玻璃砂超高性能水泥基复合材料的制备及性能

为实现超高性能水泥基复合材料(ultra-high performance cementitious composite,UHPCC)的可持续性和环保性,以玻璃砂替代UHPCC中的河砂,制作玻璃砂超高性能水泥基复合材料(glass sand ultrahigh-performance cementitious composite,GS-UHPCC),通过开展力学性能试验,探讨不同玻璃砂替代率和玻璃砂粒径对GS-UHPCC抗压、抗折性能的影响,定量表征GS-UHPCC的弯曲韧性和能量吸收能力,并通过X射线衍射和扫描电镜试验,分析了玻璃砂的增韧机理.结果表明,以平均粒径为0.27 mm的玻璃砂替代河砂,当体积替代率为40%时效果最好,替代后GS-UHPCC在养护28 d时的抗压强度相较于未掺时提升了17.0%,抗折强度提升了14.8%,能量吸收能力最优,微观结构致密,水化反应最为完全.本研究得出的最优玻璃砂替代率与粒径,可为GS-UHPCC的应用提供可行性支持.

粗骨料对超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC)性能的影响

根据超高性能混凝土(UHPC)的制备理论和应变硬化水泥基复合材料(SHCC)的设计原理,制备了超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC),研究了钢纤维改性处理和粗骨料的级配(最大粒径分别为6.00、8.00、9.75 mm)与掺量(0、5%、11%、15%)对UHP-SHCC抗压强度和拉伸行为的影响。结果表明:与未改性钢纤维相比,改性钢纤维使UHP-SHCC的应变硬化行为更明显;通过合理调控粗骨料的级配和掺量,有效提高了UHP-SHCC的抗压强度,改善了UHP-SHCC的拉伸应变硬化效果,但随着龄期从7 d增至28 d,UHP-SHCC的应变硬化效果略有减弱。

超高性能水泥基复合材料早期自收缩特性研究

采用新型高精度全自动自收缩测量仪，研究了加入粗集料、不同水胶比（mw／mB=0．16，0．20，0．24）和不同钢纤维体积分数（φf=0％，1％，2％，3％）对超高性能水泥基复合材料（ultra—highperformancecementitouscomposite，UHPCC）自加水起33h内自收缩特性的影响．结果表明：UHPCC早期自收缩随龄期的发展具有明显的双阶段特征，即初始快速发展阶段和后期缓慢发展阶段；UHPCC早期自收缩随着水胶比的降低而增加，当水胶比从0．24分别减小到0．20，0．16时，0～20h内其自收缩值分别增加了34．09／6和63．8％；粗集料和钢纤维对UHPCC早期自收缩有明显的抑制作用，钢纤维体积分数从0％分别增至1％，2％和3％时，0～33h内其自收缩值分别降低了23．9％，60．5％，86．5％；UHPCC在33h时的自收缩值与水胶比（≤0．24）、钢纤维体积分数（0％～3％）这两者的关系均近似呈线性相关．

纳米SiO_2和CaCO_3对超高性能水泥基复合材料的影响

系统研究了双掺纳米SiO2和纳米CaCO3对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响规律,采用水化热分析、XRD、MIP和纳米压痕等多种微观分析测试手段对其水化进程及微结构进行了研究.结果表明,双掺纳米材料可进一步提升材料的各项力学性能,纳米CaCO3的最佳掺量为3%-5%.纳米SiO2的高反应活性促进了早期水泥水化的进程,与水泥水化产物Ca（OH）2反应产生C-S-H凝胶,纳米CaCO3主要起到了填充增强和晶核的作用,二者共同作用下,使得复合材料结构更为密实,孔隙率进一步降低,孔径得到细化,超高密度C-S-H凝胶大量生成,界面区得以强化,异常均匀致密的微观结构使得复合材料在宏观上体现出优异的力学性能.

超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能

用大掺量超细工业废渣取代水泥,最大粒径为2.5mm的天然砂取代粒径为600μm的磨细石英砂,并掺加高弹高强粗集料(最大粒径分别为15、10mm的玄武岩石子),制备出不同强度等级的超高性能水泥基复合材料(UHPCC)。对9块靶体进行了接触爆炸实验,对比分析了靶体材料的爆炸破坏现象,结果表明,制备的超高性能水泥基复合材料具有优异的抗爆炸、抗震塌性能。由爆炸漏斗坑尺寸计算分析得到3种材料的抗爆炸系数,分析表明其抗爆炸系数与材料本身的抗拉强度的平方根成反比,提出了超高性能水泥基复合材料爆炸漏斗坑深度计算公式,以期为防护工程材料的设计提供参考。

超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻性能研究

采用普通混凝土成形工艺和热水养护制度,制备出了抗压强度120～250 MPa的超高性能水泥基复合材料.在获得优异静态力学性能的基础上,进行了超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻研究,分析了侵彻过程中的靶体破坏形态.根据获得的侵彻深度数据,在J.T.Gomez等提出的多次侵彻模型基础上,修正了与靶体抗压强度有关的多次侵彻深度计算经验方程.

超高性能水泥基复合材料动态断裂下承载能力和刚度退化分析

针对超高性能水泥基复合材料和基体砂浆,采用三点弯曲梁进行不同种类纤维、不同尺寸以及不同初始缝高比的静载断裂试验。并且在静载断裂试验的基础上进行初步动态断裂试验。依据双K断裂准则计算断裂参数,分析初始缝高比和不同种类纤维对断裂韧度的影响。研究动态断裂作用下超高性能水泥基复合材料承载能力和刚度的退化规律。试验结果表明:随着初始缝高比的增大,超高性能水泥基复合材料和基体砂浆的起裂断裂韧度表现为不变的趋势,失稳断裂韧度增加。进口纤维在改善极限荷载和增韧效果方面作用明显,国产纤维极限荷载的改善效果优于增韧效果。经过动态断裂作用的超高性能水泥基复合材料承载能力和刚度均有所下降;不带裂缝试件在整个疲劳过程中刚度退化不明显,带裂缝试件在疲劳过程中刚度退化过程可描述为:快-慢-快三个过程。

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.

钢纤维掺量和应变率对超高性能水泥基复合材料层裂的影响

为研究防护工程用超高性能水泥基复合材料的层裂特性,利用大掺量（60%）超细工业废渣取代水泥,最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600μm的磨细石英砂,在标准养护条件下成功制备出抗压强度达200M Pa的超高性能水泥基复合材料（UHPCC）。并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的UH-PSFRCC材料进行了层裂实验,研究了应变率和纤维掺量对该材料层裂性能的影响规律。结果表明,UHPS-FRCC材料的层裂强度随纤维掺量的增加、应变率的提高而相应地增长;低应变（21-25/s）条件下,掺加3%和4%钢纤维后的UHPSFRCC材料,层裂强度分别提高到了2倍和2.5倍,且随着应变率的提高,层裂强度的增加幅度不断降低;低应变率下材料多发生1次层裂而高应变率下则产生2次甚至多次层裂现象。

玄武岩纤维及其格栅布对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响规律

通过大掺量超细工业废渣及采用普通工艺成功制备了3类超高性能水泥基复合材料,分别测试了其7,28,90 d的抗压强度和抗折强度,并对其进行了分析。讨论了玄武岩纤维及玄武岩纤维格栅布对其力学性能的影响,并对其弯曲荷载-挠度曲线进行了分析。结果表明,玄武岩纤维体积掺量为0.5%~1.5%时可以提高混凝土的抗折强度和抗压强度,但提高幅度有限,而玄武岩纤维格栅布对提高复合材料的力学性能有明显的效果,表现出良好的增强增韧效果。

超高性能钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能及微结构分析

系统研究了偏高岭土对超高性能钢纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响规律,并采用XRD、纳米压痕、SEM等现代分析测试手段揭示该材料具有超高性能的微观机理.结果表明,掺加偏高岭土比不掺的试件在相同养护龄期、相同纤维掺量等条件下显示出更加优异的力学性能;超高性能钢纤维增强水泥基复合材料由于具有极低的低水胶比,其90 d水泥水化程度仅有65%左右,硬化水泥浆体中存在大量未水化的水泥颗粒,且绝大部分水化产物为UHD C-S-H凝胶;偏高岭土中存在大量的活性SiO2和Al2O3,可以促进水泥的水化,进一步填充了复合材料内部的空隙,使得材料整体的密实度得以提高,界面得以强化,从而使复合材料呈现出优异的力学性能.

超高性能水泥基复合材料的多尺度设计与抗爆炸性能研究进展

超高性能水泥基复合材料(Ultra-high performance cementitious composites,UHPCC)是一种具有超高强度、超高韧性、超高耐久性和良好体积稳定性的新型水泥基复合材料。超高性能水泥基复合材料因其优异的力学性能和耐久性能,在超高层建筑、桥梁、隧道、海上平台、核反应堆安全壳及军事防护工程等领域中具有广阔的应用前景。近年来,国内外意外爆炸事故和恐怖爆炸袭击事件时有发生,许多建筑和防护工程面临着爆炸等强动载的冲击作用,而现有的大多数建筑结构无法抵御爆炸载荷的冲击,将建筑结构爆炸风险降低到可接受水平迫在眉睫。目前存在的防护工程材料大多为普通强度(C30~C50)等级的混凝土或普通纤维增强混凝土,抗爆能力普遍较弱,研究强度等级高、抗爆炸性能好的超高性能水泥基复合材料逐渐成为防护工程材料研究的热点。本文通过对爆炸现象的基本特点及对建筑物破坏形式的分析,结合对水泥基复合材料抗爆炸原理的研究,从纤维混凝土、珍珠层混凝土、梯度混凝土等细微观结构设计,以及泄爆结构、性能目标等宏观结构设计两个角度,重点综述了抗爆炸高性能水泥基复合材料的细-微-宏观多尺度结构设计及其性能优化研究进展,对爆炸作用下超高性能水泥基复合材料的结构损伤破坏机理研究进展以及应用现状进行了阐述。最后,进一步探讨了抗爆炸超高性能水泥基复合材料研究中存在的问题,并展望了相关研究与发展趋势。

纳米超高性能水泥基复合材料微结构演变研究

应用多种微观分析测试手段,研究掺加纳米SiO2的超高性能水泥基复合材料水化进程及微结构.结果表明,由于纳米SiO2的高反应活性,促进了早期水泥水化的进程,纳米SiO2与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成C—S—H凝胶;随着纳米SiO2质量分数(≤5%)的提高及养护龄期的延长,复合材料的孔隙率不断降低,孔径得到细化,且反应的纳米SiO2还起到颗粒增强的作用,使复合材料整体呈现出非常致密的微观结构,在宏观上表现出优异的力学性能.

基于超高性能水泥基复合材料连接的预制装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为研究钢筋短搭接后浇超高性能水泥基复合材料(UHPC)连接的预制装配式混凝土剪力墙的抗震性能,对4榀剪跨比为2.27的混凝土剪力墙试件进行了拟静力试验。为了探讨轴压比对其抗震性能的影响规律,其中1榀为设计轴压比为0.2的现浇剪力墙,3榀为设计轴压比分别为0.2、0.33、0.47的预制装配式剪力墙。试验结果表明:所有试件均以剪压破坏为主,各试件刚度退化与强度退化规律基本相同,位移角均远大于规范中规定的弹塑性层间位移角限值1/120。与现浇试件相比,轴压比同为0.2的预制装配式试件的抗裂能力、承载力和刚度均有所提高,延性与耗能能力略低;随着轴压比增大,预制装配式试件抗裂能力、承载力和刚度显著提高,滞回曲线出现明显的捏拢现象,延性和耗能能力有所降低。

超高性能水泥基复合材料的动态力学性能研究

采用60%的超细工业废渣取代水泥,采用粒径为2.5～3.0 mm的天然砂取代粒径为600μm的磨细石英砂,并掺加了Dm ax为5、10和15 mm的粗集料,制备出抗压强度达200M Pa的超高性能水泥基复合材料（UHPCC）;并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的UHPSFRCC材料进行了一次和多次冲击压缩实验。对材料的多次冲击压缩标准化强度进行了定义,揭示出了应变率、冲击次数、冲击方式、纤维掺量影响材料抗冲击性能的规律。试验表明,UHPSFRCC抗冲击的能力随纤维掺量的增加不断提高;动态性能因掺入用作粗集料的玄武岩碎石而得到了相应的提升;动态强度随应变率的提高相应地增长;损伤程度随冲击次数的增加不断地加剧、标准化强度则相应地下降。承受多次冲击的UHPSFRCC试件随冲击次数的增加其冲击下峰值应力的下降速度也将增大。

超高性能水泥基复合材料动态冲击性能及数值模拟

超高性能水泥基复合材料是一种具有优越的力学性能、耐久性能的新型建筑材料,在超高层建筑、桥梁、隧道、军事防护工程具有广阔的应用前景。利用霍普金森压杆(Split Hopkinson Press Bar,SHPB)对超高性能水泥基复合材料进行动态力学性能的研究,结果发现超高性能水泥基复合材料表现出了明显的应变率效应,即随着加载应变率的增加,应力峰值增加;钢纤维能明显提高试件的抗冲击能力,有利于维持试件的整体完整性。最后,利用有限元分析软件LS-DYNA,对超高性能水泥基复合材料霍普金森压杆冲击压缩试验进行数据模拟。

钢纤维对超高性能水泥基复合材料增强增韧的影响

为研究钢纤维对超高性能水泥基复合材料(UHPCC)增强增韧性能的影响,对掺加不同类型、掺量和排列方式钢纤维的UHPCC直接拉伸性能和弯曲韧性进行研究。结果表明,钢纤维明显提高UHPCC的直接拉伸性能和弯曲韧性。纤维掺量越高,增强增韧效果越明显;相同掺量下,波纹型钢纤维的增强增韧效果优于端钩型,这是由于波纹型钢纤维与基体间存在更强的机械咬合力。此外,沿拉应力方向有序排列钢纤维的方式更有利于UHPCC的增强增韧,表现为破坏过程呈现一定的应变硬化特征。

超高性能水泥基复合材料抗多次冲击性能

采用大掺量矿物掺合料(35%粉煤灰+10%硅灰+10%偏高岭土)等量取代水泥,与最大粒径2.36 mm的天然砂和2种不同形状(端勾型与平直型)的超细镀铜钢纤维,制备出超高性能水泥基复合材料(UHPCC).通过分离式霍普金森压杆装置对UHPCC进行高速冲击压缩实验,研究了应变率、冲击次数、纤维种类及掺量对该材料抗多次冲击性能的影响规律,同时采用X-ray CT扫描测试技术,揭示了UHPCC的动态损伤变化规律及其抗多次冲击机理.结果表明,在钢纤维掺量不超过3%时,UHPCC抗冲击的能力随纤维掺量的增加而不断提高;动态压缩强度随应变率的提高而相应地增长;端勾型比平直钢纤维增强的UHPCC显示出更为优异的抗多次冲击压缩的性能,其破坏裂纹主要出现在试件的孔洞等薄弱区,破坏程度随冲击次数的增加而加剧,裂缝逐渐从边缘向中部扩展,最后导致试件贯通开裂.

超高性能水泥基复合材料抗爆炸试验及数值仿真分析

现代建筑和防护工程面临着爆炸荷载的冲击作用。利用TNT炸药对最新型的超高性能水泥基复合材料进行接触爆炸试验,试验结果表明超高性能水泥基复合材料具有优异的抗爆炸性能。利用LS-DYNA软件对爆炸试验进行模拟,模拟结果再现了爆炸冲击波在超高性能水泥基复合材料靶体内部衰减的规律,并得出了爆炸冲击波在靶体底面由压缩波转变为拉伸波的过程。

玄武岩纤维对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响规律研究

通过大掺量超细工业废渣及采用普通工艺成功制备了3类超高性能水泥基复合材料，分别测试了其7、28、90d的抗压强度和抗折强度，并对其进行了分析，讨论了玄武岩纤维对其力学性能的影响。结果表明：玄武岩纤维体积掺量为0．1％～0．5％且以层布方式]JnA时可以明显提高强凝土的抗折强度和抗压强度，表现出良好的增强效果。