PVA-ECC材料抗压强度及收缩性的时变规律研究

PVA-ECC材料的长期力学性能对港口工程结构加固修复至关重要。通过PVA-ECC材料不同龄期试块的抗压强度试验和收缩性试验对其宏观力学特性的时变规律进行了研究。研究表明,2%PVA掺量的PVA-ECC材料的流动性差,其在港口水工结构加固工程中的适用性有待进一步研究。通过抗压强度试验可知,随着龄期的增加,1.5%PVA掺量和1.8%PVA掺量的试块抗压强度呈现抛物线上升的趋势,经180d养护后的试块抗压强度分别达到69.4 MPa和76.1 MPa,是C40混凝土试块强度的1.5倍和1.6倍,从抗压强度分析,两者均满足加固工程的强度要求。根据材料收缩性对比试验可知,随着龄期的增加,三种试块的收缩率在0~28 d期间变化剧烈,在28d后变化均趋于平缓,不同PVA掺量的试块收缩率均大于C40混凝土试块,而1.5%PVA掺量的试块与C40混凝土试块收缩率更接近。鉴于1.5%PVA掺量的PVA-ECC材料流动性更能适应沿海港工结构加固的现场施工,同时,其收缩率与混凝土收缩率接近,且抗压强度足够高,因此,在港口工程结构加固修复中,推荐采用1.5%PVA掺量的PVA-ECC材料。同时,基于试验数据拟合得到了适合不同配比、不同龄期PVA-ECC材料的立方体抗压强度计算公式,可用于PVA-ECC材料的强度预测。

木-混组合梁R-ECC连接板受弯性能有限元分析

为研究高延性橡胶粉水泥基复合材料(R-ECC)在木-混组合连续梁负弯矩区中的适用性,对木-混组合梁R-ECC连接板和混凝土(RC)连接板的受弯性能进行了有限元对比分析,设计了10组不同参数的R-ECC连接板,探究了连接板厚度、无粘结层区长度、配筋率及配筋方式等主要影响参数对木-混凝土组合连续梁负弯矩区R-ECC连接板受弯性能的影响,并与已有的试验结果进行对比分析。研究结果表明:同设计参数的R-ECC连接板的抗弯承载力有限元结果与试验结果较吻合,且优于RC连接板;连接板厚度和配筋率对木-混组合梁抗弯承载力影响较大,而无粘结区长度和配筋方式对其影响不大。

钢筋PVA-ECC柱复合受扭性能试验研究及损伤分析

为研究复合受力状态下钢筋PVA-ECC构件的受扭性能,进行了9根PVA-ECC柱和1根普通混凝土(RC)柱的单调加载试验,考虑不同轴压比、扭弯比、剪跨比、纵筋配筋率和箍筋间距等参数,研究其破坏特征、扭矩-扭率曲线特征,并进行了损伤演变分析。结果表明,PVA-ECC试件受力过程均经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段;PVA-ECC试件在受扭承载能力和扭转变形方面与RC试件相比有很大提升;降低轴压比、增大扭弯比和剪跨比可有效提高试件的扭转延性,减小箍筋间距和剪跨比、增大轴压比可有效延缓试件开裂;采用PVA-ECC材料能有效抑制试件的损伤发展;剪跨比、纵筋配筋率和箍筋间距对复合受扭作用下试件的损伤有较大影响;纵筋配筋率越大和剪跨比、箍筋间距越小,试件复合受扭的损伤程度越小。

BF-ECC力学性能及应变硬化机理研究

火灾、爆炸等突发事件时常威胁人们的生命和财产安全,研发一种抗爆炸、抗冲击的建筑材料成为较为热门的研究方向。通过多缝开裂的应力准则设计配合比,掺入玄武岩纤维使复合材料发生应变硬化;并研究了裂缝数量和宽度随纤维掺量的变化规律,得出复合材料的强度和延性同时随着玄武岩纤维掺量的增大而提高的结论。薄板拉伸试件多缝开裂的裂缝宽度保持在3μm。还利用纤维简化模型对裂缝间距进行计算,与实测裂缝间距误差在10%以内;给出了玄武岩纤维应变硬化水泥基复合材料的峰值强度计算式,并用于预测高强水泥基体改变玄武岩纤维掺量的峰值应力。

空心率对GFRP-ECC-钢管组合空心柱轴压及抗震性能影响

GFRP-ECC-钢管组合空心柱(EDSTC柱)是利用GFRP管和钢管组成模具,并在GFRP管和空心钢管之间直接浇筑ECC而成的一种新型组合柱结构.使用ABAQUS有限元软件研究了空心率对EDSTC柱轴压性能和抗震性能的影响.通过研究发现:空心率对EDSTC柱的轴压性能和抗震性能有着显著的影响;随着空心率的增加,EDSTC柱的刚性、承载能力、耗能能力和抗震性能均逐渐降低,延性则逐渐增加;EDSTC柱的破坏最先出现在柱体的中部,因此在设计中应注意对EDSTC柱进行中部加固,并选择适当的空心率,以提高EDSTC柱的轴压性能和抗震性能.研究结果有助于进一步优化EDSTC柱的设计和应用,提高其在工程领域的实用性和可靠性.

PVA-ECC复合无接缝水泥混凝土路面施工技术研究

为进一步研究并解决传统水泥混凝土路面切缝造成的耐久性和行车舒适性问题,考虑到PVA-ECC材料的优良性能,文章依托河北省某重点高速公路项目,将该新材料应用到服务区水泥混凝土路面施工中。运用ABAQUS软件建立了PVA-ECC罩面型与补丁型两种复合无接缝水泥混凝土路面结构分析模型,进行了温度-荷载耦合作用下的敏感性分析,分析了土基模量、PVA-ECC模量、PVA-ECC厚度、水泥板模量、水泥板厚度等动力响应规律。研究发现,罩面型路面结构的最大耦合弯拉应力受罩面层厚度与PVA-ECC模量的影响较大,补丁型路面结构的最大弯拉应力受模量的影响较大。通过试验段现场实测与理论模拟情况比对分析,验证了ECC混凝土的抗压性能可以满足传统抗压使用要求,同时实际测试和理论模拟得到的拉应变数值都远小于资料显示的PVA纤维混凝土0.5%极限拉应变,最终得出PVA-ECC复合无接缝水泥混凝土路面ECC结构层最佳层厚为7 cm,满足使用要求且能达到消除混凝土接缝的效果,该研究成果可为PVA-ECC材料的推广应用提供参考。

基于ABAQUS的PVA-ECC墩柱抗震性能有限元分析

为研究聚乙烯醇纤维—水泥基复合材料(PVA-ECC)墩柱的抗震性能,以有限元分析软件ABAQUS为主要研究手段,结合已有的2个试件的实测数据,并以箍筋间距、箍筋直径、纵筋直径为变化参数进行了13个试件的拓展分析,探讨了各影响参数对PVA-ECC墩柱柱抗震性能的影响。研究结果表明:所建立的ABAQUS有限元模型在破坏形态和滞回曲线曲线上具有较高吻合度;箍筋直径和间距对抗剪承载力的影响在5%以内,增大纵筋直径能有效提高试件的抗震性能。

剑麻纤维-ECC的抗渗性能影响因素研究

通过单因素试验研究了剑麻纤维掺量(0、0.5%、1.0%、1.5%)、粉煤灰掺量(30%、40%、50%、60%)、水胶比(0.25、0.30、0.35、040)和砂胶比(0.3、0.4、0.5、0.6)对ECC抗渗性能的影响。结果表明:随着剑麻纤维掺量、水胶比和砂胶比的增加,试件的抗渗性能先提高后降低;随着粉煤灰掺量的增加,试件的抗渗性能下降;最佳的剑麻纤维掺量、粉煤灰掺量、水胶比和砂胶比分别为0.5%、30%、0.30和0.4。

钢-ECC组合梁负弯矩区受弯性能试验研究

纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)具有高延展性以及受拉刚化特点,应用于组合梁桥的负弯矩区时可有效减少桥面板的受拉开裂。完成了2根钢-ECC组合梁和1根钢-混凝土组合梁对比构件在负弯矩作用下的静力加载试验,通过试验研究了不同配筋率的ECC对结构受力性能特别是抗裂性的影响。试验研究表明:在负弯矩作用下,钢-ECC组合梁的刚度较钢-混凝土组合梁明显提高;由于ECC翼板的抗拉作用导致截面中和轴上升,钢梁受压区增大,构件延性有所降低;钢-ECC组合梁可有效提高结构的开裂荷载并减小裂缝宽度,提高配筋率有利于进一步减少ECC翼板的裂缝宽度。提出了钢-ECC组合梁的承载力与开裂荷载的计算方法,提供了挠度分析的方法和裂缝宽度的基本模型。

FRP筋-ECC梁受弯性能

为探究纤维增强复合材料筋增强高延性纤维增强水泥基复合材料梁(FRP筋-ECC梁)的受弯性能,对其正截面受弯全过程进行了理论分析和数值计算。首先,基于平截面假定和材料本构模型,获得FRP筋增强ECC梁受弯全过程截面应力分布,推导各受力阶段正截面受弯承载力计算公式;采用MATLAB进行数值计算,对FRP筋-ECC梁受弯全过程进行分析;将计算获得的荷载-挠度曲线与已有试验曲线对比,验证模型的正确性。然后,基于所提出的理论模型进行参数分析,分析ECC抗压强度及FRP筋配筋率对梁受弯性能的影响。最后,基于所提出的FRP筋-ECC梁延性系数计算公式,分析FRP筋配筋率及ECC抗压强度对梁延性性能的影响,并指出FRP筋-ECC梁的延性变化与梁的破坏模式有很大相关性。结果表明:ECC抗压强度和FPR筋配筋率的变化均可改变梁的破坏模式,但FRP筋配筋率的影响更大;ECC抗压强度对梁的初裂荷载、极限承载能力有较大影响;配筋率可明显提高梁的短期刚度和极限承载力,但对梁的初裂荷载影响较小。

高轴压比下PVA-ECC柱抗震性能试验研究

设计了3根PVA-ECC柱进行低周反复加载试验,分析了高轴压比下配箍率变化对柱抗震性能的影响,并与普通钢筋混凝土柱进行对比,分析其在滞回性能、延性、耗能性能及刚度退化上的差异.结果表明:3根PVA-ECC柱在低周反复荷载作用下均发生弯曲破坏,没有出现普通钢筋混凝土柱的劈裂、剥落与黏结破坏;随着箍筋间距的减小,抗震延性得到改善,箍筋间距70mm和50mm的柱与间距90mm的柱相比,位移延性、极限弹塑性位移角、等效黏滞阻尼系数分别增加了15.6%~16.3%,17.1%~20.6%和15.6%~17.8%;最后给出了满足一定位移延性和极限弹塑性位移角的抗震设计要求的最小配箍率的建议值.

PVA-ECC与既有混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验

采用相对渗透系数法和劈裂抗拉法,开展了聚乙烯醇纤维增强混凝土(PVA-ECC)与既有普通混凝土黏结面抗渗及劈裂抗拉试验,分析界面处理方式、界面剂种类和养护时间对黏结面抗渗性能及劈裂极限力的影响.结果表明:随着界面粗糙度的增加,黏结面渗透系数减小,劈裂极限力增大,抗渗性能和黏结性能得以提高;不同界面剂中,采用膨胀水泥浆处理的黏结面抗渗性能最好,而采用环氧树脂界面剂处理的黏结面劈裂极限力最大;养护时间从14d增加到28d时,刷毛平界面膨胀水泥浆(S-P)复合试件的渗透系数下降了75.2%,劈裂极限力增大35.0%;PVA-ECC与既有普通混凝土黏结面的渗透系数与渗水后的劈裂极限力呈线性关系,且前者随后者的增大而减小.

高钙粉煤灰PVA-ECC拉伸性能试验研究

目前配制PVA-ECC(Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composite)采用的粉煤灰主要是低钙粉煤灰,为进一步提高高钙粉煤灰的利用效率,采用当地I级高钙粉煤灰配制出拉伸应变稳定达到3%的PVA-ECC,为实际工程应用提供更多的材料选择。从配合比设计开始,研究了粉煤灰掺量、水胶比以及试件形式对PVA-ECC直接拉伸性能以及裂缝模式的影响。结果表明:随着粉煤灰掺量的增加,新拌PVA-ECC的流动性增大,立方体试块的抗压强度越小,拉伸开裂强度、极限抗拉强度降低,拉伸应变增大,试件断裂面不平,纤维拔出长度增长;随着水胶比的增大,拉伸开裂强度、极限抗拉强度降低,裂缝模式由横向等宽度变为轴线处细密边缘处较宽;哑铃型试件标距范围内的最大等应力区更有利于应变硬化的实现。

PVA-ECC抗剪加固带悬臂RC梁承载力计算研究

对采用聚乙烯醇纤维水泥砂浆(PVA-ECC)钢筋网抗剪加固带悬臂的钢筋混凝土梁的承载力设计计算公式进行研究。通过对不同剪跨比下的对比梁及加固试验梁的斜裂缝开展、应变、挠度和破坏形态的变化对比分析发现,利用这种材料对RC梁进行加固,梁的斜截面受剪承载力有显著的提高,剪切刚度得到了一定的提高,而且能很好地抑制斜裂缝的开展。在实验研究的基础上,给出聚乙烯醇纤维水泥砂浆钢筋网抗剪加固的带悬臂的钢筋混凝土静定梁的承载力设计计算公式,公式计算值与试验结果吻合良好。

共轭双滑移取向铜单晶疲劳位错结构的SEM-ECC观察

利用扫描电镜电子通道衬度(SEM-ECC)技术观察和分析了[■ 2 3]和[■ 1 2]共轭双滑移取向铜单晶体的循环饱和位错结构.结果表明,驻留滑移带(PSBs)的位错结构随晶体取向的不同可呈现出不同的形态,如:[■ 1 2]晶体中的楼梯结构和[■ 2 3]晶体中的沿主滑移面排列的不规则或较规则胞结构.同时还观察到[■ 2 3]晶体中形变带的位错结构由一些不规则的墙和胞结构组成.对于晶体取向位于标准取向三角形[0 0 1]-[■ 1 1]边上的铜单晶体,其疲劳位错结构随晶体取向的不同发生有规律的变化,即:当晶体取向从[■ 1 2]分别向[■ 1 1]和[0 0 1]移动时,位错结构由PSB楼梯结构逐步变化到胞结构和迷宫结构.

粉煤灰掺量对PVA-ECC性能的影响

采用粉煤灰替代部分水泥(40%、50%、60%和70%(质量分数))进行聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)的力学性能、韧性、抗渗性能研究;建立了PVA-ECC抗压强度与其极限拉伸强度、弯曲荷载、弯曲韧性指数、挠度及抗渗性能之间的相关性;同时还进行了PVA-ECC渗水高度的统计数据概率分布分析。结果表明,随粉煤灰含量增加,强度逐渐下降,极限拉伸应变逐渐增大,韧性指数、能量吸收能力及跨中挠度逐渐增大,各组别抗渗性能相对于粉煤灰40%含量组别均有所提升。建立抗压强度与其余指标之间相关性,得到一套完整的强度、韧性、抗渗性的相关性理论体系。对PVA-ECC的渗水高度的频率分布直方图采用正态分布进行统计分析,得到渗水高度概率分布,同时计算出平均渗水高度95%置信区间。

PVA-ECC材料在桥梁伸缩缝工程中的应用

为提高桥梁伸缩缝的使用寿命,解决伸缩缝破损快速修复的问题,提出了一种高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)。室内试验结果表明,PVA-ECC具有良好的抗弯性能、抗拉性能、抗渗性能、抗冻性能,对伸缩缝常见病害有良好的预防及修复效果且施工简便,养护时间短。

基于微观力学和断裂力学试验方法的MMFM-ECC配合比设计

高性能工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简写为ECC)相对于普通混凝土材料具有较高的极限拉伸应变能力.相对于目前广泛采用的粗放式配合比列表法、绝对体积法、正交试验法的ECC配合比设计方法,采用基于微观力学和断裂力学模型(Micro-Mechanics and Fracture Mechanics,简写为MMFM)的ECC配合比设计方法在水泥基质和纤维参数的选择上具有更好的理论依据和科学性.研究采用我国云南昆明地方材料资源和工业废料通过MMFM-ECC配合比设计方法进行配合比设计,并通过轴向压缩试验、双面剪切和四点弯曲试验结果检测实际ECC的各项性能指标.通过比较ECC设计目标性能指标和试验测得的实际性能指标分析讨论了MMFM-ECC配合比设计方法对试验仪器、试验过程、试验样本数的具体要求.

矿物掺合料对PVA-ECC性能的影响

研究了单掺粉煤灰和复掺粉煤灰与硅灰代替部分水泥对PVA-ECC试件力学性能、裂缝宽度及抗渗性能的影响。结果表明,单掺粉煤灰会导致PVA-ECC试件强度下降,但可显著增加其韧性。复掺粉煤灰与硅灰时,PVA-ECC试件表现出优异的应变硬化特性以及多缝开裂现象,力学性能得到提升,基体均匀性增加,抗渗性能得到改善,最大提升了约33%。试验得到了具有良好性能的粉煤灰-硅灰-水泥三元体系PVA-ECC试件,其极限拉伸应变达到2.07%,抗压强度达到42.6 MPa,裂缝宽度较小且分布均匀,渗透系数仅为2.136×10^-11 m/s,抗渗性能较优。

基于压电主动传感技术的高温后PVA-ECC梁冲击损伤监测研究

研究了低速冲击荷载作用下具有高温损伤的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)梁的损伤特征,对比分析不同温度损伤与室温下的PVA-ECC梁,在同一跌落高度和落锤质量上进行了一系列的落锤低速冲击试验,模拟冲击能量对梁的影响结果。采用压电陶瓷智能骨料传感器的主动监测方法和扫频波信号,监测落锤低速冲击作用下PVA-ECC梁的裂纹产生、发展、断裂全过程与波衰减的规律。基于小波包能量法分析重复冲击试验下的PVA-ECC梁裂缝发展演化。建立了PVA-ECC梁三维有限元模型,通过有限元分析得出300℃高温加热后的PVA-ECC梁低速冲击裂纹开展全过程,并与实测结果进行对比。结果表明:高温损伤造成PVA-ECC梁的抗冲击性能减弱;室温下的PVA-ECC梁有一定抗冲击能力,但当温度达到PVA纤维的熔点(230℃)时,PVA-ECC梁中的PVA纤维消失,产生孔隙,形成素水泥砂浆梁,不具有抗冲击能力;高温损伤造成PVA-ECC丧失了高强度、韧性、耐疲劳的能力特性。