混杂纤维ECC高温后力学特性与微观结构变化

为利用玄武岩纤维的高强度、高熔点特性来提升高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)的高温力学性能,试验测试了混杂玄武岩-聚乙烯醇(PVA)纤维和单掺PVA纤维ECC从常温至400℃的抗压和抗弯力学性能,并结合扫描电镜(SEM)观察不同温度后的材料微观结构变化.结果表明:混杂纤维ECC的高温后抗压强度较常温有所提升,其高温后抗压韧性优于单掺纤维体系;随着温度升高,混杂纤维ECC的高温后峰值荷载和极限挠度下降速率要低于PVA纤维延性材料,但400℃时仍表现为显著的脆性破坏;PVA纤维熔化和纤维-基材界面性能退化是造成混杂纤维ECC高温力学性能下降的主要原因.     

龄期对高温后高韧性水泥基复合材料力学性能的影响

研究了不同龄期超高韧性水泥基复合材料(ECC)试件高温后的残余力学性能.将ECC试件养护至不同龄期(1,3,7,28d),然后加热至不同温度(200,400,600和800℃),冷却后测量其力学性能.一般来讲,高温后ECC试件的强度和刚度会随着温度的升高而降低,但是在200℃时却有例外;温度相同时,ECC试件的强度和刚度随龄期的增加而增加,且早龄期时增加得非常快.高温前后ECC的微观结构特征可以通过扫描电子显微镜(SEM)法和压汞(MIP)试验分析,结果很好地解释了不同龄期的ECC试件高温后力学性能的变化.     

冷却方式对高温后ECC力学性能的影响

研究了冷却方式对高温后ECC(Engineered Cementitious Composites)残余力学性能的影响.将ECC试件加热至不同的温度(200,400,600和800℃),采用不同的方式冷却(自然冷却和浸水冷却),然后测试其力学性能.结果表明,浸水冷却的试件残余力学性能优于自然冷却的试件,且温度越高,冷却方式的影响越大.高温前后ECC的微观结构可以通过扫描电子显微镜(SEM)法和压汞试验(MIP)分析,微型测试结果可以很好的解释高温后ECC试件力学性能的变化.     

玄武岩格栅增强ECC复合材料反复荷载作用下本构关系模型

为了研究玄武岩格栅增强水泥基复合材料(ECC)反复荷载作用下的力学性能,考虑玄武岩纤维复材(BFRP)格栅层数和加卸载循环方式,对玄武岩格栅增强ECC薄板试件进行了单轴反复拉伸试验。试验结果表明:玄武岩格栅与ECC复合,充分发挥了玄武岩格栅的材料性能,进一步提高了基体ECC的延性。随着玄武岩格栅层数的增加,玄武岩格栅增强ECC的极限抗拉强度显著增大。依据试验结果建立了反复荷载下玄武岩格栅增强ECC的本构关系模型。计算结果表明:该模型可以有效地预测反复荷载下玄武岩格栅增强ECC的应力-应变关系、极限抗拉强度、极限拉伸应变和残余塑性应变。     

自愈合行为对水泥基复合材料力学性能恢复的影响

为了研究自愈合行为对高掺量粉煤灰工程水泥基复合材料(ECC)力学性能恢复的影响,提出了一种利用共振频率表征混凝土材料内部健康/损坏状况的测量方法.通过共振频率测试、单轴拉伸实验和光学显微镜获取了ECC的共振频率、刚度、初始开裂强度、最大拉伸应变和裂缝形态.实验结果表明:经过15个干湿循环养护后,共振频率可恢复程度都可达到82%以上;预裂ECC的二次拉伸性能有着明显的恢复,重新出现了初始开裂阶段;刚度的恢复程度可达到58%以上,最大拉伸应变恢复程度在90%以上;自愈合作用可以使得一部分自愈合裂缝的开裂强度大于基质开裂强度.研究表明,利用高掺量粉煤灰材料制备高延性、高自愈合的ECC是可行的.     

工程水泥基复合材料高温损伤超声特性

为了研究工程水泥基复合材料(ECC)在高温作用后的损伤机理及超声特性,对不同温度(20,105,250,400,600和800℃)作用后的ECC试件进行超声波和抗压强度测试.结果表明:超声波通过高温作用后ECC的波形幅值、主频幅值、能量和ECC抗压强度的变化趋势相同;不同温度作用后40~50kHz频段的能量占比均最大,约为0~300kHz总能量的15%;在20~250℃作用后声速变化不大,温度高于400℃后声速随温度升高而降低.原因是高温后自由水汽化、水化产物分解和骨料物性改变,导致孔隙蒸汽压力升高和骨料界面损伤,ECC内部裂纹产生并扩展.扫描电镜测试结果表明,PVA纤维随温度升高发生软化、熔化和汽化,ECC基体中产生空隙和孔道并与裂纹连通形成网络,有利于释放孔隙蒸汽压力,减弱ECC高温损伤.研究表明超声特性可以有效反映ECC的高温损伤演化过程.     

铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料

探索采用铁尾矿粉取代粉煤灰作为矿物掺合料制备高延性纤维增强水泥基复合材料( ECC)的可行性,重点研究铁尾矿粉掺量对ECC的拉伸特性和抗压强度的影响,并比较所研发的新型铁尾矿粉ECC与传统粉煤灰ECC的宏观力学性能.研究发现,采用铁尾矿粉作为矿物掺合料制备高延性纤维增强水泥基复合材料是可行的. 在同等矿物掺合料掺量下,铁尾矿粉ECC的强度性能低于粉煤灰ECC,但表现出更强的拉伸延性. 在所研制的铁尾矿粉ECC中,当铁尾矿粉与水泥质量比为1. 2~2. 2时,ECC的28 d抗压强度为36. 7~54. 2 MPa,满足一般混凝土结构对抗压强度的要求. 此时,ECC的28 d极限拉伸应变为3. 4% ~4. 3%,铁尾矿的总用量占固体基体原材料总质量的66. 6% ~77. 0%.     

接缝修补材料对复合式路面AC层抵抗反射裂缝的试验研究

通过小梁加载试验研究不同修补策略对旧水泥混凝土路面破损接缝处沥青混凝土加铺层(AC)抵抗反射裂缝的有效性。采用3种修补材料即普通水泥混凝土(CC)、纤维增强水泥基复合材料(ECC)和ECC加设传力杆(ECC-dowel),通过三点抗弯试验及微观形貌观察,分析不同复合梁的裂纹发展形式及抗变形能力。研究结果表明:CC,ECC和ECC-dowel修补材料的裂纹发展形式存在明显不同;ECC应变硬化、多点开裂的延性特征可有效防止AC层反射裂缝的产生;ECC与ECC-dowel复合梁的断裂模量、断裂能等无显著差异,说明ECC基体内纤维的桥接作用是复合梁抗变形能力的关键性因素,传力杆贡献不大。     

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.     

高韧性水泥基复合材料试验研究

通过试验研究高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)的收缩变形性能、ECC与老混凝土的界面黏结性能和ECC的抗冻融性能,分析了纤维种类和减缩剂对ECC收缩变形的影响规律;探讨了国产与进口纤维对ECC抗冻融性能的影响规律.结果表明:国产PVA纤维对控制ECC早期收缩变形有较明显的效果,而日本产的高弹性模量PVA纤维对控制ECC后期收缩变形效果显著;水灰比为0.40时,掺入减缩剂可使ECC收缩应变约减少2×10-4,可见减缩剂控制ECC收缩变形效果显著.ECC与老混凝土间的界面黏结性能远优于自密实混凝土和普通混凝土,高韧性水泥基复合材料是修补桥面、路面和加固水库、大坝等混凝土工程的理想材料.ECC抗冻等级高于F300,完全可用于寒冷地区混凝土结构的加固与维护.     

可自修复的高延性混凝土(ECC)在机场道面的适用性分析

在飞机荷载与环境荷载长期共同作用下,机场道面易出现裂缝、接缝和竖向位移类病害,使运营阶段维修成本高.提出将具有自修复功能的高延性水泥基材料(ECC)用于机场道面,以控制裂缝发展、实现无缝连接;并利用ECC因二次反应而使微裂缝愈合的特性,减少路面维护工作,延长使用寿命.通过试验手段研究了ECC材料应用于机场道面的力学行为、自修复行为和早期开裂潜能.试验结果表明:机场道面用ECC材料在拉伸荷载作用下,其拉伸应变可达3.67％(约为普遍混凝土的400倍);在弯曲荷载作用下,其竖向弯曲变形可达6.33 mm;抗压强度与弯曲强度分别为43.9 MPa和12.68 MPa,可满足机场道面的使用要求.在受约束条件下,ECC表现出较低的早期开裂潜能.由于自修复能力,裂损ECC的拉伸刚度、拉伸应变与拉伸强度几乎可恢复至未裂时的程度;其水渗透系数随自修复进程逐渐降低,最终达到未裂时的渗透水平.研究结果表明ECC材料用于无缝机场道面具有较高适用性.     

工程水泥基复合材料自愈合过程与产物

借助环境扫描电镜(ESEM)对纤维表面以及15,30,50μm不同宽度裂缝自愈合产物的生长过程进行了连续观察,结合EDS(energy dispersive spectroscopy)、TEM(transmission electron microscopy,透射电镜)、XRD(X-raydiffraction)及FTIR(fourier transform infrared spectroscopy)等先进研究手段,对工程水泥基复合材料(ECC)裂缝自愈合产物的化学特性进行了分析.结果表明,体系中水泥基材料的进一步水化及C-S-H凝胶和CaCO3晶体的生成是裂缝自愈合的主要原因.宽度15μm裂缝的自愈合产物主要为C-S-H凝胶;宽度30μm裂缝的自愈合产物主要为C-S-H凝胶和CaCO3;观察周期内,宽度50μm形成的自愈合产物量无法填满裂缝.从微观层次上看,宽度30μm以下的裂缝几乎都能完全自愈合.同时,ECC材料中的PVA(聚乙烯醇)纤维有亲水特性,为自愈合产物的形成提供了成核点,有助于ECC材料自愈合产物的形成和生长.     

PVA-ECC的最优配比及力学性能试验研究

考虑影响纤维增强水泥基复合材料（ECC）力学性能的关键因素,从抗压强度入手,基于水胶比、粉煤灰掺量、减水剂掺量等的变化,制作各批次的ECC立方体试件并进行抗压强度试验,探索ECC的力学性能随材料配比而变化的规律.研究结果表明,在其它因素都相同的条件下,PVA-ECC的立方体抗压强度随水胶比的增大而减小、随粉煤灰掺量的增加而减小、随减水剂掺量的增加先增大后减小.在普遍意义上,当水胶比为0.25、粉煤灰掺量为45％、减水剂掺量为0.5％时,PVA-ECC达到最优配比,此时立方体抗压强度达到最大.     

硫酸盐侵蚀下ECC轴拉力学性能与微观结构

针对沿海潮汐区及地下水交界处典型的干湿循环硫酸盐环境,开展不同周期下高延性水泥基材料(ECC)单轴拉伸试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)观测其微观结构.结果表明:未受蚀ECC的拉伸应变硬化特征明显,但侵蚀后的拉伸曲线应力抖动次数大幅减少;受蚀ECC抗拉强度是侵蚀前的1.35～1.79倍,随侵蚀周期先增后降,而极限拉应变的发展规律则相反;在150 d内,硫酸盐侵蚀对ECC弹性模量的影响不明显.受蚀前,聚乙烯醇(PVA)纤维的完整表观解释了ECC的低强度和高延性;侵蚀早期,钙矾石逐渐生成并不断填充孔隙和微裂纹;侵蚀后期,石膏逐渐成为重要的侵蚀因素;大量存在的PVA纤维有效缓解了侵蚀损伤,在研究的龄期范围内未见材料明显劣化.     

纳米CaCO3对水泥基材料性能与结构的影响及机理

采用超声波分散方式将纳米CaCO_3掺入水泥基材料,研究了不同掺量纳米CaCO_3对水泥基材料性能与结构的影响,并利用X射线衍射和扫描电镜分析其影响机理.结果表明:掺入纳米CaCO_3后,水泥基材料流动度降低,浆体表观密度增大,抗折和抗压强度提高.纳米CaCO_3掺量为1.5%(质量分数)时,对水泥基材料的力学性能提高最为显著,纳米CaCO_3掺量过多则不利于强度发展.纳米CaCO_3的掺入会加速水泥的水化,早期使水化产物Ca(OH)_2等增加;纳米CaCO_3改善了界面结构和水泥石结构,使水泥基材料的结构变得更加均匀密实.结果显示纳米CaCO_3掺入后对水泥基材料的力学性能与结构有利.     

ECC外壳约束海水海砂再生骨料混凝土柱受压性能

针对海水海砂再生骨料混凝土(SSRAC)在柱构件中的应用问题,本研究采用组合设计的方法,提出工程水泥基复合材料(ECC)外壳约束SSRAC柱的形式,对其施行轴心/偏心受压试验.结果显示,ECC外壳可对SSRAC形成良好的约束作用,构件破坏时表现为受压区及受拉区的裂缝宽度增大,材料未压溃.轴心受压时,ECC外壳约束SSRAC柱的峰值荷载相比整浇SSRAC试件提高15%,但其轴向刚度降低;偏心受压时,ECC外壳约束SSRAC柱的变形能力得到提高,在大偏心条件下,极限位移与峰值位移比值较SSRAC柱提高了111%.最后,考虑箍筋、 ECC外壳约束提升作用及其与荷载偏心率的关系,分别提出在轴心/偏心受压作用下柱构件承载能力的计算公式.     

高延性水泥基材料在持载下的自修复行为研究路径

目前ECC材料自修复的研究大都是在卸载后进行的,且研究内容主要集中在宏观层面,本文基于ECC材料在交通基础设施工程应用中总是处于持载作用下的实际情况,提出研究在持载下ECC材料的自修复行为的理论和方法,丰富水泥基复合材料在自修复研究领域的知识体系.     

低水泥用量超高性能混凝土力学性能及微结构试验

为降低超高性能混凝土中的水泥用量,研制绿色低碳的超高性能混凝土,采用石灰、硅灰、稻壳灰和高岭土以不同比例组合作为替代水泥材料,研究了其和易性、力学性能和微观结构.结果表明,替代水泥比例高达50%的超高性能混凝土试件,其力学性能与未替换水泥试件相当;同样化学组成的稻壳灰,其细度对超高性能混凝土试件的力学性能影响较大.通过试验结果计算出各种替代材料混掺的等效系数(k-value),给出了力学性能最优的低水泥用量超高性能混凝土的配合比例.     

ECC/RC组合梁受弯性能试验研究与分析

工程用水泥基复合材料(ECC)具有超高的韧性与优异的裂缝控制能力,提出采用ECC制作U型永久性模板,与混凝土形成外包式ECC/RC组合梁,以提高构件的力学性能和耐久性能.给出了ECC/RC组合梁受弯非线性分析方法,并开展了3种不同界面处理方式的ECC/RC组合梁的弯曲性能试验研究.结果表明,相比RC梁,ECC/RC组合梁的承载力和延性均有所提高;当荷载低于极限承载力的80%时,组合梁的最大裂缝宽度小于100μm;不同的界面处理对组合梁的极限承载力影响较小,但对延性系数有影响.试验结果验证了组合梁受弯非线性分析方法的正确性.基于ACI规范所采用的有效惯性矩法,提出了ECC/RC组合梁正常使用极限状态下挠度的简化计算方法,得到基于内力平衡的组合梁完全开裂截面的惯性矩公式,利用该简化方法计算得到的预测值与试验值吻合较好.     

冻融循环后GFRP筋与ECC粘结性能试验研究

工程用水泥基复合材料(ECC)与玻璃纤维增强复合材料(GFRP)协同工作可以有效提高结构的耐久性,但关于它们在冻融循环作用下的粘结耐久性能研究较少.通过设计9组共计42个试件,并采用快冻法研究了75次冻融循环后ECC材料与普通混凝土的质量损失率、横向相对动弹性模量及ECC与GFRP筋粘结强度的变化情况,并对试件粘结滑移曲线进行对比分析.结果表明,ECC材料的抗冻性能明显优于普通混凝土,同时75次冻融循环后,强度等级为C30与C50的ECC与GFRP筋的粘结强度分别为普通C30混凝土与GFRP筋粘结强度的3.0倍及4.3倍;将拉拔试验结果与目前国内外广泛应用的mBPE模型、CMR模型和连续曲线模型进行拟合对比,得到了mBPE模型及CMR模型相应的拟合参数和拟合相关系数,并发现CMR模型的拟合预测效果更好.