车辆荷载作用下微开裂LEM-SHCC路桥连接板受力性能研究

为掌握微开裂LEM-SHCC路桥连接板在车辆荷载作用下的受力性能,首先进行混合两种PVA纤维长度(8mm和12mm)LEM-SHCC材料的基本材性(弹性模量、抗压强度及抗拉性能)试验,分析PVA纤维长度对LEM-SHCC材料性能的影响,其次制备混合两种PVA纤维长度的LEMSHCC路桥连接板,研究其在系统温度荷载作用下的吸纳变形能力、裂缝分布规律以及受力特点,随后在微开裂的LEM-SHCC路桥连接板最不利位置模拟车辆荷载作用,研究车辆荷载作用下微开裂LEM-SHCC路桥连接板变形特性,最后进行LEM-SHCC路桥连接板的敏感参数(包括PVA纤维长度、板厚、基层顶面当量回弹模量等)有限元对比分析。研究结果表明:采用混合两种PVA纤维长度LEM-SHCC材料较使用单一纤维LEM-SHCC材料的抗压强度和弹性模量分别提高32%和36%,抗拉初裂应力和极限抗拉强度分别提高51%和8.8%;低周反复拉/压混合两种PVA纤维长度的LEM-SHCC路桥连接板,板面裂缝靠近张拉端多而密,靠近锚固端少而间距大,卸载后表面裂缝可自行闭合,且LEM-SHCC板张拉端和锚固端的内力随着张拉次数的增加而减小;微开裂LEM-SHCC路桥连接板随着车辆荷载增加竖向变形增大,回弹弯沉为0.235mm,小于计算弯沉0.345mm,满足路桥连接板的强度要求;当LEM-SHCC材料的PVA纤维长度为10mm,LEM-SHCC板的设计厚度为150mm,基层顶面当量回弹模量为800MPa时,LEM-SHCC板的最大伸长量、最大应力、拉伸损伤等各项性能最优,该研究成果为LEM-SHCC路桥连接板的设计提供参考。

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。

低成本、低碳SHCC的制备及力学性能研究

为了解决传统应变硬化水泥基复合材料(以下简称SHCC)高成本和高水泥用量的问题,用国产PVA纤维和河砂分别全部取代传统SHCC中广泛使用的进口PVA纤维、超细石英砂,并用粉煤灰等质量部分取代50.0%、62.5%、75.0%的水泥,制备了低成本、低碳SHCC,研究了粉煤灰掺量和砂胶比对SHCC力学性能的影响,并用SEM观察了其微观形貌。结果表明:用国产PVA纤维和河砂可以制备出低成本、低碳SHCC;随着粉煤灰掺量的增加,试件的抗压、抗折和拉伸强度降低,但延性提升;随着砂胶比的增加,试件的抗压、抗折强度降低,拉伸强度提高,延性降低。

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)弯曲韧性研究

砂浆、混凝土等水泥基复合材料易于开裂、耐久性低劣的主要原因是其抗拉强度低、韧性差。高模量聚乙烯醇(PVA)纤维的添加可以增强水泥基材料的韧性,使其呈现准应变硬化和多微缝开裂特性,从而显著改善结构的耐久性。通过四点弯曲试验研究了PVA纤维体积掺量分别为0、0.75%、1.5%的抗折强度,按照ASTM方法确定了SHCC的弯曲韧度指数,通过JCI方法得到了SHCC的弯曲韧性系数。结果表明,最大抗弯承载力和最大挠度均随纤维掺量的增加而增加,结果可由纤维增强材料的应变硬化特性来解释。同时,与数值模拟结果的比较也证实了上述结论。

PVA-SHCC力学性能研究综述

PVA-SHCC作为一种新型建筑材料,以其优异的准应变硬化特性及多缝无害化开裂能力得到学者们的广泛关注和工程建设领域的逐步应用。PVA-SHCC的力学性能是当前研究的一个热点,也是将其广泛应用于建筑领域的根基。系统的分析了国内外对PVA-SHCC四大基本力学性能的研究进展,并在此基础上为SHCC力学性能进一步研究方向提出了建议。

废旧橡胶颗粒对SHCC力学及抗冲击性能的影响

研究了橡胶颗粒等质量替代0、10%、20%、30%、40%的石英砂对应变硬化水泥基复合材料(SHCC)力学及抗冲击性能的影响。结果表明:随着橡胶颗粒掺量的增加,试件的抗压和抗拉强度降低,但延性增加;随着环境温度的降低,同类试件的最大冲击荷载增大,最大位移减小;与未掺橡胶颗粒的SHCC相比,橡胶改性SHCC具有更高的耗能能力,尤其是在低温(-50℃)环境下,说明橡胶改性SHCC更适合应用于寒冷地区;适当增加橡胶颗粒的掺量有利于进一步提高SHCC在低温环境下的抗冲击性能;在亚高温(150℃)环境下,随着橡胶颗粒掺量的增加,橡胶改性SHCC的耗能能力基本略有下降,且随着冲击高度的增加,下降幅度基本呈减小趋势,但基本高于未掺橡胶颗粒的试件。

应变硬化水泥基复合材料-SHCC韧性性能试验研究(英文)

水泥基材料抗拉强度低、韧性差是其易开裂的主要原因之一。高模量PVA纤维可增强基材韧性,使其呈现准应变硬化和多缝开裂特征,改善结构耐久性。通过四点弯曲试验得出了不同加载速率和配比SHCC的力-变形曲线并用CON-SOFT软件计算断裂能。结果表明,硅灰使材料抗压强度有所提高,但最大抗弯承载力和变形下降,断裂能降低。甲基纤维素使SHCC脆性增大。加载速率降低,材料表现出更好的应变硬化性能,微裂缝条数增多。SHCC砂子最大粒径高于ECC,虽达不到后者的最大拉应变,但可降低成本并满足工程需要。韧性性能研究给出了基于耐久性能优化设计和评定SHCC的实用方法。

砂的颗粒级配对SHCC抗拉性能的影响

本文研究了颗粒级配不同的同批次砂对应变硬化水泥基复合材料(SHCC)抗拉性能的影响。在前期试验基础上,通过流动扩展度试验得到了具有最佳流动性的SHCC;通过对哑铃型试件进行单轴拉伸试验,获得采用不同颗粒级配砂配制的SHCC的应力-应变曲线。结果表明,采用最大粒径为0.3mm的级配砂比最大粒径为0.6mm和1.18mm级配砂所配制出的SHCC能够更好地实现应变硬化和多点开裂,且极限拉应变可达5.8%左右。本文所得结论可为SHCC的科研和工程应用提供理论依据。

不同龄期下SHCC拉伸性能试验测定与分析

直接拉伸试验是最能反映SHCC材料应变硬化与多微开裂特性的可行性试验,也是获得材料单轴拉伸应力-应变曲线的唯一可行方法。本文拟通过对不同龄期下每组三个试件进行直接拉伸试验,获得SHCC应力-应变全曲线,并在试验过程中观察不同龄期试件的裂缝发展情况。研究结果表明:任何龄期下的试件均表现出明显的应变硬化特性,且其极限拉应变均能达到甚至超过3%;不同龄期下试件的裂缝间距不同,即开裂特性有所差别;随着龄期的增加,试件强度提高而韧性有所下降。本文所得结果可为该材料在实际工程中的推广应用提供理论指导。

龄期和砂子对SHCC单轴拉伸性能的影响

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)优越的抗拉性能和超强韧性显著改变了传统水泥基材料的脆性特征,在工程上有很好的应用前景。通过试验研究了龄期和砂子类型对SHCC单轴拉伸性能的影响。结果表明,SHCC试件的初裂强度随龄期的延长逐渐增大,由3d的2.23MPa增大到28d的4.71MPa;而其韧性随龄期延长逐渐减小,极限拉伸应变由3d的3.24%降低为28d的1.93%;普通河砂、不同粒径石英砂对SHCC单轴拉伸性能及裂缝宽度带来不同影响,粒径越小的石英砂配制的SHCC越能表现出准应变硬化特性和优异的裂缝无害化分散能力,最大粒径为0.15mm石英砂配制的SHCC极限应变达5.24%,裂缝宽度控制在30~90μm。该研究为SHCC材料在实际工程中的应用提供了量化的性能参数依据。

不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究

为研究养护环境对应变硬化水泥基复合材料(strain hardening cementitious composite,SHCC)拉伸性能的影响,采用单轴拉伸试验对标准、室内和室外等3种环境下的SHCC进行了试验研究,获得了不同情况下的应力-应变曲线及相关参数。试验结果表明,在养护充分的情况下,不同环境条件下的SHCC材料均可表现出显著的应变硬化特征,极限拉应变能够达到3%以上,且具有良好的裂缝控制能力,极限应变下对应的平均裂缝宽度可以控制在125μm以内;与标准环境相比,室内环境下SHCC材料的强度有所降低,硬化现象不够显著,但其韧性没有降低,裂缝宽度能够控制在60μm以内;室外环境虽然较为复杂,但早期的充分养护能够使其保持性能稳定,抗拉强度和韧性没有出现明显下降,裂缝宽度可控制在80μm以内。采用引入名义初裂强度和名义初裂应变的双线性简化模型能够较好地描述不同环境下SHCC单轴拉伸应力-应变关系。研究成果表明,合适的养护环境下SHCC拉伸性能相对稳定,能够满足工程应用的要求。

SHCC增强混凝土叠合梁弯曲性能及韧性分析

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)具备优越的拉伸性能与裂缝控制能力,用以提高混凝土材料韧性且以无害化裂缝应对结构变形,将是合理利用SHCC材料、提高加固补强有效性的重要手段。通过四点弯曲试验对不同SHCC层厚增强混凝土叠合梁开裂模式、承载变形能力进行系统分析,并结合JSCE-SF4方法与PCSm方法对不同SHCC层厚叠合梁进行韧性分析。结果表明,SHCC层起到有效约束与分散裂缝作用,随着SHCC层厚度的增加,裂缝的产生与发展模式发生变化。叠合梁试件荷载-挠度曲线均表现出典型弯曲应变硬化特征,承载力与变形随着SHCC层厚的加大均得到大幅度提高。叠合梁韧性随SHCC层厚增大而提高,但SHCC层厚达到37.5%梁高后增长缓慢。

SHCC冻融后单轴压缩力学性能及损伤机理研究

采用棱柱体试件,研究冻融后应变硬化水泥基复合材料(SHCC)单轴压缩性能,分析冻融循环对其相对动弹性模量、质量、破坏模式、抗压强度及应力应变曲线的影响。结合电镜扫描结果,从微观揭示其劣化机理。结果表明:随着冻融循环次数增加,试件内部微结构逐步劣化,相对动弹性模量和抗压强度明显降低,单轴压应力应变曲线斜率逐渐减小,峰值应变则逐步增大。提出的冻融损伤模型具有较高拟合精度,能较好反映SHCC冻融损伤演化规律。

水分含量对PVA-SHCC断裂能及应变硬化的影响

为研究PVA-SHCC在不同水分含量下的断裂能及应变硬化,对全干燥、半干燥(RH=75%重新润湿)和水浸泡PVA-SHCC进行了三点弯曲与四点弯曲试验。实验表明:PVA-SHCC弯曲韧性受温度影响显著;随水分含量的增加开裂应力减小,变形增大;干燥后的PVA-ECC断裂能随着水分含量的增加逐渐增大。

硅灰与高温损伤对PVA-SHCC单轴拉伸性能影响试验研究

对掺入硅灰及未掺硅灰的两组水泥砂浆试件做了单轴拉伸性能试验,结果表明,单方掺入50kg的硅灰大幅度提高了试件的强度,但对试件的极限应变影响不大;同时,模拟了PVA-SHCC在实际工程应用中所面临不同温度的影响,选取6个(20℃、50℃、100℃、150℃、200℃、300℃)温度,对试件进行了2h的温度损伤处理后进行单轴拉伸试验,结果表明,SHCC极限拉应变随着温度的升高而成下降趋势,但在≤200℃极限应变仍在1.2%以上。

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)抗压性能试验研究

研究了不同龄期和不同性能PVA纤维对SHCC抗压性能的影响,获得了SHCC材料的压应力-应变全曲线及不同试件的抗压性能规律.结果表明:随着龄期的增长,SHCC抗压强度提高,变形性能有所下降;掺加纤维2制作的试件变形性能低于纤维1制作的试件,但强度相差不大.研究成果可为此种材料在工程结构中的研究与应用提供理论依据.

碳酸钙晶须对SHCC性能的影响

硬化水泥基复合材料(SHCC)是一种多相多尺度的高延性水泥基材料,常用的纤维通常为单一尺度的厘米长度的纤维,不能很好的实现对微米尺度裂缝的阻裂,厘米尺度纤维混杂微米尺度纤维可实现梯度阻裂效果。采用了微米尺度的碳酸钙晶须(CW)与厘米尺度的PVA纤维混杂制备SHCC材料,研究了CW对力学性能的影响,并通过SEM、TG-DTG、X射线衍射(XRD)等测试对CW增韧机理进行研究。结果表明,微米尺度的CW通过晶须桥连微裂缝,晶须拔出消耗能量,提高SHCC力学性能,发挥多尺度阻裂效果。与对照组相比,掺有2%CW试样的抗折强度和抗压强度分别提高20.9%、18.6%,薄板试样在四点弯曲载荷下呈现多缝开裂特征,展现出弯曲硬化现象。此外,CW的加入诱导一种水化产物-单碳酸盐的出现,其硬度和体积均大于单硫型水化硫铝酸钙(AFm),有利于力学性能的提高。

偏高岭土对SHCC力学性能的影响研究

用偏高岭土(MK)取代0、5%、10%、15%水泥的配制应变硬化水泥基复合材料(SHCC),以研究MK对SHCC基本力学性能的影响。结果表明,MK作为掺合料能使SHCC的初裂强度、极限拉伸强度、极限拉伸应变、弹性模量和抗压强度等有不同程度的提高,较佳的MK掺量为10%。掺入适量的MK能改善SHCC的多缝开裂特性,细裂纹(宽度为几十微米)数量增加,裂纹平均宽度降低。MK的掺入还能改善PVA纤维与水泥基体的界面粘结性能,界面粘结强度得到提高。

高韧性PVA-SHCC多缝开裂后吸水特性研究

制备了高韧性PVA-SHCC(聚乙烯醇-应变硬化水泥基复合材料)试件,通过吸水试验和中子成像试验,研究了未开裂和直拉多缝开裂情况下SHCC的吸水特性.结果表明:中子成像能够对无裂缝和多缝开裂SHCC试件的吸水过程进行可视化追踪和定量分析计算;SHCC在无裂缝时吸水很少,中子成像无肉眼可见的水分前锋;多缝开裂后,能够清晰探测到水分沿80～140μm的裂缝迅速侵入材料内部,并通过遭横向拉拔破坏的纤维与水泥基体界面而充满裂缝区;在这种情况下,应从耐久性角度限制SHCC多重裂缝宽度.

高温后HVFA-SHCC的单轴压缩力学性能及本构关系

采用40mm×40mm×160mm棱柱体试件,研究了高温后大掺量粉煤灰-应变硬化水泥基复合材料(HVFA-SHCC)的单轴压缩力学性能,探讨了不同目标温度(100、200、400、600、800℃)和不同冷却方式(自然冷却、浸水冷却)条件下HVFA-SHCC试件抗压强度、弹性模量、压缩韧性、破坏模式及质量的变化.采用扫描电子显微镜(SEM)对试件的微观结构进行分析,获得了高温后HVFA-SHCC单轴压缩性能的劣化机理.结果表明:当温度低于200℃时,温度对试件力学性能及质量损失的影响较小;400~800℃时,试件内部结构变得疏松,残余力学性能劣化严重,尤其是800℃时,试件的抗压强度仅为常温状态的39.9%,弹性模量为常温状态的32.3%,压缩韧性指数为常温状态的59.0%,质量损失率达15.5%;浸水冷却试件的残余力学性能得到了一定程度的提高.同时,基于试验结果,建立了高温后HVFA-SHCC的单轴压缩本构方程.