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。

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。

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。

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。

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)本构关系逆向分析研究

水泥基复合材料的高脆性是导致其性能退化和结构不耐久的主要原因之一.脆性的直观表现为应力-应变曲线具有明显的软化段.添加高模量聚乙烯醇纤维的水泥基材料的韧性性能可得到显著改善,受拉破坏和受弯破坏时呈现出应变硬化和多微缝开裂特征,导致其本构关系异于普通水泥基材料.通过直拉试验可直接得到σ-ε曲线,但该试验技术上难于实现而且造价高、耗时长.四点弯曲试验易于实现但需要将力-变形曲线转换成σ-ε曲线.本文通过CONHARD软件,采用逆向分析法,模拟变形和裂缝开展,反复迭代以求得试验曲线与数值计算结果的最佳拟合.该方法以弹性宏单元模型预处理未裂区域,以多层单元模型模拟裂缝扩展区域,假定初始σ-ε曲线,通过进化运算法则进行迭代和修正,最终可获得多线性应力应变曲线.数值计算结果与试验曲线吻合较好.

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。

超高性能水泥基复合材料弯拉作用下虚拟应变硬化机制分析

根据Tjiptobroto的工作,假设初始裂纹为最终失效裂纹,引入非初始裂纹纤维基体间的部分剥离能耗散项和单位失效面上随机纤维有效根数,依据初始裂纹总耗散能与非初始裂纹耗散能的平衡准则,研究了水泥基复合材料的多裂纹扩展失效机制。根据超高性能水泥基复合材料特性,修正和简化了各能量耗散项,建立了基于能量平衡准则的超高性能水泥基复合材料多裂纹开裂失效机理的理论模型,用以预报该材料的裂纹扩展规律。数值预报了Tjiptobroto实验模型的多裂纹扩展数目和能量耗散项,并与其实验结果进行了对比,吻合较好。表明对具有高弹模钢纤维的超高性能水泥基复合材料引入部分剥离能项是必要的。本文中的理论模型也可作为超高性能水泥基复合材料初裂承载能力和极限承载能力预报的理论参考。

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。

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.

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。

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。

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.

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。

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.

纤维优化对纤维水泥基复合材料应变硬化性能的影响

介绍了纤维增强水泥基复合材料(FRCC)取得应变硬化行为的微观力学模型,在该模型指导下,综述与分析了纤维类型、强度、长度、直径、体积掺量及纤维表面处理等因素变化对FRCC应变硬化能力的影响。研究成果表明,纤维优化能够稳定取得应变硬化行为或得到更大的应变硬化能力。

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。

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。

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。