高温处理对聚乙烯纤维-钢纤维高韧性水泥基复合材料抗折性能的影响

为了探究高韧性水泥基复合材料经高温处理后的力学性能,采用聚乙烯纤维与钢纤维混杂方式制备一种混杂纤维高韧性水泥基复合材料,通过三点抗折试验探讨所制得聚乙烯纤维-钢纤维高韧性水泥基复合材料经温度20、60、100、150、200、250℃处理后的抗折性能。结果表明:随着处理温度的升高,该复合材料的开裂应力、峰值应力和弯曲韧性均表现为先增大后减小的变化规律,处理温度为60、150℃时最大开裂应力为12.09 MPa,最大峰值应力为18.52 MPa;峰值应力受处理温度的影响较显著,当处理温度为200、250℃时,聚乙烯纤维熔化,复合材料的峰值应力相较于处理温度为150℃时的分别减小42.7%、57.9%;该复合材料的弯曲韧性在指定挠度为L/150、L/100(其中L为支座间跨度)阶段受处理温度影响较小,在指定挠度为L/50、L/25阶段,随着处理温度的升高而先增大后减小,聚乙烯纤维熔化导致复合材料在大挠度阶段的弯曲韧性明显减小。

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。

用纳米压痕技术表征超高韧性水泥基复合材料(ECC)的裂缝自愈合特性

为了探究ECC裂缝自愈合体系中不同物相的微观力学性能,应用纳米压痕技术对经历10个干湿循环环境后裂缝自愈合ECC体系中不同物相的荷载-位移、接触刚度-位移、弹性模量及硬度进行了研究。结果表明:当荷载相同时,压入深度大小顺序为:纤维>ITZ>SHP>基体>粉煤灰>砂子;接触刚度与压入深度近似呈线性关系;粉煤灰和砂子的弹性模量及硬度是体系中最高的,远远高于其他相,其次是基体,接下来是SHP、ITZ,最差的是纤维。

高温后超高韧性水泥基复合材料冲击破碎分形特征分析

采用了Ф80mm的分离式Hopkinson压杆对经历不同温度(常温、200℃、400℃、500℃、600℃、800℃)后的混杂纤维UHTCC材料进行了三组冲击气压下(0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa)的动态压缩试验,收集冲击破碎后的试块进行分形特征分析。利用X-CT和SEM扫描电子显微镜对高温后试样的内部结构进行观测,从微观上解释了碎片分形特征随温度变化的原因。结果表明:UHTCC的分形维数随着冲击气压的增大而增大,耗能能力随着分形维数的增加呈指数式上升。与传统混凝土材料不同,UHTCC的分形维数随着温度的升高而降低,800℃时其分形维数接近于混凝土。UHTCC中PVA和钢纤维的协同阻裂作用改变了裂纹的发展路径,造成断裂面粗糙度增加,这可能是分形维数高于混凝土的原因;随着温度的增大,纤维桥联作用的弱化、温度裂纹的出现以及水化产物的分解导致材料断裂面粗糙度降低,分形维数逐渐接近于混凝土。

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。

高韧性水泥基复合材料抗压强度正交试验研究

利用正交试验设计原理,对9组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了抗压试验,研究了粉煤灰掺量、水胶比、砂胶比和减水剂掺量这四种因素对高韧性水泥基复合材料抗压强度的影响,并定量分析了各个因素影响的显著性。试验结果表明:各因素对抗压强度影响的主次顺序为水胶比>粉煤灰掺量>减水剂掺量>砂胶比,其中水胶比对强度的影响远大于其他因素,而砂胶比的影响并不明显;抗压强度随水胶比的增大而减小,随砂胶比的增大而缓慢增加;当粉煤灰掺量或减水剂掺量增大时,抗压强度先增大后减小,粉煤灰和减水剂存在最佳掺量。

高韧性水泥基复合材料强度尺寸效应试验研究与正交分析

尺寸效应是水泥基材料的固有特性,它与材料的配合比、强度以及结构组成等因素有关。高韧性水泥基复合材料是一种新型复合材料,具有优异的韧性,但同时其结构组成与普通混凝土相比也具有较大差异。然而,目前针对尺寸效应的研究大多限于普通混凝土和高强混凝土,并且尚无相关标准对高韧性水泥基复合材料尺寸效应的处理作出规范。为了探究该种复合材料的抗压强度尺寸效应,本文采用两种不同尺寸的立方体试件,对16组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了单轴抗压试验和正交分析,研究了纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量和砂胶比这4个因素对材料强度尺寸效应的影响情况。试验结果表明:与普通混凝土相比,高韧性水泥基复合材料的脆性特征明显减小;诸因素对尺寸效应影响的主次顺序为水胶比>纤维掺量>粉煤灰掺量>砂胶比,其中水胶比和纤维掺量的影响均非常显著,而砂胶比对尺寸效应影响甚微。

粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

为了探究粉煤灰细度对超高韧性水泥基复合材料(ECC)性能的影响,设计对比三组由不同细度粉煤灰制作的ECC试件的抗拉及抗压试验性能,并进行了灰色关联度分析。结果表明:ECC的拉伸应变与粉煤灰细度之间不呈简单的线性关系;对于ECC的抗压强度,其主导因素并非是粉煤灰的细度,而是粉煤灰的活性。在特定条件下,通过改变粉煤灰的细度,可以在不影响基体强度的情况下改善ECC的延性。

不同环境对超高韧性水泥基复合材料裂缝自愈合的影响

通过对超高韧性水泥基复合材料(ECC)预加不同程度拉伸应变产生裂缝,测定自愈合过程中的共振频率(RF),探究了干湿循环(C1)、湿热循环(C2)、水(C3)及空气(C4)等不同环境对ECC裂缝自愈合的影响,为其应用于实际工程中提供了依据。结果表明:水对裂缝的自愈合起到了至关重要的作用;不同环境中RF的增长主要发生在3~7d内;10个自愈合循环后,由裂缝自愈合导致的RF的实际增长也高达近70%;不同环境中RF增长的顺序为:C3>C1>C2>C4;不同配比相比较,HFA-ECC的RF恢复值高于M45-ECC。ECC裂缝能发生明显的自愈合,具有较好的应用前景。

高韧性水泥基复合材料拉伸试验与正交分析

利用正交试验设计原理,对9组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了直接拉伸试验,研究了粉煤灰掺量、水胶比、砂胶比和减水剂掺量这4种因素对高韧性水泥基复合材料极限拉应变的影响。试验结果表明:高韧性水泥基复合材料的极限拉应变远大于普通混凝土,具有优异的韧性;各因素对材料极限拉应变影响的主次顺序为水胶比>粉煤灰掺量>减水剂掺量>砂胶比,其中水胶比的影响远大于其他因素;材料的极限拉应变随着水胶比或粉煤灰掺量的提高而增大,但砂胶比和减水剂掺量的影响规律不明显。

超高韧性水泥基复合材料(ECC)高峰论坛将在京举行

为了加强超高韧性水泥基混凝土复合材料（Polypropylene Engineered Cementitious Composites，简称ECC）科学研究的交流，促进我国ECC的发展，中国混凝土与水泥制品协会纤维混凝土工程材料分会将于2012年8月9日～10日在北京召开“中国纤维混凝土工程材料2012高峰论坛——ECC在中国”专题技术交流会。

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%。

花岗岩石粉-高韧性水泥基复合材料的制备与性能

研究了掺花岗岩石粉的高韧性水泥基复合材料的基本力学性能。采用废弃花岗岩石粉部分取代磨细砂,制备具有不同石粉质量取代率的水泥砂浆;并对其进行抗压、抗折试验分析,得到最优的石粉取代率约为25%;在此最优石粉取代率的基础上配制出掺花岗岩石粉的高韧性水泥基复合材料;并研究聚乙烯醇（PVA）纤维体积掺量（0～1.5%）及其长径比（158～316）对混凝土复合材料基本力学性能的影响。研究结果表明,试验中,当花岗岩石粉掺量一定时（25%）,纤维体积掺量1.5%且长径比237时电镜扫描显示纤维与基体界面结合最紧密,力学性能最佳,此时的极限拉应变高达3.03%,约为普通水泥基材料的300倍。

冲击荷载下高韧性水泥基复合材料动态力学特性与微结构演化研究

为提升水泥基材料静态力学性能、抗冲击特性及为减少温室气体排放而降低水泥用量,以硅粉为矿物掺合料(掺量为10%,质量比)、钢纤维为功能组分(掺量为2%,体积比),并匹配高效减水剂(掺量为1.5%~2.0%,质量比)制备高韧性水泥基复合材料,通过准静态抗压/抗折强度、分离式霍普金森压杆试验和采用水化微量热仪、热重分析仪,分别研究了高韧性水泥基复合材料准静态/动态力学特性及其微结构演变特征。结果表明:冲击荷载下(冲击速率为0.5 MPa/s)水泥基材料典型破坏过程分为三阶段,高韧性水泥基复合材料受作用后仅出现局部浆体剥落、飞散现象,而基准组体系均发生显著破坏直至整体破碎;硅粉在10%掺量下有效提升了水泥基复合材料体系早期和后期的准静态力学性能,1 d天龄期下抗压强度和抗折强度最高可达61.4 MPa、23.9 MPa,也显著提升了动态抗压强度至123.3 MPa(28 d天龄期)。微结构演变结果表明:硅粉和减水剂复合作用下浆体水化放热速率主峰提前,且主要水化产物——氢氧化钙含量减少,降低了浆体内部氢氧化钙分布的取向性,有助于改善浆体微结构。

高韧性水泥基复合材料研究进展

提高混凝土的韧性,可打破现代混凝土发展的瓶颈,因此高韧性水泥基复合材料成为当前的研究热点并取得了一定的成果。本文综述了国内外在该领域已有的研究成果,从聚合物改性、橡胶粉颗粒改性、纤维增韧、PVA纤维增韧4个方面介绍了高韧性水泥基复合材料的改性机理、研究进展与存在的问题,并指出了今后的研究方向,为深入研究高韧性水泥基复合材料提供参考。

CFRP筋高韧性水泥基复合材料柱抗震性能试验研究

为研究CFRP筋高韧性水泥基复合材料柱的抗震性能,设计制作了3根剪跨比为3的短柱和3根剪跨比为5的长柱,在3种轴压比下进行了低周反复荷载试验,研究了试件的破坏形态,并通过刚度退化、耗能性能以及综合性能指标等方面分析了其抗震性能。试验结果表明:试件在破坏过程中生成大量横向裂缝,没有出现高韧性水泥基复合材料崩裂和剥落的现象,与以往的普通钢筋混凝土柱相比,表现出更高的破坏容许度;对于剪跨比为3和5的CFRP筋高韧性水泥基复合材料柱,在试验轴压比为0.2～0.5的范围内,剪跨比越大或轴压比越大,其抗震性能越好。

绿色环保型高韧性水泥基复合材料配合比优化研究

采用正交试验设计方法,通过四点弯曲试验,研究水胶比、砂胶比、粉煤灰掺量/水泥用量、纤维体积掺量、水胶比与粉煤灰/水泥用量的交互作用和砂胶比与粉煤灰/水泥用量的交互作用对绿色环保型高韧性水泥基复合材料宏观力学性能的影响。研究结果表明,各因素对复合材料宏观力学性能的影响从大到小依次是:纤维体积掺量、砂胶比、粉煤灰掺量、水胶比。试验得到的最优配合比为:W/B=0.35,S/B=0.25,FA/C=2.5,V f=2.2%;工程实用配合比为:W/B=0.35,S/B=0.42,FA/C=2.5,V f=2.0%。在对试验结果分析的基础上,提出绿色环保型高韧性水泥基复合材料的基本设计原则。研究成果对绿色环保型高韧性水泥基复合材料的配合比优化设计具有重要指导意义。

碳化高韧性水泥基复合材料抗弯性能研究及灰色预测

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为一种具有良好力学性能及耐久性能的新型材料,其抗弯性能是评价其工作性能的重要指标,为研究UHTCC经碳化作用后的抗弯性能,调整钢纤维和PVA纤维掺量制成8组UHTCC梁式试件,对试件进行快速碳化试验和四点弯曲试验;建立GM(1,1)、DGM(1,1)、DNGM(1,1)这3种灰色预测模型,并对H-1.0-0.1组试件碳化后抗弯强度规律进行预测。研究结果表明:无纤维掺入的试验对照组碳化28 d后抗弯强度下降22.79%,而掺入纤维的UHTCC试件碳化28 d后抗弯强度增长20.89%~45.98%;碳化作用对UHTCC试件峰值应变影响程度较小;对比试验数据,DNGM(1,1)模型对H-1.0-0.1组试件碳化后抗弯强度预测的平均相对误差仅1.9709%,验证灰色预测模型具有合理性。