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。

国产PVA/PE纤维混杂超高韧性水泥基复合材料拉压性能试验研究

研究分析了粉煤灰掺量、国产纤维掺量及混杂方式对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)抗压及直接拉伸性能的影响。结果表明:单掺PVA纤维/PE纤维或混杂使用都可制备出极限拉应变超3%的UHTCC;在相同的纤维混杂方案下(除单掺PVA),各配比抗压强度随粉煤灰掺量的增加整体呈逐渐下降的趋势;当PVA和PE纤维混杂使用时,UHTCC极限拉应变存在明显的正向混杂效应,混杂纤维UHTCC的极限拉应变均大于PVA-UHTCC和PE-UHTCC利用线性插值计算得到的极限拉应变;PVA-UHTCC拉伸失效后的裂缝宽度明显大于PE-UHTCC,当2种纤维混杂时,随着PE纤维掺量增加,裂缝宽度得到有效降低。

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。

工程水泥基复合材料配合比对其拉伸性能及耗能特性的影响

工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)在工程结构修复加固等领域应用广泛。制备了12组不同配比且不同养护龄期的ECC试件进行单轴拉伸试验,研究了不同砂胶比、水胶比、硅灰掺量、纤维掺量及养护龄期对ECC拉伸性能及耗能特性的影响,优化了ECC的配合比范围。结果表明:ECC的初裂强度和峰值强度在水胶比的一定范围内随水胶比的降低而增加,水胶比的建议区间为0.24~0.30;砂胶比在一定范围内的增加会导致ECC的初裂强度和峰值强度显著提高,砂胶比增加且不超过0.66时断裂能、延性指数(耗能能力)均呈现线性增加,砂胶比的建议区间为0.60~0.66;纤维掺量增加对ECC的断裂能和裂纹扩展有一定提高,但会使强度降低,纤维掺量的建议值为1.6%;适当的硅灰掺量能有效增加抗拉应变能力。

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。

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%。

盐雾干湿循环作用下超高韧性水泥基复合材料动态压缩性能试验研究

为研究滨海盐雾环境下超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的动态压缩力学性能,对2组不同腐蚀程度的UHTCC(腐蚀周期为0 d和60 d)开展3组不同应变率(10^(−4)s^(−1)、10^(−3)s^(−1)和10^(−2)s^(−1))的动态压缩力学试验,获得了材料的动态压缩应力-应变曲线和破坏形貌,分析了应变率对不同腐蚀程度的UHTCC弹性模量、峰值强度以及峰值应变的影响。结果表明:相比于未腐蚀试件,60 d盐雾干湿循环作用会导致UHTCC动态压缩强度分别提高44.5%、54.4%和62.4%,动态弹性模量分别提高19.4%、15.3%和28.4%,压缩强度的应变率敏感性上升。通过X射线电子计算机断层扫描(XCT)技术发现盐雾干湿循环环境下材料的孔隙率降低,微观结构变得更加密实。

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。

沙漠砂超高韧性水泥基复合材料抗冲击荷载试验研究

为研究不同取代率沙漠砂(20%、30%、40%)和聚乙烯纤维掺量(1.0%、1.5%、2.0%)等影响因素对超高韧性水泥基复合材料抗冲击性能的影响,采用落锤冲击试验装置对沙漠砂聚乙烯纤维超高韧性水泥基复合材料试件的抗冲击性能进行了试验研究,并对其冲击耗能和延性系数等指标进行了分析。结果表明:加入一定的沙漠砂和纤维之后,超高韧性水泥基复合材料的抗冲击性能有一定的提升,延性性能得到改善,当沙漠砂取代率为30%,纤维掺量为1.5%时,超高韧性水泥基复合材料的抗冲击性能最好。

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。

不同应变率下超高韧性水泥基复合材料力学性能

为了评估不同应变率对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)力学性能的影响,采用不同的应变率(10^(-5)s^(-1),10^(-4)s^(-1),10^(-3)s^(-1),10^(-2)s^(-1)和10^(-1)s^(-1))对UHTCC进行了单轴压缩试验和四点弯曲试验,分析压缩峰值应力、压缩峰值应变、动态增强因子(DIF)、弯曲极限强度和峰值荷载处的挠度随应变率的变化规律。结果表明:在低应变率下UHTCC材料的压缩性能具有应变率敏感性,压缩峰值应力、压缩峰值应变、动态增强因子(DIF)、弯曲极限强度总体上随着应变率的增加而增加,而峰值荷载处的挠度随着应变率的增加呈下降趋势,在较低应变率下UHTCC材料具有较好的弯曲韧性。

带肋钢筋与超高延性水泥基复合材料的黏结性能

超高延性水泥基复合材料(UHDCC)是新型纤维增强混凝土,受拉时表现出超高的延性和应变硬化能力。为提供UHDCC应用于受力构件的界面黏结理论依据,进行了45个钢筋在UHDCC中锚固的拉拔试验,考察了锚固长度、浇筑方式、保护层厚度、90°弯钩等对黏结性能的影响。试验结果表明:由于纤维约束作用,试件未发生劈裂破坏;UHDCC的浇筑方式显著影响黏结强度,垂直浇筑的黏结强度大于平行浇筑;由于UHDCC的应变硬化现象,试件锚固长度从4 d增大到6d时黏结强度有上升趋势,大于6 d时中心锚固试件(保护层较厚)锚固长度对黏结强度影响不大,偏心锚固试件(保护层较薄UHDCC材料的约束作用减小)随锚固长度增加黏结强度降低;直锚段钢筋长度为4 d时,增设90°弯钩(4 d)后,承载力提升幅度可达67%,但随着直锚段长度增加,弯钩对承载力提升幅度减小;绝对锚固长度相等时直锚组试件承载力大于带弯钩的试件,弯钩段锚固并不等价于直锚钢筋,弯钩锚固必须保证直锚段长度。论文分析了带肋钢筋与UHDCC之间的黏结滑移机理,给出了UHDCC直接锚固的黏结强度公式。

聚乙烯纤维制备超高延性水泥基复合材料的试验研究

为进一步提升高性能水泥基复合材料的拉伸能力,研制了以短切超高分子量聚乙烯纤维作为增强材料,以水泥砂浆为基体的超高延性水泥基复合材料(Ultra-high ductility cementitious composites,UHDCC)。本研究通过直接拉伸、单轴抗压及三点弯曲梁试验研究了UHDCC的基本力学性能。直拉试验表明,UHDCC具有优异的应变硬化和多重裂缝开裂性能。在极限状态下,UHDCC的裂纹间距小于2mm,最大平均裂纹宽度小于200μm;材料的平均抗拉强度为7.28 MPa,峰值强度处的平均拉伸应变达到12%,最大拉伸应变达到13%以上,具有超高的拉伸延性。轴压试验表明,超过峰值强度后,UHDCC在80%和60%的抗压峰值强度处的应变分别约为2.8%和7.0%,说明材料具有强大的受压变形能力。材料的弯曲韧性指数I_(10)、I_(30)、I_(50)、I_(60)分别为10.1、33.1、54.4、65.6,表明UHDCC具有优异的弯曲变形能力。此外,三点弯曲缺口梁和单裂缝试验结果表明,UHDCC的超高延性源于聚乙烯纤维超高的裂缝桥接能力。

超高延性水泥基复合材料(UHDCC)疲劳性能试验简介

同济大学余江滔科研团队使用超高分子量聚乙烯纤维作为增强材料研发出一种具有超高延性和高抗拉强度的纤维增强水泥基复合材料(UHDCC)。UHDCC在拉伸过程中呈现出超高变形能力和多缝稳态开裂的特征,可以很好地适应高变形和高抗疲劳的工程需求。