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.     

基于微生物的水泥基材料裂缝自修复技术研究进展

 微生物自修复水泥基材料裂缝因具有较大的修复潜力和环境友好等特点而受到广泛关注。从微生物自修复水泥基材料裂缝发展历程、微生物诱导矿化沉淀结晶机理、微生物诱导矿化产率及影响因素、微生物的固载及固载后矿化活性的测定、裂缝制作方法及修复养护条件、修复效果表征方法、裂缝自修复效果和微生物自修复剂对水泥基材料自身性能的影响方面,综述了其研究进展,并指出了目前微生物自修复水泥基材料研究中主要存在的问题。     

超高韧度水泥基修复剪力墙试验的数值分析

采用扩展有限元方法(XFEM)与内聚力裂缝模型相结合,模拟超高韧度水泥基(ECC)修复震损剪力墙中混凝土和ECC材料内部的裂缝开展,以及界面裂缝在ECC与混凝土界面之间开展的力学行为,并在此基础上数值再现了原有钢筋混凝土墙体及修复后墙体在侧向荷载作用下的反应.结果表明:将扩展有限元方法与基于界面的内聚力模型相结合,可较好地模拟有黏结界面的修复后剪力墙的受力行为,有限元模拟计算结果的极限承载力和相应位移与试验结果吻合良好.     

汽车发动机应用金属磨损自修复材料技术的研究

通过在汽车发动机的润滑系统中应用金属磨损自修复材料技术,研究自修复材料保护层的摩擦性能、显微硬度,在行车试验中研究自修复材料技术对发动机的动力性能、节油、尾气等综合性能指标,并在形成自修复材料保护层的性能下进行了无机油行驶的研究.实验证明自修复材料可对已磨损的零件表面进行不拆卸原位修复,自修复材料保护层具有超低的摩擦系数.     

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.     

自修复材料在钢球磨损表面成膜的机理分析

采用GCr15钢球与自修复材料在球磨机球磨,采用扫描电子显微镜观测球磨时间对自修复材料在金属表面成膜的过程;研究了不同能量条件下自修复材料对金属表面成膜的影响．试验结果表明：随球磨过程的进行,钢球表面由于碰撞摩擦出现大量划痕,表面粗糙度增加;但随球磨时间的增加,钢球表面逐渐吸附自修复材料,在球磨过程中的碰撞及摩擦能量作用下,自修复材料在钢球表面形成一层均匀的膜层．φ12．7mm钢球在球磨过程中速度快,碰撞摩擦产生的能量高,表面成膜均匀致密,而φ6．0mm钢球形成的自修复膜层存在一定数量的显微孔洞;同时对自修复材料在球磨过程中的相结构变化及自修复膜层的成分进行了分析．在此基础上,对自修复材料的自修复机理进行了探讨．     

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.     

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。     

高延性水泥基材料高温力学性能研究进展

高延性水泥基材料(engineered cementitious composites, ECC)是为克服水泥基材料的脆性、突破其应变软化属性而发展起来的新型纤维增强复合材料,该材料的广泛应用决定其暴露高温(火灾)的风险不可忽视.本文围绕ECC高温抗压和抗拉力学性能研究进行综述,深入分析了ECC高温力学性能的关键影响因素,讨论了相关研究工作中存在的若干问题,并在此基础上针对ECC材料高温力学性能的优化设计研究提出建议.     

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.     

沥青混合料微胶囊自修复技术的研究综述

为了进一步促进微胶囊自修复技术在中国道路工程领域中的发展与应用,综合国内外最新研究成果对沥青混合料微胶囊自修复技术展开全面的分析,总结微胶囊自修复技术的基本原理、研究现状及进展,系统梳理了自修复微胶囊的性能表征方法、掺加微胶囊沥青材料的自修复性能评价方法,并重点分析不同评价方法的优点与不足。在此基础上,从囊芯材料的选择、囊壁材料的研发、微胶囊的粒径与形状等3个方面概述沥青混合料自修复微胶囊的设计方法;介绍了沥青混合料微胶囊自修复技术的最新室外试验研究进展。结果表明:当前沥青混合料微胶囊自修复技术研究中存在着路用性能研究不系统、评价方法不成熟、微胶囊设计方法不完善等问题;下一步应开展通过数值模拟的方法探讨微胶囊在沥青混合料中的多维受力特性,为微胶囊的精细化设计提供可靠的理论依据;开发能够多次缓释、高耐久性的自修复微胶囊,使其可以在整个路面预养护周期内发挥自修复作用;研发复合自修复路面养护技术,实现沥青路面在预养护阶段不同时间节点的按需自修复。     

ECC材料对混凝土框架结构倒塌安全储备的提升作用

结构的倒塌安全储备能力不仅与结构设计规范、施工方式以及场地地震风险等因素有关,而且还与结构所选用的材料密切相关.由于普通混凝土的低延性特点,地震中结构的破坏多发生于梁柱构件的端部,考虑到ECC材料超高韧性的特点,本文采用ECC材料少量替换梁柱构件端部的普通混凝土,以减小地震中结构的损伤.通过对普通框架和ECC材料局部替换后框架结构的抗震性能对比,研究局部使用ECC材料对结构倒塌安全储备能力的提升作用.分析表明,少量ECC材料替换混凝土后构件其它部位的混凝土得到了充分的利用,结构的倒塌安全储备能力较普通框架有较为明显的提升;并且,少量ECC替换后对结构的振动特性影响很小.     

钢筋增强ECC柱偏心受压力学性能有限元模拟

目的将ECC替代混凝土用于建筑结构以解决因混凝土脆性导致的开裂和耐久性问题.方法提出ECC材料简化拉、压应力-应变关系模型,并通过有限元模拟方法对钢筋增强ECC(R/ECC)柱偏心受压力学性能进行评估.在此基础上,以偏心距为参数,分析了各偏心率下R/ECC偏心受压构件的荷载-变形曲线,得出了承载力N_u-M_u关系曲线.结果笔者提出的模型能够准确地模拟R/ECC构件的承载力及变形行为.在各偏心率下,R/ECC柱的抗弯承载力均要显著大于RC柱,通过应变云图分析可以得知,R/ECC柱受拉侧ECC能够始终提供稳定的抗拉承载力,使得R/ECC柱的极限弯矩要大于RC柱.结论相同条件下,R/ECC柱偏心受压承载力和延性均要明显优于RC构件.     

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.     

持载下预应力CTRC板加固RC梁的抗弯性能

采用四点弯曲试验研究持载下用预应力碳纤维织物增强混凝土板加固RC梁的抗弯性能。针对梁的持载水平进行2个加固工况试验及1个参考工况试验。对各工况梁的荷载-挠度变化、荷载-应变变化、承载力、延性、开裂模式及裂缝宽度进行分析。研究结果表明:预应力CTRC板能明显提高持载梁的正常使用极限状态荷载、极限承载力,并能有效抑制梁内裂缝宽度的发展;与未加固梁相比,加固梁的正常使用极限状态荷载和极限承载力最大分别提高57.1%和75.4%。加固梁的破坏模式均为预应力CTRC板断裂,而其开裂模式因持载水平不同而不同;加固梁的延性均比未加固梁的延性低;随着持载水平提高,加固梁中的碳纤维织物在受荷初期发挥的作用逐渐增强。     

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.     

基于主客体识别构筑自愈合材料的研究

自愈合材料可以修复其在外界环境因素作用下产生的局部创伤或微裂纹,故大大延长了材料的使用寿命,提高了材料使用过程中的安全稳定性.但是,研究中大多数是结构型自愈合材料,而功能型自愈合材料的工作还鲜有报道.因此,构筑一种功能性强,愈合速度快,机械性能和功能特性可同时修复,并且可实现多次愈合的功能材料仍是一个挑战.通过构筑五种不同类别的复合物材料,探讨了基于环糊精主客体识别构筑自愈合材料的制备和性能研究.研究表明,主客体相互作用在材料愈合过程中扮演着重要角色.材料的愈合效率与愈合条件、材料的吸湿性能、分子链的运动以及主客体之间的包合能力密切相关.研究结果为基于主客体识别的自愈合材料的构筑和设计提供了有意义的理论指导和参考价值.     

食品机械中自修复材料齿轮应用及噪声影响

介绍了复合材料的自修复技术及微胶囊自修复原理,提出在食品机械中采用加入微胶囊自修复材料的复合材料齿轮,实现食品机械减重、降噪.通过对新型齿轮复合材料试件摩擦过程中不同温度下的噪声数据分析和对比,探讨了自修复微胶囊对复合材料齿轮振动噪声性能的影响.实验结果表明,自修复微胶囊降低了齿轮的摩擦噪声.     

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。     

基于拉压杆模型的ECC深梁受剪承载力分析

为研究分布筋对ECC深梁破坏模式和受剪承载力的影响,对分布筋配筋率分别为0、0.31％、0.63％的ECC简支深梁进行剪切试验,分析其破坏模式及纵筋和分布筋应变的发展规律.在拉压杆(STM)模型的基础上,根据Mohr-Columb破坏准则推导建立了STM1模型,基于压杆的试验结果建立了STM2模型,并与美国规范ACI318-19中的计算方法进行比较分析.研究结果表明:分布筋配筋率为0和0.31％的ECC深梁均发生压杆破坏,分布筋配筋率为0.63％的ECC深梁发生节点破坏;分布筋配筋率不大于0.31％时,ECC深梁的受剪承载力未随分布筋配筋量的增加而显著增加;与STM2模型及美国规范ACI318-19中的计算方法相比,STM1模型具有明确的力学意义,能考虑ECC材料抗拉性能和分布筋的影响,其计算结果与试验结果吻合良好,可为不同分布筋配筋率下ECC深梁的受剪承载力计算提供依据.