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。

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。

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。

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。

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。

机制砂高延性工程水泥基复合材料(ECC)的性能研究

采用双因素方差分析法,研究了水胶比(0.30、0.35、0.40)和砂胶比(0.35、0.45、0.55)对工程水泥基复合材料(ECC)抗压和抗折强度的影响,优选出了最佳水胶比和砂胶比。在此基础上,研究了PVA纤维体积掺量(1.0%、1.5%、2.0%)和机制砂掺量(0、50%、100%)对ECC弯曲韧性的影响,并采用非线性回归法建立了预测模型。结果表明:ECC的最佳水胶比和砂胶比分别为0.30和0.55;掺入适量机制砂能在一定程度上提高ECC的峰值挠度,改善ECC的弯曲韧性;当PVA纤维体积掺量为2.0%、机制砂掺量为50%时,ECC的各项弯曲韧性指标相对最优;建立的机制砂高延性ECC峰值抗弯强度和峰值挠度预测模型的拟合精度较高,具有一定的适用性。

一种高韧性水泥基复合材料单轴抗压应力-应变本构模型

为研究纤维材料对高韧性水泥基复合材料抗压性能及应力-应变本构关系的影响,设计制作四组标准立方体试件,并对其进行抗压试验,观察试件受力的全过程和破坏形态。结果表明,高韧性水泥基复合材料抗压性能较普通混凝土均有一定程度的下降;在受压过程中,高韧性水泥基复合材料剥落量较少,破坏后仍能保持一个整体;钢纤维高韧性水泥基复合材料试件抗压强度较高。用已有本构模型对系数进行修正,提出高韧性水泥基复合材料应力-应变曲线修正模型,修正模型计算结果与试验结果吻合良好,能够较好预测高韧性水泥基复合材料抗压趋势。

超高韧性水泥基复合材料增强普通混凝土复合梁弯曲性能的理论分析

假定不考虑普通混凝土起裂后粘聚软化对承载力的贡献,理论研究了超高韧性水泥基复合材料UHTCC增强普通混凝土复合梁的弯曲性能。使用三组UHTCC/混凝土复合梁四点弯曲试验数据验证了理论公式,并对UHTCC增强层厚度、混凝土抗压强度以及UHTCC的拉应力应变控制参数对复合梁弯曲承载力和最小UHTCC层厚度的影响进行了分析。结果表明,最小UHTCC层厚度与梁高的比值不随梁高的增加而变化,在复合梁几何尺寸及UHTCC性能保持不变的情况下,随着混凝土抗压强度的增加,UHTCC层的最小厚度增加,且发生受压破坏的复合梁的极限承载力亦增加;在复合梁几何尺寸及混凝土强度相同条件下,UHTCC材料开裂后的刚度和强度对UHTCC层最小厚度影响比较显著,应变能力对承载力-梁底拉应变曲线没有影响,复合梁的承载力随着开裂强度和极限强度的增加而增大。

PVA纤维对超高韧性纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响

通过对超高韧性纤维增强水泥基复合材料制作的立方体试件、棱柱体试件,进行了抗压、抗折和I型断裂试验,研究了不同配合比下各组试块的抗压强度等力学指标与纤维掺量及基体材料强度的关系,研究了荷载与变形的关系、及不同切口高度试件的抗裂性能等。试验结果表明:合理的配合比及最佳PVA掺量能提高纤维增强水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度以及抗裂韧度;研究了国产PVA纤维与进口PVA纤维的合理掺量,在相同力学指标的前提下,利用国内PVA纤维造价低的优势,可实现部分代替超高性能水泥基复合材料中的进口PVA纤维,从而达到这种复合材料国产化、本地化的目的。

采用超高韧性水泥基复合材料提高钢筋混凝土梁弯曲抗裂性能研究(II):试验研究

基于微观力学建立的第一起裂应力准则和裂缝稳态开裂准则研发的超高韧性水泥基复合材料（英文缩写为UHTCC）在较小纤维掺量下（通常2％体积）拉应力应变曲线表现出明显的伪应变硬化特征，极限拉伸应变可高达3％～5％，极限荷载时平均裂缝宽度仅为60-80μm，实现了宏观有害裂缝向微细无害裂缝的转变，是一种具有高耐久性的新材料。使用UHTCC材料替换钢筋混凝土梁受拉区的部分混凝土，进行三组不同配筋率的UHTCC材料增强钢筋混凝土复合梁的弯曲试验，观察加载开始至破坏整个过程中承载力、变形、与钢筋变形的协调性以及裂缝开展情况的变化，并与普通钢筋混凝土梁做了对比。结果表明，同一配筋率下，在钢筋混凝土梁受拉区使用UHTCC替换部分混凝土较普通钢筋混凝土梁不仅承载力有所提高，而且能够有效地控制裂缝宽度，正常使用阶段裂缝宽度不超过0．1mm，极大提高了结构的耐久性。使用根据梁理论推导的受弯加载各阶段内力变形的解析公式计算了试验粱的弯矩-曲率以及荷载-变形曲线，与试验结果吻合很好。

超高韧性水泥基复合材料单轴受压应力-应变全曲线试验测定与分析

对13组共273个试件进行抗压试验,研究超高韧性水泥基复合材料的抗压性能,测得材料的抗压强度、弹性模量、泊松比以及棱柱体单轴抗压应力-应变全曲线,并与相应基体的抗压性能进行对比分析。根据试验结果得出不同尺寸立方体抗压强度的关系、立方体抗压强度与棱柱体抗压强度的关系、弹性模量和抗压强度的关系。根据实测棱柱体抗压应力-应变全曲线,针对构件的正截面承载力计算和结构的非线性分析,分别提出相应的计算模型。研究成果可为超高韧性水泥基复合材料在实际工程中的应用提供材性依据和理论模型。

超高韧性水泥基复合材料抗冻耐久性能试验研究

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)具有拉伸应变硬化特性,并伴随多条细密裂缝特征,具有良好的裂缝控制功效,但作为一种新型建筑材料,其在冻融循环条件下的性能是否发生显著改变也是我们关心的一个问题。通过对比试验系统地研究UHTCC与同强度等级的普通混凝土、引气混凝土和钢纤维混凝土在相同冻融循环条件下的性能变化,包括动弹性模量损失、质量损失、弯曲抗拉强度、弯曲韧性、裂缝状态以及UHTCC薄板冻融后的弯曲抗拉强度。结果表明,经过300次冻融循环,UHTCC仍然能较好的保持其原有的应变硬化特征以及拉应力状态下的多条细密裂缝特征,能够完全满足寒冷地区工程的需要。

超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用

系统介绍超高韧性水泥基复合材料名称由来、分类、基本性能、材料设计方法及其在实际工程中的应用情况。在基本性能部分,详细地介绍超高韧性水泥基复合材料高于混凝土的受压变形能力、在直接拉伸荷载作用下表现出显著的准应变硬化特征和产生多条细密裂缝的能力、在弯曲荷载作用下表现出的超高韧性和产生多条细密裂缝的能力、在剪切荷载作用下表现出具有明显延性特征的破坏模式、与钢筋的变形协调性能,简要介绍UHTCC对缺口的不敏感性、显著的韧性断裂特征,以及约束收缩特性。在材料设计方法部分,详细介绍准应变硬化模型、准应变硬化性能参数,以及材料中纤维、基体和界面各组分的选择。在实际工程应用部分,介绍材料在提高结构耐久性、进行耐久性修补和在新型结构方面的应用,及其在新建、扩建工程中的使用情况。最后简要分析超高韧性水泥基复合材料在工程中的应用前景,并结合国内外的研究现状提出进一步研究的方向。

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。

超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。本文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和抗裂性能。试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性和高能量吸收能力。极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm左右。拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,平均裂缝间距1mm左右。其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。4种试验的结果证明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。

超高韧性水泥基复合材料自愈合研究进展

在总结了最近几年国内外相关研究进展的基础上,对超高韧性水泥基复合材料(ECC)及裂缝自愈合进行了综述。着重介绍了裂缝自愈合的最大允许宽度限值以及自愈合机制。提出利用ECC所独具的对裂缝宽度的可控性及紧密细小的微裂纹、较低的水胶比及矿物掺合料的二次水化效应可实现其良好的自愈合特性。最后指出该研究领域所面临的挑战及今后的研究方向,为ECC裂缝自愈合的研究提供有价值的理论参考。

超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。

超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评价方法

本文利用薄板试件和梁试件,采用三分点加载,对超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的受弯性能进行了试验研究,并在试验结果的基础上探讨了适于UHTCC弯曲韧性的评价方法。薄板四点弯曲试验表明,UHTCC材料具有可与金属相比拟的弯曲变形能力。四点弯曲梁试验表明,UHTCC材料具有优异的裂缝无害化分散能力,在荷载达到峰值裂缝开始局部化扩展之前,裂缝在整个梁深几乎始终以扁平形式存在和扩展,宽度始终保持在几十个微米量级,不同梁深位置的变形协调通过裂缝条数的变化实现。梁试验表明,UHTCC具有非常高的耗能能力,到达峰值荷载时消耗的能量是对应钢纤维消耗能量的13倍,该材料试件在跨中挠度达到l/60时仍能够保持良好的完整性,是用于结构抗震的理想材料。在弯曲韧性的评价方法分析中发现,ASTMC1018方法中的韧性指数用于评价UHTCC可能会引起一定的误导,将限定计算挠度扩展后的JSCE-SF4方法能够很好地描述该材料的耗能能力,而本文定义的"变形硬化系数法"通过给出不同变形情况下的抗弯强度,不仅能够有效评价UHTCC的韧性特征,也能够很好地满足当前结构设计的需求,总之,经过改进后的JSCE-SF4方法结合"变形硬化系数法"能够从能量和强度两个方面全面地评价UHTCC的弯曲韧性。

超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究

对已有应变硬化水泥基复合材料薄板型试件的直接拉伸试验方法进行改进,并利用改进后的测试方法研究超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的受拉性能,通过试验系统地给出利用国产基体原材料配制的超高韧性水泥基复合材料的直接拉伸特性,具体包括直接拉伸应力-应变曲线和极限裂缝宽度等特征指标。试验结果表明,所研制的超高韧性水泥基复合材料的极限拉应变可以稳定地达到3%以上,并具有良好的裂缝宽度控制能力,在荷载达到峰值的情况下对应的裂缝宽度可以有效地控制在100μm以内,有些甚至在50μm以内,可称为"无缝混凝土"。还利用该方法对具有不同初始缝高比的双边对称开口薄板试件进行系统地研究,试验表明超高韧性水泥基复合材料对缺口不敏感,即使在初始缝高比达到0.5的情况下,超高韧性水泥基复合材料仍具有显著的应变硬化性能及良好的裂缝无害化分散能力。超高韧性水泥基复合材料这些优异的性能将使其在结构防裂、防水、抗震、耐久性修补与防护等方面发挥显著作用。

采用超高韧性水泥基复合材料提高钢筋混凝土梁弯曲抗裂性能研究(I):基本理论

随机分布短纤维增强的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是近年来基于微观力学发展的一种高性能水泥基材料。通过纤维的桥联与应力传递作用,拉应力应变曲线体现了伪应变硬化特征,实现了多重微细裂纹的稳态开裂,具有非常显著的非线性变形、优良的韧性和高的裂缝抵制能力,使传统水泥基材料的脆性破坏模式转变为韧性破坏模式。为了控制裂缝的宽度,提高恶劣环境下钢筋混凝土结构的耐久性,获得高的UHTCC性能/成本比,使用UHTCC替代钢筋混凝土梁受拉区的部分混凝土,分析UHTCC增强RC适筋梁的受弯性能,推导计算整个受力过程不同阶段梁的承载能力、M-φ关系以及衡量梁延性指数的解析计算公式。最后通过与试验结果的比较,验证公式的合理性。