PVA/钢混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)配合比优化及评价方法

将钢纤维、国产PVA纤维和日本PVA纤维按照适宜比例进行配制,不同纤维材料性能相互补充、取长补短,可以更好发挥出混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)的力学性能,有利于其成本控制,具有广泛应用前景。通过正交试验极差结果择优和信噪比S/N稳定性择优两种方法分析粉煤灰掺量、水胶比、砂胶比、钢纤维掺量、国产PVA掺量和日产PVA掺量对混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)抗拉强度和抗弯强度的影响规律,对比两种方法的结果,并建立各因素和响应量之间的回归关系,与和易性工程性能相结合,给出HFRCC的最优配合比。结果表明:信噪比S/N稳定性择优方案更加准确和全面。粉煤灰掺量、钢纤维掺量、国产PVA掺量和日产PVA掺量对HFRCC的响应量影响较大,水胶比和砂胶比影响较小;建立数学模型预测和优选配合比,HFRCC抗拉强度最大可以达到6.36 MPa,抗弯强度最大可以达到13.90 MPa,预测值和试验值之间的相对误差绝对值均接近3%,且和易性能较好。研究结果可以为混杂纤维增强水泥基材料(HFRCC)的制备提供依据。

多尺度钢纤维混杂增强水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力

为更好地研究钢纤维混杂方式对水泥基材料的增强作用,本研究使用长度分别为6 mm(S)、13 mm(M)和35 mm(H)的三种钢纤维,进行单掺、双掺、三掺制备钢纤维增强水泥基材料,采用圆柱体试件进行落锤冲击试验,从冲击次数及耗能、破坏形态、裂缝宽度发展等方面探究混杂方式对水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力的影响。试验结果表明:钢纤维从单掺到三掺,材料抗冲击性能逐渐增强。钢纤维单掺对水泥基材料强度及抗冲击性能提升效果依次为:M>H>S;双掺组合方式从优到劣为:M+H>S+M>S+H,当1.5%(体积分数,下同)M与0.5%H混掺时材料的增强、增韧效果最佳,28 d抗折强度为22.6 MPa,较单掺M和H分别提高了3.2%和31.4%,抗压强度为154.8 MPa,较单掺M和H分别提高了40.1%和65.5%,初裂与破坏冲击耗能比单掺M和H分别提高了23.5%、425%和36.7%、300%;三掺最优掺量为0.5%S、0.5%M和1%H,初裂和破坏冲击耗能比最优双掺M1.5H0.5组分别提高了33.3%、1.9%。双参数的Weibull分布可以合理地描述钢纤维混杂增强水泥基材料的初裂冲击次数(N1)和破坏冲击次数(N2)。S抑制微裂缝的产生与扩张,M和H阻止宏观裂缝在不同受荷阶段的发展,在不同结构层次、不同受荷阶段发挥逐级阻裂作用。

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料永久模板叠合RC单向板短期刚度计算方法

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)具有良好的受拉韧性和耐久性能,是永久模板的理想材料。首先探究了PVA纤维掺量对HFRCC工作性能和抗折强度的影响,随着PVA纤维掺量增加,HFRCC的工作性能显著减弱,抗折强度先增大再减小,最终选用含有1.5%钢纤维和0.25%PVA纤维的HFRCC来制作永久模板。随后对六个HFRCC永久模板叠合RC单向板和一个RC单向板进行了四点受弯试验,探究了HFRCC-RC界面处理方式和配筋率对叠合板受弯性能的影响。试验结果表明:抹平、等距凹槽和钢钉拉毛三种界面处理方式对叠合板受弯性能的影响可以忽略;HFRCC模板能够有效限制裂缝发展,减小裂缝宽度和间距,叠合板的开裂弯矩相比于普通混凝土板提高了20.1%~31.7%。分别采用刚度解析法和有效惯性矩法建立了HFRCC-RC叠合板短期刚度计算方法,两种方法均有较高的计算精度且离散性较小。

碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究

为研究碳酸钙晶须掺量对聚乙烯纤维增强水泥基复合材料(PE-ECC)力学性能及微观结构的影响,设计了4组不同碳酸钙晶须掺量的PE-ECC试件,对其进行抗压性能试验、抗拉性能试验、三点弯曲断裂性能试验,并使用XRD、SEM、NMR技术对其微观结构进行研究。结果表明,碳酸钙晶须对PE-ECC有增强增韧作用,随着碳酸钙晶须掺量增加,这种增强增韧作用呈先增大后减小的趋势,当碳酸钙晶须掺量为1%(体积分数)时,PE-ECC的抗压性能、拉伸性能、断裂性能提升最佳。适量的碳酸钙晶须能填充基体,减少少害孔及多害孔数量,改善孔隙结构。

PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料抗压性能试验研究

为实现纤维增强水泥基复合材料(ECC)受荷开裂过程中裂缝的全过程控制,提高其压缩变形性能,在传统ECC中掺加钢纤维,制备PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料(HyFRCCs)。以PVA纤维掺量、钢纤维掺量及钢纤维长径比为变量,设计制作22组不同配合比HyFRCCs试件。通过轴心受压试验研究HyFRCCs单轴受压力学特性,分析纤维掺量、种类及几何特征对HyFRCCs抗压性能的影响。结果表明:PVA纤维掺量、钢纤维掺量及钢纤维长径比对HyFRCCs轴心抗压强度影响较小,纤维混杂能够显著提高材料峰值应变和峰值后延性,HyFRCCs的裂缝控制能力和压缩变形能力得到显著改善。

新型早强混杂纤维增强水泥基复合材料抗压性能试验研究

以硫铝酸盐水泥、硅灰及粉煤灰为主要胶凝材料,通过掺入玄武岩纤维与聚乙烯醇(PVA)纤维,制备出具备早强性和延性的新型早强混杂纤维增强水泥基复合材料(ES-HFRCC)。采用正交设计方法优选出抗压性能最优的材料配合比,研究了该材料在早龄期阶段的抗压性能,并采用极差分析和方差分析对ES-HFRCC抗压强度的主要因素及影响显著性进行了研究。试验结果表明:随着硅灰掺量及玄武岩纤维与PVA纤维体积掺量比值的提高,ES-HFRCC抗压强度表现为先降低后升高,但玄武岩与PVA纤维体积掺量比值对ES-HFRCC抗压强度的影响更显著。

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.

不同尺度纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透性能

为研究不同尺度纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透性能,对单掺和复掺碳酸钙晶须、聚乙烯醇(PVA)纤维的水泥基材料分别进行电通量试验、电镜扫描观测及基本力学性能试验,分析不同纤维尺度、掺量及复合比例对水泥基材料抗氯离子渗透性能和基本力学性能的影响规律,并基于试验结果给出了多纤维复合增强水泥基材料的氯离子侵蚀深度计算模型。结果表明,不同尺度纤维可在不同结构层次上发挥对水泥基材料的增强作用,使得多纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透性能明显优于单一纤维增强水泥基材料;多纤维复合材料的抗压强度与氯离子侵蚀深度及电通量大致呈反比例关系;当复合材料的抗压强度提高13.6%时,其氯离子侵蚀深度和总电通量则分别降低39.1%和44.7%;建立的氯离子侵蚀深度计算模型,可用于多纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透和侵蚀性能评估。

掺废弃陶瓷纤维增强水泥基复合材料抗冻性能

采用陶瓷粉替代一部分水泥,陶瓷砂替代普通河砂,在水泥基材料中掺入不同体积掺量的聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)纤维,制成掺入PVA纤维和陶瓷粉的水泥基复合材料砂浆试件。通过冻融循环试验分析质量损失率、相对动弹性模量的变化,并通过电化学阻抗测试和扫描电子显微镜观察研究砂浆试件的冻融损伤规律。结果表明:陶瓷粉中SiO_(2)和Al_(2)O_(3)含量远大于水泥中相应含量,且粒径小于20μm的颗粒占82.3%,火山灰效应和微集料效应可改善试件的密实度,提升复合材料的抗冻性能;PVA纤维掺量为2.2%,陶瓷粉掺量为30%,冻融循环100次时砂浆试件质量损失率最小,相对动弹性模量最大,连续导电路径电阻最大,冻融损伤程度最小;纤维和基体的接触面是该复合材料抗冻薄弱部位。

RTP-PVA混杂纤维的工程水泥基复合材料干缩性能试验研究

为研究回收轮胎聚合物(recycled tyre polymer,RTP)和聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)混杂纤维对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)干缩性能的影响,对RTP-PVA混杂纤维总体积分数为2.0%的ECC进行流动性、直接拉伸和干缩试验,并分析混杂纤维作用机理和干缩计算模型.结果表明:RTP纤维替代率为12.5%~50%对ECC流动性影响不大,比单掺PVA纤维的ECC流动性降低1.09%~3.69%.ECC的抗拉强度随RTP纤维替代率的增加而降低,不同比例的混杂纤维比单掺PVA纤维的ECC抗拉强度降低了23.6%~56.6%.不同比例混杂纤维ECC干缩率曲线趋势相近,7 d时干缩率为28 d时的80.92%~82.77%.ECC的干缩率随RTP纤维替代率的增加而降低,28 d时不同RTP纤维替代率的混杂纤维比单掺PVA纤维的ECC干缩率降低了0.80%~2.09%.RTP-PVA混杂纤维可在ECC中协同发挥作用抑制基体干缩,结合试验结果得到适合RTP-PVA混杂纤维ECC的指数型干缩预测模型.

有机纤维增强水泥基复合材料研究进展

目前有机纤维作为增强体被用于水泥基复合材料成为研究的热点。阐述了有机纤维对水泥基复合材料性能影响的研究进展。首先,介绍了不同种类有机纤维的性能,阐述了不同有机纤维对水泥基复合材料性能的影响,并分析了增强增韧机理。其次,分析了有机纤维性能对水泥基复合材料性能的影响。最后,对今后的进一步研究提出了建议。

定向钢纤维增强水泥基复合材料准脆性断裂分析

基于边界效应模型基本理论,建立了钢纤维长度与特征裂缝长度之间的关系,计算了定向钢纤维增强水泥基复合材料(ASFRC)的等效断裂韧度和拉伸强度,进而得到了ASFRC材料的断裂破坏曲线.结果表明,当离散系数分别取0.4~0.7和0.2~0.4时,可得到较为合理的等效断裂韧度和拉伸强度值.对比分析ASFRC和随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC)的断裂破坏曲线可以发现,满足线弹性断裂力学的最小试件尺寸随着离散系数的增大而增大;ASFRC和SFRC的拉伸强度和考虑初始裂缝影响的名义应力随着离散系数的增大而减小.此外,改进的简化解析公式不仅可确定材料的等效断裂韧度和拉伸强度,还可预测试件的破坏.

纤维增强水泥基复合材料(ECC)面层加固砌体墙的压剪性能研究

为研究纤维增强水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)加固砌体结构后的压剪性能,对1片未加固砌体墙和6片ECC面层加固砌体墙进行了对角加载试验,分析了单、双面加固形式和面层厚度对墙体抗剪承载力的影响。进行了ECC加固砌体墙有限元模拟,与试验结果对比并进行参数分析。结果表明:ECC面层可显著提升砌体墙的抗剪承载力和变形性能,改善墙体的抗震性能;面层厚度、砂浆强度、ECC抗拉强度参数对墙体承载力影响显著,可为实际工程设计参数选取提供理论基础。提出了满足现有规范对墙体变形限值要求的ECC材料延伸率需求,以期为ECC加固砌体结构基于性能的抗震设计提供初步的理论支撑。

混杂纤维高韧性水泥基复合材料弯曲性能试验研究

为研究三种纤维混杂对高韧性水泥基复合材料(ECC)弯曲性能的影响,将聚乙烯(PE)纤维与钢纤维(SF)、玄武岩纤维(BF)混杂,通过21组四点弯曲试验,分析试件的受力、破坏过程及不同混杂纤维掺量对弯曲性能的影响,并将弯曲性能试验结果与拉伸性能试验结果进行比对,得到混杂纤维ECC的弯、拉对应关系。研究结果表明:与单掺PE相比,复掺纤维可有效提高ECC的弯曲极限强度,但会损失一定程度的延性。钢纤维掺量对延性性能影响较大,建议钢纤维掺量不超过0.4%,且总纤维掺量不超过2.3%。玄武岩纤维对混杂纤维ECC起到良好的增强、增加延性作用。基于弯-拉关系得到的极限拉伸应变与试验值吻合良好,因此四点弯曲试验可以代替单轴拉伸试验来评价混杂纤维ECC的力学性能。

植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状

作为一种新型绿色环保建筑材料,植物纤维增强水泥基复合材料受到了广大科研人员的青睐,但目前仍面临着众多问题。本文归纳总结了在植物纤维增强水泥基复合材料研究中的三大主要问题——植物纤维的高吸水率、植物纤维在水泥基复合材料中的劣化以及植物纤维对水泥基复合材料的阻凝作用,分析了造成这些问题的主要原因,列举了常见的改性方法并深入阐述了相应的改性机理及研究现状,最后展望了植物纤维增强水泥基复合材料的研究前景,以期为今后植物纤维资源化利用提供参考。

亚高温作用对钢-PE混杂纤维水泥基复合材料压缩性能的影响

为研究亚高温作用对钢-聚乙烯混杂纤维水泥基复合材料(S/PE-HFRECC)压缩性能的影响,开展了其经历亚高温冷却后的静态压缩试验。以控制纤维体积总掺量为2%并改变两种纤维掺量的方式,将钢纤维和PE纤维混杂掺入水泥基材料中,制成PE2、S0.5PE1.5、S1PE1、S1.5PE0.5和S2类型的试件。对经不同温度作用后的各纤维配比试件静态压缩试验结果进行分析,结果表明:(1)钢纤维主要发挥增强作用,PE纤维主要发挥增韧作用。(2)当试验温度在200℃及以下时,试件的静态抗压强度不会因温度的上升而有明显变化;在300℃时,各类试件的静态抗压强度均有不同程度的提升,其中S1.5PE0.5和S2试件的抗压强度最高;在400℃时,除S2试件外其他试件的抗压强度均存在下降现象。(3)各类型试件的峰值应变均随温度升高逐渐增大。当温度相同时,各类型试件的峰值应变与PE纤维的掺量呈正相关,说明PE纤维的加入能提高试件的变形能力。(4)S2试件的应力峰值前韧度随着温度的升高而升高,其他试件随着温度的升高表现为先增大后减小的趋势;S2试件在400℃时应力峰值前韧度达到最大值,其他试件则在300℃时韧度最大;当温度≯300℃时,S1.5PE0.5的试件应力峰值前韧度高于其他试件。

橡胶粉改性聚乙烯纤维增强水泥基复合材料的静力和抗冲击性能

为研究橡胶粉改性聚乙烯纤维增强水泥基复合材料(PE-ECC)的物理力学性能,对掺入不同粒径橡胶粉的PE-ECC进行静力和抗冲击性能试验。通过分析橡胶粉PE-ECC的弹性模量、泊松比、立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度,探讨不同橡胶粉粒径对PEECC基本力学性能的影响;利用分离式霍普金森压力杆进行橡胶粉PE-ECC的抗冲击性能试验,基于不同应变率下的动态应力-应变曲线,分析应变率对橡胶粉PE-ECC动态增长因子(DIF)、动态压缩强度和动态峰值应变的影响。结果表明:随着橡胶粉的加入,PE-ECC的各项物理力学性能均有一定程度下降;橡胶粉粒径为0.20~0.90 mm时,体积掺量为10%、橡胶粉粒径为0.30 mm的PE-ECC各项力学性能降幅最小,其立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和动态抗压强度相对无橡胶粉PE-ECC分别减小了8.9%、15.6%、10.8%和23.4%;与无橡胶粉PE-ECC类似,橡胶粉PE-ECC的受拉应变硬化特征明显,掺入不同粒径(0.20~0.90 mm)橡胶粉的PE-ECC极限拉应变均稳定在4.6%左右。此外,橡胶粉粒径对PE-ECC动态峰值应变影响很小,随着冲击应变率的提高,橡胶粉PE-ECC的动态增长因子DIF和动态压缩强度呈逐渐增大趋势。

钢-PVA混杂纤维增强工程水泥基复合材料弯曲性能研究

为了弥补现有钢-聚乙烯醇(PVA)混杂纤维增强工程水泥基复合材料造价过高、工程应用面狭窄的缺陷,本文通过使用廉价的国产PVA纤维部分替代日产PVA纤维制备出一种新型的多元混杂纤维增强工程水泥基复合材料(MFECC)。研究MFECC材料薄板试件的弯曲性能和破坏形态,对试件的弯曲韧性和性价比进行评价,并通过SPSS软件的多元非线性回归法建立极限弯曲性能预测模型。结果表明,引入国产PVA纤维后MFECC薄板的应变硬化力学行为和多缝开裂现象相较于仅掺日产PVA纤维时有所降低,但仍具有较高的强度与延性。当钢纤维、日产PVA纤维和国产PVA纤维体积掺量分别为0.2%、0%和2.0%时,MFECC的极限拉伸应变为4.4%,抗压强度为46.39 MPa,极限抗弯挠度可达12.697 mm,性价比最高。建立的MFECC薄板试件的极限弯曲性能预测模型对试验值的拟合度良好。

纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸性能影响因素研究

通过单轴拉伸试验研究了纤维种类、纤维体积掺量及水胶比等因素对纤维增强水泥基复合材料(ECC)拉伸性能的影响。结果表明:随着水胶比的增大,ECC的极限抗拉强度减小,极限拉伸应变增大,应变−硬化特征更加明显;ECC的抗拉强度及拉伸应变随纤维掺量的增大呈升高趋势,纤维掺量2.0%时拉伸应力应变最大;日产PVA纤维对ECC的抗拉强度和拉伸应变影响最为显著,其次是国产PVA纤维,而PP纤维在拉伸过程中的力学性能表现相对较弱。研究结果为ECC的推广与应用提供了一定的参考。

SMA/PVA混杂纤维增强水泥基复合材料拉伸性能

为研究形状记忆合金(SMA)/聚乙烯醇(PVA)混杂纤维增强水泥基复合材料(SMA/PVA-ECC)的拉伸性能,开展单轴拉伸试验,分析了SMA/PVA-ECC试件的破坏现象、应力-应变曲线及特征参数,比较了SMA纤维掺量及其直径对试件拉伸性能的影响.结果表明:SMA/PVA-ECC试件卸载后残余裂缝宽度显著减小;SMA纤维掺量及其直径对试件拉伸性能影响显著,当SMA纤维直径为0.2 mm、掺量为0.2%时,试件综合拉伸性能最好,其初裂强度、极限拉伸应力及应变较工程水泥基复合材料(ECC)试件分别提高56.4%、23.6%及13.4%.