亚麻纤维水泥基复合材料研究现状及发展展望

亚麻纤维具有断裂强度高、伸长变形小、弯曲性好、扭转刚度大等特点,因此亚麻纤维水泥基复合材料是一种应用前景广阔的土木工程材料。从亚麻纤维物理化学性质、亚麻纤维对水泥基复合材料性能的影响、亚麻纤维水泥基复合材料性能改善方法3个方面系统阐述了亚麻纤维水泥基复合材料的研究现状与存在问题。提出未来发展趋势:加强用亚麻纤维替代聚丙烯纤维制备水泥基复合材料;揭示潮湿情况下亚麻纤维水泥基复合材料性能演变规律;在三轴应力、潮湿条件耦合作用下构建亚麻纤维水泥基复合材料力学损伤模型;从增加亚麻纤维本体强度、改善亚麻纤维和水泥基材料界面黏结性角度来提高亚麻水泥基复合材料的应用性能。

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。

玄武岩纤维对水泥基复合材料抗折强度影响研究

本文以不同方式(单掺、混掺)研究玄武岩纤维掺量(0.1%、0.3%、0.5%)和纤维长度(6mm、9mm、12mm)对水泥基复合材料抗折强度的影响。结果表明:玄武岩纤维对水泥基复合材料的抗折强度起到明显提升作用,单掺时本实验最优掺量为0.3%,最佳长度为9mm。混掺最优方案为三种纤维长度等量混掺。

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。

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.

硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的性能研究

本文使用不同类型(KH550和KH560)和不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,质量分数)的SCA对聚丙烯纤维(PPF)进行表面改性,通过无侧限抗压强度试验和抗折试验,研究了SCA改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的承压能力,并使用扫描电子显微镜对改性后的聚丙烯纤维水泥基复合材料进行了微观表征。结果表明:KH560改性聚丙烯纤维对水泥基复合材料的流动度影响较大,KH550次之;整体上,SCA浓度越接近1.5%,对聚丙烯纤维水泥基复合材料流动度的影响越大;随着KH550浓度增大,水泥基复合材料孔隙率总体呈降低趋势,随着KH560浓度增大,水泥基复合材料孔隙率呈先下降后上升的趋势,并且浓度为1.5%时孔隙率最小;两种SCA均提高了PPF表面的粗糙度,并能在PPF-SCA-基体界面实现化学键连接;两种SCA对聚丙烯纤维水泥基复合材料抗折强度的影响较小,但能有效提高抗压强度。总体而言,KH550改性效果优于KH560。

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。

水泥基纤维复合材料与混凝土的黏结性能试验研究

为了实现对老旧混凝土结构快速修补的目的,以磷酸镁水泥代替普通硅酸盐水泥,制备了一种高性能水泥基纤维复合修补材料,并以黏结抗拉强度、抗折强度和抗剪强度为评价指标,考察了其与混凝土结构之间的黏结性能。试验结果表明:混凝土的界面粗糙度越大,水泥基纤维复合材料与混凝土之间的黏结抗拉强度、抗折强度和抗剪强度值均先增大后减小,当界面粗糙度为3.5 mm左右时,黏结性能可达到最佳;混凝土基体强度越大,水泥基纤维复合材料与混凝土之间的黏结抗拉强度、抗折强度和抗剪强度值就越大,黏结性能越好。试验制备的水泥基纤维复合材料与混凝土之间的黏结性能较好,能够满足老旧混凝土结构修补施工的需求。

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。

高温处理对聚乙烯纤维-钢纤维高韧性水泥基复合材料抗折性能的影响

为了探究高韧性水泥基复合材料经高温处理后的力学性能,采用聚乙烯纤维与钢纤维混杂方式制备一种混杂纤维高韧性水泥基复合材料,通过三点抗折试验探讨所制得聚乙烯纤维-钢纤维高韧性水泥基复合材料经温度20、60、100、150、200、250℃处理后的抗折性能。结果表明:随着处理温度的升高,该复合材料的开裂应力、峰值应力和弯曲韧性均表现为先增大后减小的变化规律,处理温度为60、150℃时最大开裂应力为12.09 MPa,最大峰值应力为18.52 MPa;峰值应力受处理温度的影响较显著,当处理温度为200、250℃时,聚乙烯纤维熔化,复合材料的峰值应力相较于处理温度为150℃时的分别减小42.7%、57.9%;该复合材料的弯曲韧性在指定挠度为L/150、L/100(其中L为支座间跨度)阶段受处理温度影响较小,在指定挠度为L/50、L/25阶段,随着处理温度的升高而先增大后减小,聚乙烯纤维熔化导致复合材料在大挠度阶段的弯曲韧性明显减小。

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。

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。

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。

碳纤维编织网与聚丙烯水泥基复合材料加固圆柱轴压试验

完成了14个基于碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固圆柱的轴压性能试验,得到了各试件的极限承载力与破坏形态,测得了各试件平均压应力-混凝土应变曲线、平均压应力-碳纤维编织网应变曲线及各试件极限承载力柱状图,分析了加固层水泥基复合材料中聚丙烯纤维含量、碳纤维编织网包裹层数及网格大小等参数对试件轴压性能及破坏机理的影响。试验结果表明:采用碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固圆柱可明显提高其极限承载力;试件主要破坏形态为纵向压劈破坏,脆性破坏特征明显;加固层少量聚丙烯纤维含量(质量比0.05%,0.15%,0.25%)的改变对试件承载力的提高不明显;在一定范围内试件承载力随碳纤维编织网包裹层数的增加而提高;相比于2 cm网格碳纤维编织网,1 cm网格碳纤维编织网对试件承载力的提高效果更好。

PVA纤维长度对水泥基复合材料抗拉强度的影响

为了研究PVA纤维长度对水泥基复合材料抗拉强度的影响,采用6 mm、9 mm和18 mm的PVA纤维结合新疆本地沙漠砂与粉煤灰制备PVA-沙漠砂水泥基复合材料,于恒温条件养护28 d后测试其抗拉强度并与普通混凝土试件进行对比。由试验得出:添加PVA纤维的水泥基复合材料相比于普通混凝土试件其抗拉强度显著提高;随着纤维长度的增加,PVA-沙漠砂水泥基复合材料的流动度和抗拉强度逐渐降低。

再生细骨料制备纤维水泥基复合材料配合比优化及其性能

用再生细骨料制备再生骨料纤维水泥基复合材料(recycled fine aggregates-fiber-reinforced cementitious composites,RFA-FRCC),研究再生细骨料替代率、水胶比和聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量3个因素对RFA-FRCC抗压强度和抗折强度的影响;基于Box-Behnken响应面法对3个因素进行回归分析,优化RFA-FRCC配合比设计,提出系统化的RFA-FRCC配合比设计方法。结果表明:再生细骨料替代率对RFA-FRCC的强度影响最大,水胶比的影响次之,PVA纤维体积掺量的影响最小;当再生细骨料替代率为50%、水胶比为0.284、PVA纤维体积掺量为2.5%时,试件具有最佳的力学性能。微观分析结果表明,再生细骨料的存在并未改变纤维和水泥基体黏结界面的性质。

静动组合加载下钢-PE混杂纤维水泥基复合材料动态压缩性能试验研究

本文将钢纤维和聚乙烯(PE)纤维进行混杂,制备了钢-PE混杂纤维水泥基复合材料(S/PE-HFRECC, Steel-PE Hybrid Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites),控制纤维体积总掺量为2%,通过改变两种纤维配比制作了六类水泥基试件(S0E0、S0E2、S0.5E1.5、S1E1、S1.5E0.5和S2E0),并利用可施加预加静态荷载的直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置开展了静动组合加载条件下S/PE-HFRECC的动态压缩试验,预加静荷载级别分别取试件静态抗压强度的0%、15%、30%和45%四个级别。试验结果表明:1) 预加静态荷载对水泥基复合材料的力学性能有着弱化和强化的双面性。2) S/PE-HFRECC的动态抗压强度、动态峰值应变和应力峰值前韧度随着预加静荷载级别的提高呈现先升高后降低的趋势。3) 相较于单一纤维的掺入,钢-PE混杂纤维在对强度、变形能力和韧度的改善方面有着更好的优越性。

数字化分布钢纤维增强水泥基复合材料方凳数值模拟研究

掺入钢纤维可以改善水泥基复合材料的抗拉性能及韧性,通过主拉应力分布设计钢纤维方向及掺量,实现钢纤维数字化分布,能充分发挥钢纤维在基体中的增强作用。本文以方凳为研究对象,通过数值模拟建立了拉应力大小、方向和钢纤维分布的关系,确定了方凳中钢纤维的数字化分布,并进行了方凳控制截面受力性能分析。在方凳面板跨中截面处,数字化分布钢纤维分布数量分别比定向、随机分布钢纤维提高了187%、514%,钢纤维合力分别提高了276%、888%;在侧板上端正截面处,数字化分布钢纤维分布数量分别比定向、随机分布钢纤维提高了113%、355%,钢纤维合力分别提高了218%、775%。结果表明,与定向、随机分布钢纤维相比,数字化分布钢纤维增强作用明显提高,方凳面板跨中截面及侧板上端正截面处的钢纤维数量更多,钢纤维合力更高。