浆体流变性能对超高延性水泥基材料性能的影响

浆体的流变性能是影响纤维在水泥基材料中分散性的关键因素,是采用聚乙烯(PE)纤维制备超高延性水泥基材料(Ultra-high ductility cementitious composites, UHDCC)的重要指标。本工作通过调整水胶比和外加剂的掺量调控浆体的流变性能,研究浆体的屈服应力和塑性黏度对UHDCC流动性、拉伸、抗压和断裂性能的影响。结果表明:调整水胶比和外加剂可以调控UHDCC浆体的流变特性,其流变行为符合假塑性流体。浆体塑性黏度在1.91~6.00 Pa·s范围内的UHDCC呈现不同程度的拉伸应变硬化行为;塑性黏度的最佳范围为3.06~4.60 Pa·s,此时纤维在基体中分散更加均匀,因此UHDCC具备更加优异的拉伸性能和断裂韧度,其拉伸应变可以超过10%。

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。

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。

可用于无钢筋建造的超强超韧水泥基复合材料

基于断裂力学的设计理念,使用活性粉末,并以高强、高弹性模量的聚乙烯纤维作为增强材料,制备具有超高强度和超高延性的纤维水泥基复合材料(UHDCC).轴向拉伸试验、轴压试验、弹性模量试验和四点弯曲试验结果表明,UHDCC的极限拉应力强度可达20 MPa,对应的平均拉伸应变接近9%,轴向抗压强度超过110 MPa.四点弯曲试验结果表明,UHDCC的无筋整浇梁的弯曲性能达到配筋率1.5%的普通钢筋混凝土梁的水平,且具有良好的延性.

基于V型缺口梁的聚乙烯纤维增强超高延性水泥基复合材料受剪性能试验研究

基于9根聚乙烯纤维增强超高延性水泥基复合材料(PE-ECC)和3根无纤维基体浇筑的V型缺口梁受剪性能试验,研究不同配合比和纤维体积掺量对V型缺口PE-ECC梁的剪切性能的影响。结果表明:对照组无纤维基体V型缺口梁表现为明显的脆性破坏特征,而V型缺口PE-ECC梁均发生延性破坏;V型缺口PE-ECC梁试验过程中裂缝主要出现在缺口两侧加载点与支座之间的区域,呈现明显的多缝开裂现象,当荷载达到峰值荷载之后试件的下支座处出现主裂缝并且试件具有明显的挠度,这与无纤维基体试件有着显著的区别;当纤维体积掺量在0%~2%范围内时,V型缺口PE-ECC梁的受剪承载力和延性随纤维体积掺量的增大而增加,且纤维体积掺量为2%的试件的裂缝开展较纤维体积掺量为1%的试件更加充分;当纤维体积掺量为2%时,PE-ECC梁的名义抗剪强度平均值为9.46MPa,为同配合比PE-ECC轴心抗拉强度的1.79倍。

高性能建材加固砌体结构抗震性能的研究进展

砌体结构是世界上最古老的结构形式之一,至今仍然应用广泛。然而由于砌体结构显著的脆性以及较差的整体性,在地震作用下砌体房屋容易发生严重的脆性破坏。传统的钢筋网水泥砂浆面层和增设圈梁和构造柱的加固方式施工复杂、造价较高且会破坏建筑物的原有风貌,因此近些年涌现出许多新的加固方法。文章从材料的角度出发,总结了高性能材料在砌体结构加固中的应用,主要包括高性能复合砂浆钢筋网(HPFL)、纤维增强复合材料(FRP)、纤维织物增强砂浆(TRM)、超高延性水泥基复合材料(ECC)。文章讨论了不同加固方法的特点以及加固后砌体结构的性能提升,并且重点分析了具有多缝开裂及应变强化特点的ECC材料加固砌体结构的效果。

采用UHDC的钢筋不接触式搭接节点的受弯试验研究

UHDC是一种基于断裂力学设计的纤维增强混凝土,在拉伸时具有超高的延性、应变硬化及多裂缝稳定开裂特征。通过采用UHDC连接的预制拼装节点四点弯曲试验,对UHDC连接预制拼装节点的抗弯性能进行研究。与现浇节点相比,预制拼装节点应力与应变水平均较低,裂缝较少且集中在UHDC段及交界面处,基于此提出了试件受弯承载力公式;预制拼装节点的变形能力更强,且UHDC搭接长度越长,变形能力越强,钢筋的应力和应变水平也越高,基于此提出了钢筋利用系数公式。研究表明:UHDC具备良好的预制构件拼接性能,但要达到“等同现浇”的效果,还必须对此类新型节点进行更全面、深入的研究。

纤维增强混凝土连接的装配式混凝土结构节点性能综述

装配式混凝土建筑在国内外已有广泛的应用,预制混凝土构件的连接是装配式结构性能的重要影响因素之一。本文在装配式建筑节点连接研究进展的基础上,总结了普通纤维增强混凝土、超高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)连接的装配式混凝土构件承载力、裂缝和破坏形式、刚度退化和耗能等特性。纤维增强混凝土连接预制混凝土构件均能提高装配式结构的承载力,避免梁-柱节点核心区发生剪切破坏,在梁端形成塑性铰,实现“强节点弱构件”的需求;普通纤维增强混凝土连接的预制混凝土构件在新旧混凝土界面处的破坏仍较明显;超高延性纤维增强水泥基复合材料连接的预制混凝土构件整体延性增大,且在循环荷载作用下,承载力和刚度退化速率较小;超高性能混凝土连接较大程度缩短连接处钢筋搭接和现浇段长度。

基于梁理论的ECC拉伸应变硬化与开裂行为的数值模拟

基于描述超高延性水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)中单根纤维拔出行为的等效弹性地基梁模型,通过纤维-基体系统切面的平面应变有限元分析,提出了等效连续梁弹簧约束刚度的显式计算方法,建立了改进的等效弹性地基梁模型,并将模型应用于ECC单轴拉伸应变硬化与多缝开裂行为的数值模拟分析。分别基于摩擦滑轮模型和等效弹性地基梁模型计算ECC应力-应变关系曲线,并与试验结果进行对比。结果表明:对于聚乙烯(PE)/ECC,大部分情况下基于等效地基梁模型的计算结果与试验结果相比于聚乙烯醇(PVA)/ECC更加吻合。表明本文提出的改进的等效地基梁模型能够很好地描述抗弯刚度无法忽略的纤维的拔出行为,对于此类ECC材料和结构的受力机制和设计理论具有一定的参考价值。