利用水平外力总功研究PVA纤维增强水泥基复合材料韧性

为了研究对比PVA纤维、玻璃纤维、钢纤维水泥基复合材料和高强(钢纤维)混凝土的韧性,采用楔入劈拉法利用荷载与裂缝张口位移曲线(P-WCMOD)下包围的面积值并考虑夹具影响后水平外力做的总功作为评价指标进行对比.实验结果表明:水泥基体发生脆性断裂,从加载到试件破坏P-WCMOD曲线一直呈线性;高强(钢纤维)混凝土和钢纤维、玻璃纤维水泥基复合材料发生半脆性断裂,P-WCMOD曲线在峰值荷载附近有较小的非线性区;而在PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-FRCCs)中观察到韧性断裂,在P-WCMOD曲线中出现明显的假应变硬化现象;脆性和半脆性材料的试件从起裂到破坏,预制缝端部仅出现一条裂缝,且最终沿这条裂缝贯通,对于PVA-FRCCs,预制缝端出现多条细小裂缝,并最终沿着主裂缝贯通.比较几种材料的水平外力总功值可知,PVA-FRCCs韧性最好,钢纤维混凝土次之,钢纤维水泥基复合材料稍差,玻璃纤维水泥基复合材料最差.     

纳米粒子和PVA纤维增强水泥基复合材料抗折性能研究

通过抗折试验和抗折试验后小立方体抗压强度试验,探讨了纳米粒子掺量、PVA纤维掺量和石英砂粒径对水泥基复合材料抗折性能的影响。结果表明,纳米粒子掺量、PVA纤维体积掺量和石英砂粒径对水泥基复合材料抗折强度和抗折试验后小立方体抗压强度有较大影响。PVA纤维水泥基复合材料的抗折强度和小立方体抗压强度随着纳米SiO₂掺量增加呈先增大后减小的趋势,当纳米SiO₂掺量达到1.5%和1.0%时,抗折强度和抗压强度分别达到最大值;随着纤维体积掺量的增大,掺纳米SiO₂水泥基复合材料抗折强度和小立方体抗压强度逐渐增大,但当PVA纤维体积掺量超过0.6%时,小立方体抗压强度有逐渐降低的趋势;随着石英砂粒径的减小,抗折强度和小立方体抗压强度逐渐降低,采用粒径a石英砂配制的水泥基复合材料具有更高的抗折强度和小立方体抗压强度。     

混杂聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能

目前配置ECC(engineered cementitious composites,ECC)的聚乙烯醇纤维(polyvinyl alcohol,PVA)主要由日本可乐丽公司生产,成本较高.国产PVA价格合理,但国产PVA-ECC的拉伸延性有限,为了进一步提高水泥基复合材料的拉伸延性,兼顾应用成本,将国产PVA纤维和日本产PVA纤维以一定的比例混合,配制混杂PVA-ECC,为实际工程结构性能提升提供更多的材料选择.首先基于微观力学模型,确定混杂PVA-ECC中PVA纤维的体积分数,对设计的5组不同配合比的混杂PVA-ECC试件进行四点弯试验、单轴拉伸试验及单轴压缩试验,确定混杂PVA-ECC的较优配合比.最后对典型配合比ECC进行性能和成本对比分析,提出了低成本、较低拉伸性能的配合比M7,中等成本、较高拉伸性能的配合比M17和高成本、高拉伸性能的配合比M21等3个具有代表性的配合比,供实际工程根据结构性能的需要进行选择.采用混杂PVA纤维配置ECC,可降低ECC的成本,使得ECC大量应用于工程实践成为可能.     

聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料单纤维拔出细观机理研究

目的 探索聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)高韧性、应变硬化宏观力学行为的细观机理,为其材料特性设计奠定理论基础。方法 基于黏聚力单元和非线性弹簧连接器,建立单PVA纤维/水泥基体的ABAQUS有限元模型,对单PVA纤维拔出水泥基体的全过程进行数值模拟分析。结果 PVA-ECC单纤维拉拔力-拉拔位移曲线可细分为线弹性阶段、连续脱黏阶段、整体滑移阶段、机械咬合硬化阶段和纤维磨损断裂阶段;纤维与水泥基体之间的传力机制包括剪滞切应力和机械咬合力;随着拉拔力的增加,机械咬合力逐渐成为主要传力机制。结论 水泥基体与纤维之间的机械咬合作用以及纤维表面的磨损是导致纤维断裂的根本原因,通过对纤维表面进行适当处理,可以降低水泥基体在机械咬合硬化阶段对纤维表面的磨损,使纤维断裂模式转变为纤维拔出模式,以更好地控制水泥基体的微裂纹失稳扩展,从而进一步提高PVA-ECC的韧性。     

应变硬化水泥基复合材料-SHCC韧性性能试验研究

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。     

应变硬化水泥基复合材料-SHCC韧性性能试验研究

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CONSOFT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。     

纤维增强水泥基复合材料的分类研究

纤维增强水泥基复合材料因应用广泛而备受关注,本文对纤维水泥基复合材料进行了分类介绍,并进行了简要的评述。     

混杂纤维增强高韧性水泥基复合材料的拉伸性能

在聚乙烯纤维体积分数固定为1％的情况下,分别对掺入体积分数为0、0.3％、0.6％和0.9％的钢纤维的试件进行直接拉伸试验,研究钢纤维掺量对高韧性水泥基复合材料直接拉伸性能的影响.结果表明,钢纤维的掺入可以有效增大试件的初裂拉力和极限拉力,与不掺钢纤维的试件相比,钢纤维体积分数为0.3％、0.6％、0.9％的试件的初裂...     

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.     

碳纤维织物增强水泥基复合材料试验研究

采用轴向拉伸试验研究了碳纤维织物增强水泥基复合材料(TRC)的静力力学性能,试验工况考虑了配网率、短切钢纤维以及碳纤维织物上的预拉力3个因素.试验结果表明:没有掺加短切钢纤维的薄板,随着配网率的增加,碳纤维织物利用率降低,试验过程中纤维层与水泥基层逐渐分离,最终薄板发生剥离破坏;对碳纤维织物施加预拉力能使薄板的开裂应力提高,从而提高TRC构件的正常使用寿命;在薄板中掺入短切钢纤维有助于提高其界面性能,进而使薄板抗拉强度、极限应变均得以提高;与施加预拉力相比,掺入短切钢纤维对薄板力学性能的改善更加显著;对碳纤维织物施加预拉力的同时在薄板中掺入1%的短切钢纤维可显著提高碳纤维的利用率,薄板破坏时碳纤维被完全拉断.     

高延性水泥基复合材料的流变特性和纤维分散性

为了研究高延性水泥基复合材料(HDCC)流变特性对短切聚乙烯醇(PVA)纤维分散性的影响规律,采用流变仪和荧光显微分析技术分别对HDCC浆体的流变特性以及短切PVA纤维在HDCC基体中的分散性进行研究.实验结果表明:HDCC浆体流变行为符合赫切尔-巴尔克模型,浆体流动后,应变梯度随应力增量按幂指数增长;当HDCC浆体塑性黏度为1.3~7.3 Pa·s时,即使短切PVA纤维的体积掺量为1.5%~2.0%,纤维在HDCC基体中的分散系数均大于0.92,实现了均匀分散.合理调整配比中粉煤灰、减水剂和功能性组分的掺量,可调控HDCC浆体塑性黏度并实现短切PVA纤维的均匀分散,为HDCC高延性的理论设计提供实验支持.     

PVA纤维增强高性能水泥基材料的韧性

采用低掺量(纤维体积率为1%~2%)的高强度高弹模聚乙烯醇纤维(简称PVA纤维)进行延性纤维基材料韧性的研究,分析了材料组成参数(PVA纤维体积率、纤维长径比、界面改性剂和砂灰比等)对高强度高弹模PVA纤维增强水泥基材料韧性的影响。结果表明,使用高强度高弹模PVA纤维以及通过材料组分优化,可以在低体积率下得到高韧性水泥基复合材料,凹土可以做为PVA纤维的一种界面改性剂。     

混杂钢纤维增强超高性能水泥基材料力学性能分析

采用平直型超细钢纤维与压痕型中长钢纤维混杂,系统研究了混杂比例对超高性能水泥基复合材料(UHPCC)流动性能、力学行为的影响,以及纤维外形对界面粘结力的影响.研究表明,随压痕型钢纤维掺入量增加,新拌浆体的流动度下降;在纤维体积率一定时,2种纤维等比例混杂,材料的抗压、拉伸、弯曲强度与弯曲韧性等力学性能为最佳;当水胶比固定时,压痕钢纤维与基体界面粘结力大于平直型超细钢纤维.试验还表明,2种纤维混杂在不同结构、不同尺度和不同时间层次对抑制裂缝的生成和扩展分别发挥作用,两者协同作用使材料总体力学性能显著提升.     

混杂纤维水泥基复合材料断裂分析

基于纤维水泥基材料的桥联法则（桥联应力-裂纹张开位移关系）和K叠加原理,建立了混杂纤维水泥基复合材料的桥联裂缝模型,并针对三点受弯梁建立了简化的断裂分析模型．桥联裂缝模型能够描述混杂纤维水泥基复合材料断裂全过程的裂缝扩展规律,灵活地分析不同纤维对断裂韧度的贡献,并可以计算混杂纤维水泥基复合材料裂纹尖端应力强度因子、断裂韧度和临界缝长．     

聚乙烯醇纤维强化水泥基复合材料的抗盐冻性能

通过氯盐环境中的快速冻融试验研究了纤维体积率、冻融循环次数、粉煤灰、硅粉对聚乙烯醇(PVA)纤维水泥基复合材料抗盐冻性能的影响。通过扫描电镜观察内部微观结构随盐冻作用的变化规律、PVA纤维在水泥基体中分布情况和界面结合状况。试验结果表明:PVA纤维的掺入可明显改善水泥基复合材料的抗盐冻性能;PVA纤维在基体中分散性较好,且与水泥基体界面结合状况较好;而粉煤灰、硅粉的掺入未明显改善PVA纤维水泥基复合材料的抗盐冻性能。     

纤维再生微粉水泥基复合材料断裂性能分析

基于三点弯曲试验,研究水胶比、再生微粉取代率、纤维种类对纤维再生微粉水泥基复合材料(FRPCC)断裂性能的影响.根据双K断裂参数分析各因素对FRPCC的增韧效果,并结合微观形貌分析各因素对FRPCC韧性的改善机制.结果表明：水胶比增大使纤维再生微粉水泥基复合材料失稳韧度先升高后降低;断裂韧度随着再生微粉取代率提升呈现先增后减的趋势;单掺玄武岩纤维(BF)会使FRPCC脆性增加,聚乙烯醇纤维(PVA纤维)占比增大能够明显提升FRPCC的断裂韧度;当水胶比为0.28、再生微粉取代率为45%、复掺0.2%玄武岩纤维和1.7%PVA纤维时,微观结构紧密,断裂韧度最优.     

聚乙烯醇分子中键合形式的研究

首先通过聚乙酸乙烯酯(PVAc)在氢氧化钠(NaOH)和甲醇(CH3OH)溶液中醇解获得聚乙烯醇,再通过粘度法测定聚乙烯醇和被高碘酸盐分解后物质的摩尔质量,从而计算出聚乙烯醇由“头尾相接”和“头碰头”两种键合方式的比率,发现在30℃时“头碰头”的几率大概为15%.     

改性聚乙烯醇树脂的制备

介绍了聚乙烯醇树脂的制备过程。利用尿素-三聚氰胺对树脂进行改性,并对改性树脂的性质进行测定。测试在不同原料配比下树脂性质(如粘度、游离甲醛含量)的不同。根据测定结果设计正交试验,对树脂配方进行优化,结合三聚氰胺树脂和脲醛树脂的特点决定最优树脂配方。故聚乙烯醇量20 g,尿素溶液量10 g,甲醛量7 g为最优配比。     

纤维素纳米晶对胶凝复合材料耐酸性能的影响

Acid mine drainage presents an important threat to cementitious structures. This study is aimed at investigating the effect of cellulose nanocrystals (CNCs) on the acid resistance of cementitious composites. CNCs were added to mortar mixtures as additives at cement volume ratios of 0.2vol%, 0.4vol%, 1.0vol%, and 1.5vol%. After 28 d of standard curing, the samples were immersed in a sulfuric acid with a pH value of 2 for 75 d. The unconfined compressive strength (UCS) test, the density, water absorption, void volume test, and thermogravimetric analysis were carried out to investigate the properties of CNC mixtures before sulfuric acid immersion. It was found that the addition of CNC reduced the volume of permeable voids and increased the hydration degree and mechanical strength of the samples. Changes in mass and length were monitored during immersion to evaluate the acid resistance of mixtures. The mixture with 0.4vol% CNC showed a reduced mass change and length change indicating its improved acid resistance.