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。

纤维网片复合方式对纤维增强水泥基材料性能的影响

在分析渍浆纤维混凝土 (SIFCON)和渍浆网片混凝土 (SIMCON)各自优缺点的基础上 ,研究了不同性质乱向短纤维和定向纤维网片复合及不同性质网片组合方式对纤维增强混凝土性能的影响 .实验结果表明 :各种纤维体积分数下定向网片与乱向短纤维复合增强混凝土各项性能明显优于单用乱向短钢纤维增强混凝土 ;当纤维总体积分数为 8%时 ,由 2层细孔编织钢丝网和 3层细孔玻纤网组合网片型式B(网片体积分数为 0 7%)与乱向短纤维 (体积分数为 7 3%)复合增强混凝土 ,其抗弯强度、抗剪强度、弯曲韧性 (I5)比短切钢纤维增强混凝土 (SIFCON)分别提高了 45 %,2 5 %和46%,从而揭示了高弹模与低弹模纤维复合、乱向纤维与定向纤维网复合 ,优化纤维分布和取向 ,使其在材料层次和结构层次协同作用的优势得以发挥 。

TiO2中性水溶胶的制备及其在玻璃纤维增强水泥基材料表面的光催化自洁性能研究

最近实现建筑幕墙的自清洁已经受到了人们的极大关注。首先使用Ti(SO4)2作为原料,采用H2O2解胶法在回流条件下合成了具有光催化活性的TiO2中性光触媒溶胶。同时将TiO2溶胶在玻璃纤维增强水泥基材料(GRC)表面涂覆成膜,研究了其光催化降解罗丹明B的能力。通过实验证明:制备的二氧化钛水溶胶光触媒活性组分TiO2的粒径仅为几纳米且分布均匀,溶胶的稳定性很好,长时间存放后不会沉淀。合成的纳米二氧化钛水溶胶呈中性,可以很好地涂覆于GRC表面,并且在紫外光下具有较好的光催化能力和自清洁性能。

形状记忆纤维在纤维增强水泥基材料中的应用

本研究通过三点弯曲试验研究了不同养护龄期下,形状记忆合金纤维(SMAF)闭合水泥基材料裂缝方面的性能。实验结果表明:SMAF的加入可显著提高试件的开裂强度和抗弯强度,且随着养护龄期的增加,开裂强度和抗弯强度逐渐提高,SMAF-FRCC-28d试件具有最大开裂强度和抗弯强度。SMAF与FRCC有良好的协同作用,SMAF产生的恢复应力可有效提高裂缝恢复率;试件的裂缝恢复率与养护龄期有关,SMAF-FRCC-28d试件的裂缝恢复率最优,为12.6%。

玻璃纤维增强水泥基材料组成优化设计与性能

为制备高性能和长寿命的玻璃纤维增强水泥基材料(GRC),采用多因素(水胶比、胶砂比、玻璃纤维掺量及矿物掺合料种类)试验设计方法,基于性能设计制备新型GRC,并对其长期力学强度的发展规律进行了研究。同时利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪对新型GRC的水化产物及微结构进行了表征。结果表明:水胶比优选范围是0.30~0.38;胶砂比优选范围是1.0∶0.5~1.0∶1.2;纤维最佳体积掺量是2%;纯硅酸盐水泥系列GRC28d后抗折强度下降,粉煤灰和硅灰可以与基体孔隙液中的Ca(OH)2反应,有效降低了Ca(OH)2含量和碱度,改善了玻璃纤维在长期水化中被脆化和腐蚀的情况。因此,采用粉煤灰和硅灰替代部分硅酸盐水泥制备GRC,可使其抗折强度持续增长并保持相对稳定。

外加电场作用下碳纤维增强水泥基材料的输运特性

以隧道效应理论为基础,建立了碳纤维增强水泥基复合材料(carbon fiber reinforced cement-based composites,CFRC)导电模型。研究CFRC材料在外加电场作用下的输运特性,得出了相应的数学表达式,并进行了实验验证。结果表明:CFRC材料的电阻率–场强曲线呈反S形;随碳纤维掺量的增加,场强对其电阻率的影响逐渐减小。CFRC材料具有这种特殊的输运特性,是由于隧道导电存在的结果。

高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能

为了获得高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法,研究了砂的颗粒级配、水胶比和粉煤灰掺量对高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)的弯曲性能、抗压、抗折强度及开裂模式的影响。结果表明:随着砂的细度模数降低,ECC的跨中挠度增大,早期强度提高,但后期强度变化不明显。随着水胶比的增大,ECC的初始开裂荷载降低,跨中挠度增大,平均裂缝宽度增加。0.25水胶比的ECC的抗压强度可以满足高强度等级的要求。0.35水胶比的抗压强度可以满足对普通强度等级的要求。随着粉煤灰掺量的增加,ECC的初始开裂荷载降低、抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,平均裂缝宽度变小。在水胶比一定的条件下,采用细砂,适当增加粉煤灰掺量有助于提高ECC的韧性和延性。

硫酸盐-干湿循环下高延性纤维增强水泥基材料的自愈合

采用1.0%,1.5%和2.0%预加拉伸应变,使养护7,28d龄期的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)试件产生裂缝,研究其在经历10,20和30次硫酸盐-干湿循环后的裂缝特性、自愈合后的拉伸性能及自愈合产物.结果表明:带裂缝试件在经历不同循环次数后均表现出了良好的自愈合效果,残余裂缝的最大宽度和数量明显减少;养护7d试件经历10次循环后的残余裂缝最大宽度由愈合前的80μm降至25μm,养护28d试件经历30次循环后的残余裂缝最大宽度由愈合前的100μm降至50μm;67%以上带裂缝试件自愈合后的单轴拉伸应变能力接近甚至超过同样经历的对比用无裂缝空白试件;养护7d试件自愈合后的最终应力可分别恢复至75%以上,养护28d试件可恢复至131%以上;层状结构的CaCO_3晶体是ECC试件的主要自愈合产物.

高纤维体积率玻璃纤维增强水泥基材料的力学性能

为探究高体积率玻璃纤维掺量(>5%)对砂浆力学性能方面的影响,从水泥试块的成型入手,对力学性能、破坏行为等方面展开研究,通过测试不同玻璃纤维长度的高体积率玻璃纤维增强水泥基材料的抗折、抗压性能,并观测、记录其破坏过程和破坏方式,分析其破坏机理和破坏行为,并通过超景深扫描电子显微镜观察玻璃纤维断裂情况。研究结果表明,随着玻璃纤维体积掺量的提升,抗折和抗压性能初始有大幅度提升,分别达到38.6、55.4 MPa,在7%玻璃纤维掺量时基本平稳,掺量超过10%时成型困难;掺量在7%~10%时,抗折应力-应变曲线出现明显的塑性特征。

阻燃剂涂覆PVA纤维增强水泥基材料高温后力学性能研究

为了研究阻燃剂对PVA纤维增强水泥基材料高温后力学性能的影响,采用甲基磷酸二甲酯(DMMP)对PVA纤维进行了表面涂覆,将处理前后的PVA纤维分别制成纤维增强水泥基复合材料(FRCC)进行高温试验,测试了高温后试件的抗压强度和抗折强度,结合热重分析试验和扫描电镜结果,对FRCC高温后的强度退化规律及微观结构进行了分析。结果表明:DMMP降低了常温下FRCC的抗压和抗折强度,但对PVA纤维热分解起到了一定抑制作用,在400℃时对基体产生了增强效果。

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。

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。

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.

定量分布PVA纤维增强水泥基复合材料连续梁抗弯性能数值模拟

纤维增强是有效改善水泥基复合材料抗拉性能的方法之一,掺加聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol Fiber,PVA)纤维可以提高水泥基复合材料的抗裂性能和韧性,根据构件拉应力大小配制PVA纤维体积掺量,即定量分布PVA纤维,能够充分发挥纤维的增强作用。为研究PVA纤维定量分布的增强机理,开展了定量分布PVA纤维增强水泥基复合材料(Adaptively Distributed Polyvinyl Alcohol Fiber Reinforced Cement-based Composites,AD-PFRC)连续梁的抗弯性能数值模拟研究,对比分析了不同PVA纤维分布方式连续梁的应力云图及梁底部拉应力较大区域的合力。数值模拟结果表明:平均PVA纤维体积掺量为1.3%时,AD-PFRC的拉应力值相比PFRC明显提高,且达到极限荷载时,AD-PFRC梁跨中截面底部拉应力较大区域的合力相比PFRC提高了12%,AD-PFRC的PVA纤维增强作用明显提高。

改性聚丙烯纤维增强水泥基材料的搅拌工艺及弯曲性能研究

对两类搅拌工艺(纤维先掺和后掺法)制备的改性聚丙烯纤维增强水泥基材料进行测试,研究新拌砂浆在不同搅拌时间和搅拌速率下的纤维分散性和工作性能,并对其浇筑物进行不同龄期的抗压抗折试验。基于上述试验结果确立可靠的搅拌工艺,并浇筑平板试件。通过四点弯曲试验研究改性聚丙烯纤维长度和掺量对弯曲性能的影响。研究结果表明:纤维后掺和慢速搅拌为可靠的搅拌工艺。纤维长度为12 mm时弯曲强度最大,纤维长度为20 mm时延展性、韧性和残余强度最好。在纤维长度相同时弯曲性能会随着纤维掺量的增加而增大。该研究可以为改性聚丙烯纤维制备纤维增强水泥基材料提供一定的试验依据。

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%.

再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料拉伸及开裂性能研究

将建筑垃圾研磨筛分成再生粉(再生砂浆粉、再生混凝土粉等)并替代胶凝材料制备水泥砂浆基体,是建筑垃圾再利用的有效途径。通过扫描电子显微镜对再生砂浆粉(RMP)的微观结构进行观测并利用X射线荧光对RMP的矿物组成进行了测定,将RMP替代水泥(替代率分别为12.5%、25%、50%)制备纤维增强水泥基复合材料(FRCC),研究其单轴拉伸应力应变行为及不同应变状态下裂缝宽度及分布情况。结果表明:相较于水泥,RMP的SiO 2含量较多,而CaO含量相对较少,一定程度上降低了胶凝材料的水化反应和基体强度;RMP粒径分布比水泥更广,较小粒径的颗粒可有效填充基体缝隙,因此当RMP替代率较大时,其对基体强度的影响较小;3种再生砂浆粉纤维增强水泥基复合材料(RMP-FRCC)试件均表现出了优异的应变硬化特性和多缝开裂控制能力,极限应变均达到了8%以上,裂缝分布均匀,极限应变状态下的平均裂缝宽度均在100μm以下;25%的RMP替代水泥可显著增加FRCC的应变硬化特性,但较大的替代率(50%)则会降低其力学性能及应变指标。

聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料单纤维拔出细观机理研究

目的 探索聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)高韧性、应变硬化宏观力学行为的细观机理,为其材料特性设计奠定理论基础。方法 基于黏聚力单元和非线性弹簧连接器,建立单PVA纤维/水泥基体的ABAQUS有限元模型,对单PVA纤维拔出水泥基体的全过程进行数值模拟分析。结果 PVA-ECC单纤维拉拔力-拉拔位移曲线可细分为线弹性阶段、连续脱黏阶段、整体滑移阶段、机械咬合硬化阶段和纤维磨损断裂阶段;纤维与水泥基体之间的传力机制包括剪滞切应力和机械咬合力;随着拉拔力的增加,机械咬合力逐渐成为主要传力机制。结论 水泥基体与纤维之间的机械咬合作用以及纤维表面的磨损是导致纤维断裂的根本原因,通过对纤维表面进行适当处理,可以降低水泥基体在机械咬合硬化阶段对纤维表面的磨损,使纤维断裂模式转变为纤维拔出模式,以更好地控制水泥基体的微裂纹失稳扩展,从而进一步提高PVA-ECC的韧性。

纤维增强水泥基复合材料单轴压缩的尺寸效应

目前纤维增强水泥基复合材料(Fiber reinforced cement-based composites, FRCC)的尺寸效应研究较少,本文选取立方体长度为70.7 mm、100 mm和150 mm的三种尺寸进行单轴压缩力学行为研究,并探究不同聚丙烯纤维掺量(1%、1.5%和2%)对FRCC试件尺寸效应的影响。结果表明,随着试件尺寸的增大,FRCC抗压强度会随之不断降低。聚丙烯纤维的掺入可以有效地起到约束作用,从而提高FRCC试件的横向变形能力,保证试件单轴压缩破坏时的完整性,该结论可为实际工程应用时的强度指标换算提供参考依据。

混杂钢纤维增强超高性能水泥基材料力学性能分析

采用平直型超细钢纤维与压痕型中长钢纤维混杂,系统研究了混杂比例对超高性能水泥基复合材料(UHPCC)流动性能、力学行为的影响,以及纤维外形对界面粘结力的影响.研究表明,随压痕型钢纤维掺入量增加,新拌浆体的流动度下降;在纤维体积率一定时,2种纤维等比例混杂,材料的抗压、拉伸、弯曲强度与弯曲韧性等力学性能为最佳;当水胶比固定时,压痕钢纤维与基体界面粘结力大于平直型超细钢纤维.试验还表明,2种纤维混杂在不同结构、不同尺度和不同时间层次对抑制裂缝的生成和扩展分别发挥作用,两者协同作用使材料总体力学性能显著提升.