超高延性水泥基复合材料耐久性研究进展

普通混凝土在特殊环境下容易出现性能劣化、耐久性不足的问题。超高延性水泥基复合材料(ECC)是一种纤维增强水泥复合材料,在拉伸载荷作用下产生微裂纹后具有应变硬化和自愈合能力,使ECC在各种环境条件下比普通混凝土有更佳的耐久性。综述了近年来国内外关于ECC耐久性的研究进展,总结了ECC在抗渗性、抗冻性、耐化学侵蚀性能、耐高温性、耐磨性相关方面的特点,并与普通混凝土进行了对比。研究发现:目前关于多因素耦合条件下ECC的耐久性研究、耐久性微观层面解释以及设计耐高温、耐磨性好的ECC等方面研究还不充分,基于此提出了几个未来研究方向。

再生细骨料对高延性水泥基复合材料力学性能及碳化耐久性的影响

为促进再生细骨料(RFA)在高延性水泥基复合材料(HDCC)中的应用,研究了RFA取代率(0%、25%、50%、75%、100%,质量分数)对HDCC抗压强度、拉伸性能、四点弯曲强度和碳化耐久性的影响。结果表明,随着RFA取代率提高,HDCC的抗压强度逐渐下降,但拉伸性能与弯曲强度显著提高。100%RFA取代率下HDCC峰值应变为3.06%,弯曲强度为7.9 MPa,较天然细骨料HDCC分别提升了31.33%和11.27%,表现出良好的延展特性。当RFA取代率高于50%时,有助于提高HDCC的碳化耐久性。基于测试结果进行拟合,建立了关于RFA取代率的HDCC碳化深度预测模型。

高延性水泥基材料(ECC)开裂后渗透性研究综述

高延性水泥基材料(ECC)是突破了传统混凝土脆性及应变软化属性的变革性的工程结构材料,该材料的拉伸延性与裂纹控制功能决定其适用于构件拉应力区带裂纹服役。开裂ECC的裂纹宽度对于工程耐久性至关重要,如何在保留材料延性的同时更有效地降低裂纹宽度是进一步提升ECC耐久性的关键。文章总结了该材料自研发以来取得的多种裂纹调控方法,指出其裂宽自控能力与延性的不匹配问题,分析了裂纹宽度、纤维掺量、纤维混杂等因素对开裂水泥基材料渗透性的影响,综述了ECC材料独特的开裂渗透规律及其理论预测模型,进一步提出混杂高模量纤维协同聚乙烯醇纤维调控微裂纹的方法,以期为ECC开裂抗渗性与延性的匹配设计、ECC结构的耐久性提升提供借鉴。

TiO_(2)光催化高延性水泥基材料拉伸性能和光催化性能研究

随着大气污染给建筑物及居住环境带来的恶劣影响日益严重,TiO_(2)光催化水泥基材料广受关注。利用光催化剂纳米TiO_(2)颗粒制备光催化高延性水泥基材料(PC-ECC),研究其单轴拉伸应力作用下力学性能和光催化性能;结合微观力学模型及孔结构分析纳米TiO_(2)颗粒对PC-ECC延性的作用机理。结果表明:掺0~15%纳米TiO_(2)颗粒的PC-ECC在龄期28 d时均具有显著的应变硬化特征和优异的多缝开裂能力,拉伸应变在掺1%纳米TiO_(2)颗粒时出现最低值3.48%,之后升至4.55%;宏观拉伸应变随纳米TiO_(2)颗粒掺量变化趋势与应变硬化指标J_(b)’/J_(tip)一致,且后者与孔结构等微观结构紧密相关;掺5%纳米TiO_(2)颗粒的PC-ECC经72 h紫外光照后光降解亚甲基蓝效率达95%,符合一级反应动力学模型。

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。

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。

绿色延性水泥基复合材料裂缝自愈合性能

绿色延性水泥基复合材料(green toughness cementitious composities,GTCC),是借鉴高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)技术开发的一款聚乙烯醇((polyvinly alcohol,PVA)纤维增强尾矿砂水泥基复合材料,该复合材料以大比例尾矿砂替代天然细骨料,具有经济、环保和延性特性。目前对于该复合材料的研究主要局限于产品制备、力学性能和耐久性等方面,有关GTCC裂缝自愈合性能的研究至今尚未见报道。为了探究该复合材料的自愈合性能,设计了尾矿砂替代天然砂比率为50%的3组不同水胶比的立方体试件,采用抗压强度恢复率法对GTCC的自愈合性能进行了研究,研究了损伤龄期、养护龄期、养护环境及干湿循环周期等因素对该新型材料自愈合效果的影响,揭示了绿色延性水泥基复合材料在不同条件下的自愈合规律。结果表明:该复合材料的损伤龄期越早,其自愈合效果越好;其自愈合效果随着自愈合养护龄期的增加而增加,但后期增长率较早期增长率越来越弱;干湿循环养护环境相对其它环境,更有利于其自愈合发生;自愈合作用主要发生在21个干湿循环之前。

绿色韧性水泥基复合材料力学性能

为了研究绿色尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的韧性,参考国内外试验方法开展了立方体抗压、薄板拉伸和冲击韧性等力学性能试验研究.分析了纤维与基体的相互作用及增韧机理,讨论了纤维掺量和水胶比二元因素对增韧性能的影响.该研究获得了复合材料相应的强度和韧性指标,为高性能尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的制备和工程应用提供了参考.

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．

超高性能钢纤维水泥基复合材料-高延性水泥基材料复合梁的制备及弯曲性能

研究了无配筋条件下超高性能钢纤维水泥基复合材料(UHPFRCC)与高延性水泥基复合材料(HDCC)复合梁试件的弯曲变形性能.通过纯剪切强度测试,比较了界面处理工艺对界面粘结性能的影响.通过弯拉实验测试了复合梁试件在弯曲载荷下的变形性能,并与纯UHPFRCC梁的变形能力进行对比.结果表明,不同的界面处理工艺决定了界面粘结性能.最佳的界面处理方法能使界面粘结强度高于HDCC基体本身强度,界面过渡区基体致密,没有明显的微观缺陷.UHPFRCC-HDCC复合梁在弯拉荷载下,极限抗弯强度达到13.4 M Pa,跨中最大挠度为2.8mm.HDCC能通过自身的多缝开裂增加裂缝数目来改善变形能力.与UHPFRCC梁相比,UHPFRCC-HDCC复合梁弯曲时,塑形变形明显,并具有更大的弯曲挠度.

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。

养护温度对高延性水泥基材料力学性能的影响

研究养护温度对高延性水泥基复合材料性能的影响,分析养护温度在20、40、60和80℃时水泥基复合材料的抗弯性能、抗压强度、抗折强度及裂缝分布特点.结果表明,养护温度越高,高延性水泥基复合材料的早期跨中挠度越小;养护温度高于40℃时,试件的跨中挠度和韧性指数随龄期延长无明显变化;高养护温度能显著提高高延性水泥基复合材料的早期抗压强度和抗折强度,龄期对高温养护条件下高延性水泥基复合材料的抗压、抗折强度影响不大;粉煤灰掺量相同时,常温养护下高延性水泥基复合材料的裂缝更加细密均匀;养护温度为60℃时,粉煤灰掺量提高至80%,高延性水泥基复合材料的韧性显著提高,28d抗压强度可达70MPa.

SAP对高延性水泥基复合材料弯曲性能的影响

为了考察超级吸水颗粒(superabsorbent polymer particles,SAP)对高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)性能的影响,研究了SAP的质量分数分别为0、0.2%和0.4%时,6组水泥基复合材料的抗弯性能、抗压强度、抗折强度及裂缝分布特点.结果表明,水泥基复合材料的28 d挠度都不低于10 mm;SAP的质量分数越高,ECC的挠度越大.粉煤灰的质量分数为70%时,水泥基复合材料的28 d挠度超过了25 mm.SAP的质量分数越多,抗压强度和抗折强度都有不同程度的减小,但其后期强度增加较快.此外,ECC的弯曲变形能力与金属相似;在基体中引入SAP颗粒,能够增加裂缝数量,减小裂缝宽度和裂缝间距.

高延性水泥基复合材料高温作用后的拉伸性能

高温是高延性水泥基复合材料(ECC)在服役过程中可能面临的最不利工况之一,对比研究了聚乙烯醇纤维增强ECC(PVA-ECC)与钢纤维/聚乙烯醇纤维混杂增强ECC(HyECC)在常温以及200℃、400℃、600℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-ECC的拉伸应变硬化能力。高温对PVA-ECC和HyECC的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-ECC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyECC拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;高温作用改变了PVA-ECC和HyECC的微观结构,PVA纤维在200℃时的软化以及400℃后的分解是2种ECC材料拉伸性能高温劣化的主要原因。

高温作用对混杂纤维增强高延性水泥基复合材料拉伸性能的影响

高温是高延性水泥基复合材料(HDCC)在使用阶段可能遇到的最不利工况之一,但是目前对于HDCC高温性能的研究较为有限。对比研究了聚乙烯醇(PVA)纤维HDCC材料(PVA-HDCC)、钢纤维/PVA纤维混杂HDCC材料(HyHDCC-A)以及钢纤维/PVA纤维/碳酸钙晶须混杂HDCC材料(HyHDCC-B)在常温以及200、400、600和800℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-HDCC的拉伸应变硬化能力,而引入碳酸钙晶须适量替代PVA纤维可以提高材料的拉伸强度、拉伸韧性,改善其应变硬化行为。高温对PVA-HDCC、HyHDCC-A与HyHDCC-B的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-HDCC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyHDCC-A与HyHDCC-B拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;碳酸钙晶须虽然可以提高HyHDCC-B高温作用后的拉伸强度值和拉伸韧性值,但并没有进一步减缓拉伸强度和拉伸韧性随温度的衰减速率。

高延性水泥基复合材料的制备技术综述

高延性水泥基复合材料(HDCC)是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的纤维增强水泥基复合材料.从HDCC材料的设计理论、材料选择、配合比设计、养护等方面综述了HDCC材料的制备技术,分析了制备HDCC时易忽略的几个关键技术,提出了HDCC的制备方法.明确了提高HDCC强度、抗渗性及与之相关耐久性的难度,提出HDCC的制备时,要注意基体强度与断裂韧度发展规律的差异,减少大颗粒材料等提高基体本身及纤维分布的均匀性,制备时可采用使用高掺量低活性粉煤灰,橡胶微粉和EVA乳胶粉、较高水胶比、较高胶砂比、减少养护等降低基体的断裂韧度的措施.基于现有HDCC设计理论及制备技术,要大幅度提高强度和耐久性,选择更匹配的纤维或调整优化纤维性能至关重要.

钢筋增强高韧性水泥基复合材料梁受剪延性分析

为分析钢筋增强超高韧性水泥基复合材料简支梁在集中荷载作用下的受剪承载力和延性性能,对9根超高韧性水泥基复合材料梁和1根混凝土梁开展了集中荷载作用下不同配筋率、不同配箍率及不同剪跨比的抗剪试验研究。结果表明,钢筋增强超高韧性水泥基复合材料梁较之普通钢筋混凝土梁具有更好的抗剪性能和延性性能。介绍了加载试验中试件规格、加载方式及测量设备等,分析了影响试件受剪延性性能的因素。

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。