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.     

弓形钢纤维增强水泥基材料断裂能模型

根据弓形钢纤维弯钩端变形情况对单根纤维拔出能量进行推导;应用概率统计方法综合评估了断裂面上各纤维的能量贡献,建立了相应的断裂能模型.试验验证表明,模型预测精度良好,且该断裂能模型与各细观参数,如纤维长度、弯钩端几何形状参数和水泥基体强度等密切相关,因此该模型不仅能用于预测弓形钢纤维增强水泥基材料的断裂能,还能用于该类材料的优化设计研究.     

碳纤维机敏水泥基材料性能研究

研究了掺有碳纤维的水泥基复合材料的导电机理和在轴向压力下的压阻特性。结果表明：碳纤维水泥基复合材料的导电性有较显著的压力依赖性。在低应力水平下电阻随压力增加而降低，在较高应力水平下则随应力增在而升高，呈现所谓的“电阻负压力系数（NPCR）和正压力系数（PPCR）”效应。在循环荷载作用下，电阻的变化呈现Kaiser记忆效应。电阻的压力依赖性，被认为与碳纤维在水泥基体中形成的导电网络在荷载作用下的破坏与重组有关。     

碳纤维水泥基材料的温阻效应及其测试方法

对碳纤维水泥基材料（CFRC）进行的两极法和四极法的对比测试研究表明，两种方法都能得到稳定的电阻值；但两极法的测试结果包含了测试电极的电阻和电极与CFRC材料之间的接触电阻，难以准确反映CFRC材料的真实电阻值；采用四极法测试可消除电极电阻和接触电阻．同时还研究了不同碳纤维掺量（0．4％和1．O％）的CFRC材料的温阻效应．结果表明，在-10-60℃的温度范围内，CFRC材料的电阻率随温度的升高而减小，灵敏度随着碳纤维掺量的增加而减小．     

水泥基体中弓形钢纤维拔出耗能模型

鉴于弓形钢纤维几何形状的特殊性,对弓形钢纤维拔出过程中的摩擦能量和弯钩端塑性变形能量分别进行了理论推导;并采用能量叠加法完成了水泥基体中弓形钢纤维拔出能耗理论计算.模型预测结果与试验结果的验证表明,不论是对部分拔出还是全部拔出的弓形钢纤维拔出能量预测均与试验结果较为吻合,模型具有较好的准确性,这将有利于今后弓形钢纤维增强水泥基材料宏观断裂能理论预测研究工作的开展.     

可逆变色水泥基材料的研究

在白水泥中掺加常温可逆温致变色微胶囊,制备出了可逆变色水泥基材料.掺10%蓝温致变色颜料微胶囊水泥基材料的颜色,可在低温时的蓝色和高温时的白色之间可逆变化,变色温度在42℃左右;掺10%红色、绿色温致变色颜料微胶囊水泥基材料的颜色,也可随温度产生相应的可逆变化,变色温度约在58℃左右.其中,红色水泥试件由低温时的红色变为高温时的近似白色,符合建筑装饰对材料低温暖色调、高温冷色调,应能随温度可逆变化的要求.掺加10%蓝温致变色颜料微胶囊后,水泥细度有所下降,标准稠度用水量有所增加,初凝时间、终凝时间、安定性均合格.在同流动度条件下,硬化水泥浆体抗折强度3 d,7 d,28 d均下降20%左右,抗压强度3 d,7 d,28 d下降在35%-43%之间.表明该材料可在建筑物非承重部位起功能材料作用,符合冬暖夏凉材料的制备方向.扫描电镜观察和X射线分析表明,在白水泥中掺加常温可逆变色微胶囊不会明显影响水泥本体结构.     

水泥基材料的塑性抗拉强度

为了研究水泥基材料塑性抗拉强度的增长规律,选取水泥浆体和粉煤灰浆体,对塑性阶段的毛细管负压、塑性收缩、饱和度及抗拉强度进行了试验研究,并基于固-液-气三相有效作用力对塑性抗拉强度和毛细管负压间关系进行了分析.结果表明:当毛细管负压小于70 kPa时,水泥基材料体系处于近似饱和的毛细管状;试验所选的2种浆体塑性抗拉强度增长规律基本一致,即在毛细管负压达到20 kPa左右前,塑性抗拉强度随毛细管负压的增加而显著增加,其后则趋于稳定;基于理想堆积体系中液相有效作用力计算出的抗拉强度明显大于试验测试结果.在考虑体系存在缺陷的基础上,推荐了塑性抗拉强度的增长规律方程.     

电脉冲作用下水泥基材料硫酸盐侵蚀行为与机理

电脉冲技术应用于不同温度下的水泥基材料硫酸盐加速侵蚀已有研究,但加速机理尚不明确,通过电脉冲加速与常规浸泡方式对比,分析了电脉冲作用下硫酸根离子分布与迁移规律,测试了不同侵蚀深度处反应产物的XRD物相.研究显示,电脉冲作用下有更多硫酸根离子迁移进入试件内部,硫酸根离子进入试件后主要集中于阴极端距表面2cm内,侵蚀28d前侵蚀产物主要是石膏和钙矾石.结果表明:电脉冲通过加快离子迁移以及化学反应两个方面显著加速水泥基材料的硫酸盐侵蚀.     

碳纤维增强水泥基材料压敏性影响因素研究

本文对碳纤维水泥基机敏材料压敏性影响因素进行综述。首先,阐述了碳纤维压敏性的产生机理;其次,分别从分散剂、表面处理、导电掺合料及纤维的掺量和长度等几方面分析了对压敏性的影响;再次,分别从掺矿物掺合料、孔隙率及高烧失量粉煤灰等三个角度分析了对压敏性的影响。     

吸水树脂水泥基材料自养护外加剂的研究

以自制的高分子吸水树脂(SAP)作为新型的水泥基材料自养护外加剂．利用吸水树脂优良的保水性能来抑制水泥水化早期干燥现象，为水化提供较长时间内持续、稳定的水分供应及充分的内部相对湿度，保证水化反应的顺利进行，达到自养护的目的．考察了掺加吸水树脂的水泥试样的强度、流动度、凝结时间等性能，并通过测定化学结合水量研究了吸水树脂对水泥水化作用的影响．结果表明掺加SAP能够提高水泥净浆的水化程度和胶砂试样的机械强度，尤其是对3天、7天和28天三个龄期的抗折强度均可提高10％--20％。     

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.     

钨丝/铜复合材料的力学性能

采用石英管渗流水淬法制备了钨丝/铜复合材料,研究了其力学性能.结果表明,体积分数为60%的钨丝/铜复合材料具有1 185 MPa的拉伸强度和1 340 MPa的压缩强度,压缩时的塑性应变达到6.4%,复合材料存在一定的拉压不对称性.     

撒布式混杂钢纤维再生混凝土力学性能

为了研究撒布式混杂钢纤维再生混凝土的力学性能,以混杂钢纤维撒布层数和掺量为参数,对混凝土试块进行抗压、劈拉及弹性模量试验。结果表明:随着混杂钢纤维撒布层数的增加,抗压强度整体变化不大,劈拉强度逐渐呈现上升趋势,弹性模量、拉压比、弹强比随层数变化规律不明显;但弹性模量均较普通再生混凝土降低,拉压比均较普通再生混凝土增大,弹强比有增大也有减小;随着混杂钢纤维掺量的增加,抗压强度先增大后减小,劈拉强度、弹性模量逐渐增大,拉压比、弹强比先减小后增大。撒布混杂钢纤维层后,再生混凝土的破坏由脆性转变为具有一定的塑性。     

纤维金属3维复合材料力学性能研究

研究不同排列方式的纤维金属3维复合材料在不同方向上的力学性能和失效模式,对复合材料试样进行拉伸试验、三点弯曲试验及静态压入试验.拉伸试验表明[0°/0°]排列的复合材料在纤维方向上具有最高的拉伸模量、屈服强度及拉伸强度,而在垂直于纤维方向上具有很低的力学性能.[0°/90°]排列的复合材料由于其仅一侧纤维受拉,其力学性能相对较弱,且变形模式表现为试样的弯曲变形.[0°/0°]和[0°/90°]两种方式排列的复合材料的拉伸剪切性能差别较小.弯曲试验表明[0°/0°]排列方式的复合材料在纤维方向上的抗弯能力最高.静态压入试验表明,[0°/0°]和[0°/90°]的复合板具有近似的抗压入破坏能力.试样破坏模式显示,纤维金属3维复合材料未出现界面失效等结构性破坏,具有优良的界面强度.     

Transition from Multiple Macro-Cracking to Multiple Micro-Cracking in Cementitious Composites

This paper presents an experimental study of the possibility of transition from multiple macro-cracking to multiple micro-cracking in cementitious composites.Conventional polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites normally exhibit macroscopic strain-hardening and multiple cracking after the first cracks appear.However,the individual crack width at the saturated stage is normally 60 to 80 μm.In the current study,the effect of fine aggregate size on the cracking performance,especially the individual crack width in the strain-hardening stage was studied by bending tests.The results show that the individual crack widths can be reduced from 60-80 μm to 10-30 μm by modifying the particle size of the fine aggregates used in the composites.     

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.     

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.     

玄武岩织物增强水泥基复合材料拉伸力学性能

利用美特斯(MTS)万能试验机研究了掺入不同体积掺量(0、0.5%、1.0%、1.5%)短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维的2层和3层玄武岩纤维织物增强水泥基复合材料的拉伸力学性能.结果表明:短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维均可明显增加玄武岩纤维织物增强水泥基复合材料的开裂强度,并且存在最优体积掺量;在0~1.5%掺量范围内、2层织物时,开裂强度随着3种短纤维掺量的增加而增加,掺量1.5%时最大;3层织物时,开裂强度随着碳纤维、钢纤维掺量的增加先增加后减小,掺量1.0%时达到最大值,而随着玻璃纤维掺量的增加持续增加,掺量1.5%时最大.短切碳纤维、玻璃纤维不能增加其峰值荷载,而钢纤维则明显提高其峰值荷载,2层织物时最优掺量为1.5%,3层织物时最优掺量为0.5%.