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。

混杂聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能

目前配置ECC(engineered cementitious composites,ECC)的聚乙烯醇纤维(polyvinyl alcohol,PVA)主要由日本可乐丽公司生产,成本较高.国产PVA价格合理,但国产PVA-ECC的拉伸延性有限,为了进一步提高水泥基复合材料的拉伸延性,兼顾应用成本,将国产PVA纤维和日本产PVA纤维以一定的比例混合,配制混杂PVA-ECC,为实际工程结构性能提升提供更多的材料选择.首先基于微观力学模型,确定混杂PVA-ECC中PVA纤维的体积分数,对设计的5组不同配合比的混杂PVA-ECC试件进行四点弯试验、单轴拉伸试验及单轴压缩试验,确定混杂PVA-ECC的较优配合比.最后对典型配合比ECC进行性能和成本对比分析,提出了低成本、较低拉伸性能的配合比M7,中等成本、较高拉伸性能的配合比M17和高成本、高拉伸性能的配合比M21等3个具有代表性的配合比,供实际工程根据结构性能的需要进行选择.采用混杂PVA纤维配置ECC,可降低ECC的成本,使得ECC大量应用于工程实践成为可能.

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料研究进展

普通混凝土具有许多优点,但其脆性大、易产生开裂,这将导致外界化学介质向内部扩散的速度加快,使建筑结构的使用寿命大幅度降低。加入聚乙烯醇纤维是解决这一问题的一种有效途径,并且能够显著改善水泥基材料的性能。论文介绍了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的国内外研究现状、动力学特性以及自愈合情况,探讨了该材料的微观设计理论,介绍了其应用,并对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料研究进行了展望。

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究

对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料棱柱体试件进行了抗折试验,并对抗折试验后的一半试件进行了抗压试验。试验结果表明,随PVA纤维掺量的增加,试件抗折强度大幅提高,抗压强度先略有提高然后降低,纤维在水泥基体中起到了很好的增韧效果。

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料轴压徐变性能研究

通过自制加载装置,研究了聚乙烯醇纤维(PVA)增强水泥基复合材料在轴向压应力作用下的徐变性能。研究参数包括水胶比和纤维掺量。研究结果表明:纤维掺入会降低水泥基复合材料抵抗徐变的能力,相对于未掺纤维的水泥基复合材料,纤维掺量为1%时其120 d徐变增加了19.4%;适当的水胶比有利于胶凝材料充分反应,增加对PVA水泥基复合材料对徐变的抑制作用,当水胶比超过0.3时PVA水泥基复合材料的力学性能会出现一定程度的降低,且120 d徐变会呈现快速增加。基于分数阶导数理论,采用Abel粘壶替代标准线性固体模型中的牛顿粘壶,推导出用于描述水泥基复合材料的徐变模型,并利用该徐变模型对试验数据进行分析。结果表明,含Abel粘壶的徐变模型与试验数据吻合良好且稳定性较高。

粉煤灰掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料抗硫酸盐侵蚀性能影响的研究

为了研究粉煤灰掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(Polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites,简写为PVA-FRCC)抗硫酸钠侵蚀的影响,在长期浸泡和干湿循环两种不同的侵蚀环境下,对若干次试验周期后的试件表观形貌变化、质量变化、体积变化、抗压强度和微观结构进行分析研究。试验结果表明,粉煤灰的掺入一定程度上密实了PVA-FRCC,在不同的侵蚀环境下均使其抗硫酸钠侵蚀性能得到改善,质量分数在50%之内时随着掺量的增加而更加明显。

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。

单边切口薄板研究聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料断裂韧性

利用单边切口薄板对配制的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料进行单轴直接拉伸试验研究,得到硬化的荷载-裂缝张开位移全曲线。通过试验观察到缺口尖端处出现呈发散状的多条微小裂纹,部分试件在远离切口处还有多条裂缝出现,并不像混凝土或水泥净浆这类半脆性、脆性材料只有单条裂缝并沿着单条路径开裂,因此,适用于应变软化材料的双K断裂理论以及断裂能理论不能直接用在应变已经发生假硬化的材料中。鉴于上述原因,该文提出起裂断裂韧度和耗散能两个韧性评价指标。

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.

聚乙烯醇纤维强化水泥基复合材料的抗盐冻性能

通过氯盐环境中的快速冻融试验研究了纤维体积率、冻融循环次数、粉煤灰、硅粉对聚乙烯醇(PVA)纤维水泥基复合材料抗盐冻性能的影响。通过扫描电镜观察内部微观结构随盐冻作用的变化规律、PVA纤维在水泥基体中分布情况和界面结合状况。试验结果表明:PVA纤维的掺入可明显改善水泥基复合材料的抗盐冻性能;PVA纤维在基体中分散性较好,且与水泥基体界面结合状况较好;而粉煤灰、硅粉的掺入未明显改善PVA纤维水泥基复合材料的抗盐冻性能。

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。

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。

聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的基本力学性能研究

文中通过对聚丙烯纤维(PP)增强水泥基复合材料的抗压、抗折试验发现,PP纤维的加入可以改变复合材料破坏模式,提升复合材料的抗压、抗折性能,使水泥基体由原来的脆性破坏转变为延性破坏。当PP纤维掺量为2%时,FRCC-2.0具有抗压、抗折强度最优值,分别为81.67 MPa和11.47 MPa。

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.

聚乙烯醇纤维水泥基复合材料水压渗透模型与分析

水在PVA纤维水泥基复合材料中的渗透性一定程度上决定PVA纤维水泥基复合材料的劣化速度。基于达西定律,本文在试验研究基础上,推导得出水在PVA纤维水泥基复合材料中渗透系数的计算模型,分析了纤维体积率、粉煤灰、硅粉对PVA纤维水泥基复合材料抗渗性能的影响。研究结果表明,该模型能很好地评价水在PVA纤维水泥基复合材料中的渗透性。

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的三轴受压性能试验研究

在6种不同围压条样下,对由不同掺量体积率的聚乙烯醇(PVA)纤维制成的标准圆柱体Φ50 mm×100 mm试样进行常规三轴压缩试验,研究了围压和纤维体积率对试样的峰值应力、峰值应变及本构方程的影响。研究结果表明:在常规三轴受压状态下,随着围压及PVA纤维体积率的增加,试样的峰值应变大于峰值应力,破坏试样所做的功也随之增大,且围压对试样峰值应变及应力的影响程度比纤维体积率大,达到试样峰值应力之后,纤维体积率的影响显著下降。侧向围压对试样的横向变形及裂缝发展有显著的约束效果,应力应变曲线符合过镇海模型。

木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性

【目的】木纤维增强石膏基复合材料的耐水性和韧性较差,限制了其在建筑领域进一步的发展,针对此材料上述2种缺点开展木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性研究,扩展石膏基复合材料的应用领域,提高其经济效益。【方法】以硅酸盐水泥为无机改性剂、聚乙烯醇溶液(PVA)为增韧剂,探究两者协同对木纤维增强石膏基复合材料力学性能和耐水性能的影响,通过X-射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观结构进行了表征。【结果】硅酸盐水泥和PVA在复合材料中产生了协同作用,可以弥补单掺水泥强度低和单掺PVA耐水性差的缺点。复合材料抗折强度和抗压强度分别为5.56和10.01 MPa,较改性前分别提升了40%和63%,2 h吸水率和24 h吸水率分别为19.83%和20.14%,比改性前分别降低了10.17%和11.97%,软化系数提高了0.4。XRD、FT-IR、SEM结果显示水泥与石膏的水化反应产生了钙钒石和硅酸钙凝胶等水化物,水化物填充水泥石膏基体。孔结构分析结果显示,水泥和PVA的加入降低了复合材料的孔隙率,减少超大孔的出现,复合材料的耐水性和力学性能得到提升。【结论】硅酸盐水泥的加入使复合材料内部水化反应受到影响,导致复合材料的力学强度受到影响。加入PVA后的复合材料内部物质连接紧密,提高了复合材料的力学性能,但是耐水性较差。硅酸盐水泥和PVA协同能提高复合材料的力学性能和耐水性能,弥补了单掺硅酸盐水泥复合材料力学下降和单掺PVA复合材料耐水性差的缺点。

聚乙烯醇纤维水泥基复合材料

介绍了聚乙烯醇纤维的特点和聚乙烯醇纤维水泥基复合材料的高延性、耐久性。

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。