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。

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。

配筋PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料梁柱边节点抗震性能试验研究

改善工程材料韧性和耐久性,提高框架梁柱节点抵抗变形和破坏的能力,是提高框架结构抗震韧性的有效途径之一。采用PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料代替普通混凝土应用到梁柱边节点,考虑轴压比和加密区体积配箍率的影响,设计6个配筋PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料、1个配筋单掺PVA纤维增强水泥基复合材料和1个钢筋混凝土梁柱边节点试件进行拟静力试验,分析其破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、钢筋应变和梁端塑性铰区转角,探讨混杂纤维的加入对梁柱边节点抗震性能的影响。结果表明:与钢筋混凝土节点和单掺PVA纤维增强水泥基复合材料节点相比,PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料节点的承载力高、变形能力大、延性好、耗能能力强,抗震性能显著提升。当试验轴压比从0.12增加到0.24,梁端塑性铰区产生一定的外移,塑性性能发挥更充分,同时试件的变形能力、延性、耗能能力增加。在加密区体积配箍率减小的情况下,试件仍表现出良好的抗震性能。

RTP-PVA混杂纤维的工程水泥基复合材料干缩性能试验研究

为研究回收轮胎聚合物(recycled tyre polymer,RTP)和聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)混杂纤维对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)干缩性能的影响,对RTP-PVA混杂纤维总体积分数为2.0%的ECC进行流动性、直接拉伸和干缩试验,并分析混杂纤维作用机理和干缩计算模型.结果表明:RTP纤维替代率为12.5%~50%对ECC流动性影响不大,比单掺PVA纤维的ECC流动性降低1.09%~3.69%.ECC的抗拉强度随RTP纤维替代率的增加而降低,不同比例的混杂纤维比单掺PVA纤维的ECC抗拉强度降低了23.6%~56.6%.不同比例混杂纤维ECC干缩率曲线趋势相近,7 d时干缩率为28 d时的80.92%~82.77%.ECC的干缩率随RTP纤维替代率的增加而降低,28 d时不同RTP纤维替代率的混杂纤维比单掺PVA纤维的ECC干缩率降低了0.80%~2.09%.RTP-PVA混杂纤维可在ECC中协同发挥作用抑制基体干缩,结合试验结果得到适合RTP-PVA混杂纤维ECC的指数型干缩预测模型.

ECC-混凝土叠合梁弯曲试验及裂缝发展的分形表征

为明确ECC(工程纤维增强型水泥基复合材料)-混凝土叠合梁抗弯性能及影响参数,并定性表征裂缝发展情况,设计、制作11根不同材料强度等级、配筋率、ECC层厚度、PVA纤维体积掺量的ECC-混凝土叠合梁及3根不同混凝土强度等级的混凝土梁进行四点弯曲试验,研究承载力、延性及裂缝发展等情况,并基于分形理论及数字图像处理技术,采用分形维数对不同影响参数下的叠合梁裂缝发展规律进行表征。结果表明:ECC-混凝土叠合梁较相同材料强度和配筋率的混凝土梁极限承载力和抗裂性能明显更优;材料强度等级提高,模型梁承载力及延性均提高;适筋范围内,配筋率越小模型梁延性越好;ECC层厚度对模型梁的承载力及延性影响不大;PVA纤维体积掺量为2.0%时,裂缝整体分布更均衡。计算分形维数得到的叠合梁表面裂缝分布具有自相似性;加载过程中叠合梁的分形维数小于混凝土梁,与试验结果相符,梁表面裂缝分形维数在一定范围内随着材料强度等级、配筋率、ECC层厚度、PVA纤维体积掺量的增加而降低,分形理论结合数字图像技术求得的裂缝分形维数可作为叠合梁裂缝分布及受弯损伤程度的定性表征指标。

基于国产PVA纤维的ECC混凝土制备及性能研究

采用具有显著成本优势的国产聚乙烯醇(PVA)纤维制备了高延性水泥基复合材料(PVA-ECC),通过控制单因素变量的方法研究了PVA纤维掺量、粉煤灰掺量、水胶比、石英砂粒径对PVA-ECC的力学性能的影响,并在最优设计参数条件下对比分析了国产与日本PVA-ECC的性能差异,最终提出一种基于国产PVA纤维的ECC制备工艺。研究结果表明:采用国产PVA纤维,水泥∶粉煤灰∶砂∶纤维∶水∶减水剂=1∶2.2∶1.16∶0.066∶0.866∶0.0063,制备一种28 d抗压强度为42.7 MPa,抗折强度为15.1 MPa,极限拉应变为2.43%的国产PVA-ECC。与日本PVA纤维相比,采用国产PVA纤维制备ECC抗压和抗折强度分别为日本PVA纤维制备的ECC的98.4%和92.1%,国产PVA制备的ECC极限拉应变为日本的91.6%,两种ECC均能达到2.0%以上,且国产的在成本方面更具有优势。国产PVA纤维在ECC拉伸过程中更多是拔断而不是滑移拔出,而日本纤维多为滑移拔出。

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。

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。

GFRP约束ECC短柱偏压试验研究

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)约束工程纤维增强水泥基复合材料(Engineered Fiber Reinforced Cementitious Composites,ECC)轴压柱可显著提高其承载能力和延性,但偏压作用下FRP约束ECC柱的性能提升程度和作用机理有待研究。基于此,以偏心距(0、10、30、50 mm)和FRP层数(0、2、4层)为试验变量,对玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)约束ECC短柱展开了竖向加载试验,并对试验结果进行了分析。研究结果表明:小偏心破坏时受压侧FRP断裂、混凝土被压碎,大偏心破坏时受拉侧FRP撕裂与混凝土横向裂缝近乎同时出现。轴压作用下,轴向变形和抗压强度显著增大;偏压作用下,抗压承载力随着偏心距的增大而减小,而极限位移无明显变化规律。此外,承载力和延性都随着FRP层数的增加而增大。

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.

基于压电陶瓷的PVA-ECC混凝土柱裂缝损伤监测

目的基于压电陶瓷传感器对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)进行裂缝损伤识别研究,以指导实际工程.方法在实验室浇筑7个PVA-ECC混凝土柱,分别设置了不同深度的人工裂缝损伤,采用基于压电陶瓷的波动分析法对其进行损伤识别,计算监测信号的小波包能量、功率谱密度以及基于小波包变换的损伤指标.结果随着裂缝深度的增大,小波包能量和功率谱密度均随之减小,且小波包能量与裂缝深度之间存在线性关系,基于小波包变换的损伤指标对损伤程度敏感性较好.结论该监测方法能有效识别PVA-ECC混凝土柱人工模拟的裂缝损伤,研究结果可为PVA-ECC混凝土柱的健康监测提供参考.

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。

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.

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。

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。

PVA-ECC受压弹性模量及泊松比试验研究

通过对20组试件进行抗压试验,研究PVA-ECC材料的弹性模量及泊松比,拟合得到弹性模量与抗压强度之间的关系;并根据试验结果,对复合材料弹性模量计算模型进行了修正,得到适用于PVA-ECC材料的弹性模量计算模型。试验结果表明:PVA纤维可以改善基材的压缩韧性,提高其极限压应变,降低基材的弹性模量,且抗压强度与弹性模量均随纤维体积率的提高而降低;而纤维体积率的变化对PVA-ECC泊松比影响不明显,试验工况下所测泊松比在0.19～0.20范围内。研究结果可为PVA-ECC材料的深入研究与工程应用提供依据。

PVA-ECC抗折强度与氯离子渗透性能试验研究

通过抗折强度试验与非稳态氯离子快速迁移方法对11组PVA-ECC试件进行研究,分析粉煤灰掺量及纤维掺量对PVA纤维水泥基复合材料抗折强度与氯离子渗透性能的影响。结果表明:试块抗折强度随粉煤灰掺量的增加而降低,随纤维掺量的增加而提高。当粉煤灰掺量为45%~50%、纤维掺量在1.5%~1.75%之间时,材料氯离子扩散系数最小。