应变硬化材料靶动态响应研究

给出了适用于可压缩、弹塑性、按幂次律应变硬化材料的动态柱形腔膨胀模型和侵彻模型,并编制了相应的计算程序。腔膨胀模型给出靶中应力分布情况,侵彻模型根据腔膨胀模型的有关结果来预估具有锥形头部的刚性弹丸侵彻半无限厚靶的最终侵彻深度以及贯穿薄靶时的弹丸剩余速度和弹道极限速度。给出了钨合金弹丸正碰5083 H131铝靶和钢弹丸正碰6061 T651铝靶的一些计算结果,计算结果与实验结果及二维拉氏弹塑性LTZ 2D程序的数值模拟结果符合得很好。

粗骨料对超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC)性能的影响

根据超高性能混凝土(UHPC)的制备理论和应变硬化水泥基复合材料(SHCC)的设计原理,制备了超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC),研究了钢纤维改性处理和粗骨料的级配(最大粒径分别为6.00、8.00、9.75 mm)与掺量(0、5%、11%、15%)对UHP-SHCC抗压强度和拉伸行为的影响。结果表明:与未改性钢纤维相比,改性钢纤维使UHP-SHCC的应变硬化行为更明显;通过合理调控粗骨料的级配和掺量,有效提高了UHP-SHCC的抗压强度,改善了UHP-SHCC的拉伸应变硬化效果,但随着龄期从7 d增至28 d,UHP-SHCC的应变硬化效果略有减弱。

PE/PP混杂纤维应变硬化碱激发复合材料力学性能研究

应变硬化碱激发复合材料(SHAAC)兼具低碳环保和高韧性的优点,但高昂的成本限制了其工程应用。为降低成本,研究采用PP纤维替代PE纤维,开发了一种混杂PE/PP纤维SHAAC,并通过轴压与轴拉试验及成本分析,探讨了不同PP纤维替代率(0%、25%、50%、75%和100%,体积分数)对混杂PE/PP纤维SHAAC的轴压、轴拉性能和成本的影响。结果表明:采用PP纤维替代PE纤维时,SHAAC的轴压、轴拉强度及裂缝控制能力随着纤维替代率的增加而降低,但在PP纤维替代率低于75%时,SHAAC仍可呈现伪应变硬化和多缝开裂现象;当PP纤维替代率为50%时,SHAAC极限拉伸应变最高(8.40%),且能保持较高的轴压和轴拉性能,同时成本可降低29.00%,且综合性能与成本比值最高。

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)设计理论及力学性能研究进展

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)克服了普通混凝土韧性差、裂缝宽度难以控制等缺点,在拉伸状态下呈现准应变硬化和多缝开裂特性,韧性和耐久性优异,应用前景广泛。我国针对SHCC的研究起步较晚,目前已开展了大量研究,取得了众多成果,但仍存在不少课题。本文首先对SHCC的性能定位、承载机制以及设计方法进行了阐释,重点说明了微观材料参数对SHCC材料宏观力学性能的显著影响;在此基础上重点聚焦SHCC的拉伸性能在我国的研究现状进行了综述,并对其他力学性能进行了简要概述,综述结果证明了上述设计理论在SHCC材料设计过程中的重要指导作用;最后总结了目前研究中存在的课题并对将来的发展进行了展望。希望本文能对SHCC的进一步深入研究和推广应用提供一定的借鉴作用。

无表面修饰PVA纤维增强高韧应变硬化水泥基复合材料的性能研究

制备高韧应变硬化水泥基复合材料(SHCC)通常用经表面涂油处理的聚乙烯醇(PVA)纤维。本文通过利用无表面修饰的PVA纤维及高掺粉煤灰,制得高韧SHCC。通过控制粉煤灰掺量,利用减水剂调节水胶比,实现对基体强度的控制,得到有利于制备SHCC的基体。弯曲和直接拉伸试验结果表明,由无表面修饰PVA纤维增强的水泥基复合材料呈现多缝开裂和应变硬化特征,具有优良韧度和延展性。纤维增韧作用主要体现在挠度硬化阶段,但对于强度较低的SHCC而言,挠度软化阶段中也呈现较明显的纤维增韧作用。高掺粉煤灰时,无表面修饰PVA纤维增强的SHCC所呈现出的直接拉伸极限应变达3%以上,与经表面涂油PVA纤维增强的SHCC相当。

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.

应变硬化水泥基材料轴拉荷载下的氯离子渗透

钢筋混凝土结构因为易于开裂而通常难于达到预期的设计使用寿命.原因之一就是水泥基材料在拉伸状态下的应变太小.通过添加聚乙烯醇纤维,水泥基复合材料的拉应变可以提高几百倍.多微缝开裂是准应变硬化水泥基复合材料(Strain Hardening Cement-based Composites(SHCC))的基本特征,然而,只有在外加拉应变下的裂缝不引起水、CO2、氯离子或硫酸根离子等对混凝土结构的侵蚀量显著地增加,这种大应变才对结构的安全性和耐久性有益,从而可以提高结构的使用寿命,降低全寿命周期成本.通过不同拉应变下SHCC的毛细吸水和氯离子渗透试验研究了SHCC的抗渗性能,并探讨了内掺硅烷乳液防水剂对SHCC在不同拉应变下的抗渗性能的影响.结果表明,毛细吸收试验是表征复合受力状态下的水泥基材料耐久性能的简便有效的试验方法;复合受力下极限拉应变不能作为耐久性设计的依据,必须根据渗透性确定能够保证使用寿命的临界拉应变极限状态;内掺硅烷乳液的防水处理方式能够防止SHCC吸收过多的水分或水溶离子,可以使其高应变能力得到更广泛的应用.

人工模拟海洋潮汐区应变硬化水泥基复合材料抗氯盐侵蚀性能

通过人工模拟海洋潮汐区环境,研究了干湿循环时间比(3∶1、85.4∶1)和暴露时间(30、90d)对应变硬化水泥基复合材料(SHCC)抗氯盐侵蚀性能的影响.结合Fick第二定律,进一步分析了SHCC表面氯离子含量和扩散系数的时变规律.结果表明:干湿循环制度对SHCC氯离子侵蚀有显著影响,SHCC表面氯离子含量时变规律符合倒数模型;SHCC表观氯离子扩散系数明显高于其瞬时氯离子扩散系数,SHCC混凝土氯离子扩散系数的时间衰减系数大于C30普通混凝土.

应变硬化水泥基复合材料单轴滞回本构模型

为了有效地模拟应变硬化水泥基复合材料(SHCC)构件在地震作用下的性能,提出一种可模拟SHCC构件在反复荷载作用下的单轴本构模型.该模型中SHCC材料受压骨架曲线的上升段采用二次抛物线形式模拟,下降段采用双折线形式模拟;受拉骨架曲线的上升段、应变硬化段及下降段则采用三折线形式模拟.通过设置参考点的方法确定SHCC的卸载规则,考虑了不完全卸载-再加载的情况以及加载过程中的拉压间的传递模式.利用Open SEES计算平台编写了该本构模型,并与材料和构件2个层次的试验结果进行了对比,结果表明,所提出的单轴滞回模型能够准确地反映SHCC材料在反复荷载作用下的受力性能.

应变硬化水泥基复合材料-SHCC韧性性能试验研究(英文)

水泥基材料抗拉强度低、韧性差是其易开裂的主要原因之一。高模量PVA纤维可增强基材韧性,使其呈现准应变硬化和多缝开裂特征,改善结构耐久性。通过四点弯曲试验得出了不同加载速率和配比SHCC的力-变形曲线并用CON-SOFT软件计算断裂能。结果表明,硅灰使材料抗压强度有所提高,但最大抗弯承载力和变形下降,断裂能降低。甲基纤维素使SHCC脆性增大。加载速率降低,材料表现出更好的应变硬化性能,微裂缝条数增多。SHCC砂子最大粒径高于ECC,虽达不到后者的最大拉应变,但可降低成本并满足工程需要。韧性性能研究给出了基于耐久性能优化设计和评定SHCC的实用方法。

应变硬化水泥基复合材料构件剪切破坏评价方法研究

依据应变硬化水泥基复合材料构件剪切破坏时断裂表面特性,提出适合该类材料构件剪切破坏的格子等价连续体评价方法。首先对应变硬化水泥基复合材料构件剪切破坏时裂缝表面的凹凸程度进行定量量测,在此基础上,提出适合描述该类材料裂缝形态的参数,形成描述应变硬化水泥基复合材料构件裂缝面形态的假设裂缝,并提出相应的剪切格子体系。此后,改进了日本名古屋大学提出的用于评价混凝土及钢筋混凝土构件剪切破坏的格子等价连续体方法,使得改进的格子等价连续体方法适用于应变硬化水泥基复合材料构件剪切破坏。该方法考虑了裂缝面压缩侧接触及拉伸侧纤维架桥应力对裂缝面剪应力转移的影响,形成适用于应变硬化水泥基复合材料构件剪切破坏的裂缝面剪应力转移模型。

混杂纤维应变硬化水泥基复合材料(SHCC)研究进展

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)是近20年发展起来的一种新型纤维增强水泥基复合材料,而混杂纤维SHCC通过调节不同纤维的比例关系,可便捷的获得满足工程需要的强度、变形、动态力学性能或经济性等要求。本文对混杂纤维SHCC的临界纤维掺量理论、准静态力学性能试验研究、动态力学性能试验研究进行了综述,最后就混杂纤维SHCC的研究存在的不足和发展方向进行了评述和展望。

粉煤灰掺量对应变硬化水泥基复合材料力学性能及损伤特征的影响

通过单轴拉伸、三点弯曲和抗压强度试验,研究粉煤灰掺量对应变硬化水泥基复合材料(SHCC)力学性能和损伤特征的影响,并利用数字图像相关技术对整个拉伸加载过程进行分析,提出利用开裂面积和分形维数量化SHCC试件的损伤程度,得到SHCC在加载过程中的应变演化和损伤特征.结果表明:随着粉煤灰掺量的增加,SHCC的拉伸强度、抗压强度及抗弯强度均逐渐降低,耗能能力逐渐提高,变形性能得到改善,但损伤程度增加;通过数字图像相关技术获得的应变云图可以直观观测SHCC的应变演化;开裂面积比和分形维数能够有效表征SHCC的损伤程度及开裂复杂性,可作为描述其损伤的度量指标.

应变硬化水泥基复合材料动力学性能研究现状与进展

应变硬化水泥基复合材料(Strain-hardening cementitious composites,SHCC)作为一种高延性水泥基复合材料在结构修复和改造、加固无筋砌体墙、加固钢筋混凝土梁和防冲击或防爆板等方面具有广阔的应用前景。对SHCC的动力学性能进行详细研究有利于其在抗冲击或抗爆结构中的广泛应用。针对不同基质组成、纤维类型的SHCC静力学性能的理论分析和试验研究已经相对完善,然而对于SHCC动力学性能的研究主要集中在不同应变率、纤维类型及基质组成等对其动力学性能的影响。但针对高、超高应变率和围压等因素作用下的动力学性能研究尚未形成统一认识,同时也未明确得到SHCC动力学性能具体发展机理。近期研究结果表明:SHCC具有明显的应变率效应。在动态加载下,SHCC的应力和断裂能随着应变率的提高而提高,而其应变则相反。更深一步的研究表明,通过在SHCC中掺加粉煤灰等废料来改善纤维与基质之间的粘结可以明显提高其冲击能量耗散能力。本文系统地总结了国内外相关研究学者对SHCC动力学性能的研究现状,综述了SHCC动力学试验设备的原理、组成、优缺点及施加的应变率范围,同时进一步阐述了不同动力学试验设备在SHCC动力学性能研究方面的应用;然后对SHCC动态拉伸、压缩及侵彻性能进行归纳,全面揭示了应变率、纤维类型及基质组成对SHCC动力学性能发展的影响规律;最后,探讨了SHCC动力学性能研究领域所面临的问题,意在为日后SHCC动力学性能的理论分析和试验研究提供一定的建议和方向。

PVA纤维类型对应变硬化地聚合物基复合材料力学性能的影响

本文对比分析了4种不同聚乙烯醇(PVA)纤维分别在不同配合比地聚合物基体中的增韧作用,为利用国产无表面涂油PVA纤维制备应变硬化地聚合物基复合材料(SHGC)提供实验数据。主要研究矿渣与粉煤灰的比例、碱溶液的浓度、纤维尺寸以及纤维表面特性等因素对地聚合物基复合材料抗压和直接拉伸性能的影响。结果表明,经过7 d室温养护,含矿渣的地聚合物基体和复合材料的抗压强度均高于30 MPa,而纯粉煤灰地聚合物基体和复合材料的抗压强度较低,为12~15 MPa。表面涂油PVA纤维SHGC的延展性普遍高于无表面涂油PVA纤维SHGC。然而,通过调节地聚合物基体配合比,可以提高无表面涂油PVA纤维的增韧效果。当粉煤灰质量分数为33%时,无表面涂油PVA纤维SHGC的极限拉伸应变达1.44%,与表面涂油PVA纤维SHGC相当。在纯粉煤灰的情况,4种PVA纤维复合材料均呈现出稳定的多缝开裂和应变硬化特征。

掺硅烷后应变硬化水泥基复合材料的吸水性能

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)是近年发展起来的一种新型材料,材料中加入的PVA增强纤维可以约束裂缝的发展,具有很好的抗裂能力。通过毛细吸水试验,研究了SHCC试件成型面和底面的毛细吸水量及其吸水系数,以及内掺硅烷乳液和硅烷粉末后SHCC材料的吸水性能。结果表明,SHCC试件内掺硅烷乳液和硅烷粉末后能够一定程度上抑制水分向SHCC材料中的侵入,硅烷乳液的防水效果优于硅烷粉末。

应变硬化水泥基复合材料性能与应用研究进展

混凝土作为典型的脆性材料,在拉伸荷载作用下呈现应变软化现象,这种不理想的失效模式会对工程结构的受力性能和耐久性能产生不利影响。通过在微观尺度上对材料进行设计,综合考虑纤维、基体和纤维/基体界面三者之间的相互作用,制备了应变硬化水泥基复合材料(SHCC)。这是一种新型的高性能纤维增强水泥基材料,相较于传统的纤维混凝土,SHCC具有两大显著优势:一是拉伸应变硬化,二是破坏失效前会产生多条细密裂缝。高延性使SHCC力学性能优良,细密裂缝有效保证了其耐久性,近年来相关的研究工作已取得了一定的进展。研究初期,以材料设计理论为指导使SHCC达到预定的硬化效果。纤维桥联法则是其理论基础,为了实现应变硬化,必须满足两个准则:强度准则和能量准则。设计较为完善的材料的各项力学性能指标可为工程应用提供关键信息。高强、高韧是研究者们不懈追求的目标之一,目前,已经成功设计出抗压强度高达115 MPa、极限拉应变达到8%的SHCC,而且该复合材料的大多数裂缝宽度在100 μm以下,裂缝间距不超过 2 mm 。关于SHCC断裂性能的研究具有挑战性,在多缝开裂阶段仍缺乏行之有效的分析手段。霍普金森杆冲击试验表明,SHCC是与应变率相关的材料,峰值应力明显随着应变率的增加而增大。在承受疲劳荷载作用时,SHCC表现出延性破坏特征,疲劳寿命相对较长。当工程结构的服役周期较长时,材料的耐久性问题不容忽视。由于SHCC的裂缝宽度较小,水分的渗透量会大幅下降,2%拉应变水平下其渗透系数只有2.10×10^-7 m/s,其自愈合行为还会进一步改善渗透性。SHCC还为极端温度条件下的应用提供了可能,经受300次冻融循环后其各项性能均保持在较高水平;历经高温后纤维发生熔融留下蒸汽压力释放的通道,避免了材料的高温爆裂。此外,实际工程的检验客观真实地反映了材料的性能,SHCC已被成功应用于普通混凝土梁加固、砌体结构加固、路面桥面工程以及大坝修补等方面。本文介绍了SHCC的设计理念、应满足的基本准则及原材料选取;分别论述了国内外在SHCC基本力学性能和耐久性能方面取得的最新研究成果;概括了SHCC修复加固工程结构与典型的工程应用。最后,进一步探讨了SHCC研究中存在的问题,并对未来的研究方向作出展望。

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料的弯曲性能研究

本工作研究了聚乙烯醇-玄武岩纤维混杂应变硬化水泥基复合材料(PB-SHCC)的弯曲性能。水泥基体材料水胶比为0.25,混杂体系中聚乙烯醇纤维分别为体积含量的1.5%和1.7%,再混杂一定体积含量的玄武岩纤维,制备成聚乙烯醇-玄武岩纤维混杂应变硬化水泥基复合材料,标准养护28 d后对该复合材料进行三点弯曲试验。结果表明,PB-SHCC具有弯曲应变硬化的特性,弯曲挠度较单掺体系会有所削弱,但削弱程度不大,仍具有较高的延性;玄武岩纤维的掺量在0.1%~0.3%以及0.8%~1.0%时,均利于复合材料的初裂强度及抗弯强度的提高。此外,本工作基于ASTM C1018和JSCE-SF4标准,改进并定义了弯曲韧性指数和弯曲韧性因子,能够简洁有效地评价SHCC材料的弯曲韧性,且两类指标吻合性较好。

粉煤灰对应变硬化水泥基复合材料轴拉性能的影响

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)中掺入粉煤灰可以有效改善纤维与基体接触面的特性,减弱纤维与基体间的界面黏结力,进而在一定范围内增强SHCC的应变硬化特性。选择I级、II级粉煤灰两组对比材料,并对SHCC单轴拉伸性能的影响进行了测定。研究结果发现无论是从强度上还是从应变硬化性能上,I级粉煤灰都比II级粉煤灰要好很多。