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。

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。

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。

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%。

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。

冻融损伤高延性水泥基复合材料抗压本构模型

通过对高延性水泥基复合材料(ECC)试样进行冻融循环试验、微观孔结构试验和单轴压缩试验,研究了冻融损伤ECC试样的抗压应力-应变关系及影响机制。在此基础上,将ECC受压构件等效为由无数根平行的单元杆件组成的受力模型,建立了考虑损伤层厚度的冻融损伤ECC抗压本构模型。结果表明:随着冻融循环次数增加,试样抗压峰值强度降低,峰值应变无明显变化,极限破坏时延性特征显著;试样二维切片中含气量、平均弦长、间距系数均随冻融循环次数的增加逐渐增大,气孔比表面积减小。建立的模型能够较好的描述冻融损伤ECC的抗压应力-应变关系,为寒冷地区服役的ECC提供了理论参考。

生态型高延性水泥基复合材料的高温损伤

为了研究生态型高延性水泥基复合材料(ECO-HDCC)在高温作用后的力学性能及损伤机理,研究了高温作用对混凝土抗压强度和对ECO-HDCC微观形貌和物相组成的影响。结果表明:300℃时ECO-HDCC抗压强度降低不明显;500℃时ECO-HDCC抗压强度损失率为32.6%～58.0%;800℃时ECO-HDCC抗压强度持续降低,损失率为58.9%～77.8%;1 100℃时ECO-HDCC无继续承载能力,损失率最高达92.5%。纤维熔化产生大量孔道和水化产物分解导致基体结构密实性降低,使ECO-HDCC抗压强度降低,也为ECO-HDCC在高温作用下形成的应力提供了释放通道,使ECO-HDCC在1 100℃高温作用下持续180min仍未发生爆裂。

高延性水泥基复合材料用短切PVA纤维的长度优选研究

为优选高延性水泥基复合材料(HDCC)用短切聚乙烯醇(PVA)纤维的长度,采用6 mm、9 mm、12 mm、18 mm和24 mm五种长度的PVA纤维,在体积掺量为1.0%的情况下制备HDCC,研究PVA纤维长度对HDCC工作性能、力学性能和纤维桥联能力的影响。结果表明:随着纤维长度的增加,HDCC新拌浆体流动性逐渐降低,当纤维长度从6 mm增加到9 mm时浆体流动性显著下降39%;纤维的掺入提升了HDCC的抗压、抗折强度,但其增幅与纤维长度相关性不大;掺入18 mm纤维制备的HDCC展现出最高的弯曲强度,而掺入9 mm纤维制备的HDCC展现出最高的跨中挠度和弯曲耗能;随着纤维长度的增加,纤维桥联应力和桥联余能均增大,但由于纤维断裂效应越显著,纤维桥联应力和桥联余能增幅逐渐变缓。基于HDCC工作性能、力学性能以及纤维桥联能力的试验与计算结果,9 mm长度的PVA纤维是较为合适的选择。

混杂纤维高延性水泥基复合材料高温后的压缩性能

对单掺聚乙烯醇(PVA)纤维高延性水泥基复合材料(PVA-ECC)、钢纤维/PVA纤维混杂ECC(HyFRECC)以及钢纤维/PVA纤维/碳酸钙晶须多尺度混杂ECC(MsFRECC)在常温(20℃),200,400,600和800℃高温作用后的压缩性能进行了研究和对比。结果表明,常温下不论掺入钢纤维还是同时掺入钢纤维和碳酸钙晶须均能够提升试件的抗压强度、压缩韧性和弹性模量;在200℃作用下由于水泥基复合材料内部进一步水化,材料的抗压强度会显著提高,而压缩韧性的提升不明显;当温度超过200℃后,高温对材料的压缩性能劣化明显,其抗压强度和压缩韧性持续衰减,但钢纤维和碳酸钙晶须对峰后抗压强度和韧性的提高发挥了积极作用。各组中MsFRECC组的压缩性能最好,说明钢纤维和碳酸钙晶须的混杂掺入可以显著改善水泥基复合材料在高温作用后的压缩性能;800℃作用后各组的压缩性能具有一定离散性,残余强度以及韧性基本不足45%。

形状记忆合金纤维与高延性水泥基复合材料基体的界面粘结性能的影响

针对形状记忆合金(SMA)纤维端部形式、直径、深径比(粘结长度/纤维直径)3个因素设计制作了5组试件,通过位移控制加载进行拉拔试验,分析了破坏形态、拉拔应力-应变曲线、平均粘结强度以及纤维利用率等性能,并比较了各因素对其与高延性水泥基复合材料(ECC)粘结力学性能的影响。基于试验结果,对SMA纤维在ECC中的破坏模式和粘结-滑移机理进行分析。结果表明,SMA纤维拉拔应力-位移曲线分为弹性阶段、脱粘阶段、马氏体相变阶段以及马氏体硬化阶段,直型端部SMA纤维直径和深径比的增大均会降低界面间粘结力,而N型端部SMA纤维端部锚固力能够有效改善界面间粘结性能和提高纤维利用率。

轻质玄武岩纤维高延性水泥基复合材料研制及导热性能研究

高延性纤维增强水泥基防火材料(FR-ECC)具有遇火不燃性、高温不分解有毒气体、耐久性良好、延性高、抗裂性能好等优点,近年来得到了广泛关注和研究。常规FR-ECC的制备采用有机纤维为增韧组分,而有机纤维在高温条件下纤维分解气化易导致防火材料延性下降,造成开裂失效,制约了FR-ECC的应用。本工作以耐高温性能优异的铝酸盐水泥和玄武岩纤维(BF)作为原材料,设计研发轻质玄武岩纤维水泥基复合材料(LWBF-ECC),并研究该材料高温后力学性能及热学性能的演化规律。试验分析了LWBF-ECC在常温和高温后的干密度变化、物相变化、单轴抗拉强度和抗压强度变化规律,并研究了其在不同过火温度下延性及导热系数的变化规律。研究表明:在常温环境下,LWBF-ECC延性可达0.82%,是常规钢结构表面喷射防火材料的80倍;由于BF耐高温性能优异,高温下仍能充分发挥桥接作用,在过火温度低于400℃时,LWBF-ECC材料拉伸均表现为应变硬化,高温下仍保持一定延性,100、200和400℃时极限应变分别为0.78%、0.32%和0.18%;随着温度升高,LWBF-ECC干密度降低,孔隙率升高,同时导热系数下降,高温下胶凝材料水化物转变和结晶水损失导致水泥含量越多,质量损失越大,干密度降低越明显。

高延性水泥基复合材料(ECC)正交试验

本文利用正交试验设计原理,开展了9组高延性水泥基复合材料(ECC)的坍落度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验,研究了硅灰、改性脱硫石膏、膨胀剂和减水剂四种因素对ECC物理、力学性能的影响,并采用多元线性回归的方法,建立了ECC的性能预测模型。试验结果表明:最优组为硅灰掺量20%,脱硫石膏掺量4%,膨胀剂掺量6%,减水剂掺量1.9%;通过对正交试验的结果进行回归分析,得出了ECC物理、力学性能预测模型,模型精度较高。

高延性水泥基复合材料抗渗性能及微观结构研究

本文围绕高延性水泥基复合材料的抗渗性能开展研究,对正交试验得到的最优组进行能量演化分析,采用电镜扫描(SEM)技术分析最优组的微观结构,利用X射线衍射(XRD)分析各试验组的水化产物。试验结果表明:硅灰掺量对提高ECC的抗渗性能有显著影响,ECC的能量在峰值应力点后发生快速耗散,基体发生破坏,最优组中钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)搭接形成了稳定的空间结构,同时膨胀剂进一步促进AFt的生成,有助于填补空隙。

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.

养护龄期对生态高延性水泥基复合材料抗压和抗拉应力应变关系的影响

为了获得生态高延性水泥基复合材料(Eco-HDCC)在结构设计中所需要的参数,研究了养护龄期对Eco-HDCC抗压和抗拉应力-应变关系的影响,并计算粉煤灰反应程度、非蒸发水含量和孔溶液pH值以揭示力学性能.结果表明:随着养护龄期的增加,Eco-HDCC的抗压强度、峰值压应变和极限抗拉强度均呈增加趋势,而龄期对Eco-HDCC极限压应变和极限拉伸应变有负面影响;随着龄期的增加,粉煤灰反应程度和非蒸发水含量逐渐增加,而孔溶液的pH值却呈降低趋势.考虑结构设计的安全性,建议使用养护28 d后Eco-HDCC简化的抗压和抗拉应力-应变关系.

早强型高延性水泥基复合材料的性能研究

为了满足结构工程对修复材料提出的施工方式与开放时间、增韧、体积变形及抗冻融的实际需求,研究了高延性水泥基复合材料(HDCC)的凝结时间、拉伸-位移、劈裂抗拉、收缩及冻融性能的影响。结果表明,在保证早期强度发展的前提下,缓凝剂有效地延长了凝结时间从而保证其相应的施工时间,纤维的合理使用可提高HDCC的拉伸韧性与劈裂抗拉强度,而减缩剂与膨胀剂可将HDCC的收缩应变减小至200με以内,同时,新型HDCC还表现出良好的抗冻融特性。

生态型工程水泥基复合材料的制备与性能研究

ECC选用磨细石英砂的最大粒径不超过110μm,极大地制约了它在实际工程中的推广应用.采用多重复合技术并利用矿山尾砂制备出生态型工程水泥基复合材料——ECO-ECC.ECO-ECC同样具有应变硬化和多缝开裂的特性,其极限拉应变值可达2%以上,薄板四点受弯时试件最大裂缝宽度仅为0.06mm,平均裂缝间距为1.43mm,主要性能指标优异.对ECO-ECC的原材料优选原则和制备工艺进行了研究与介绍,制备的ECO-ECC可实现自流平.同时系统分析研究了ECO-ECC耐久性能.ECO-ECC其优越的性能使得其可用于混凝土板面层的维修、桥梁的连接板、框架结构的节点等,具有广泛的应用前景.

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．

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。