钢纤维-橡胶/混凝土单轴受压全曲线试验及本构模型

将钢纤维(SF)掺入橡胶混凝土中,能够改善由于橡胶颗粒掺入导致的强度降低,并进一步增加延性。为研究SF-橡胶/混凝土的抗压性能,配制得到SF体积分数分别为0vol%、0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%及橡胶颗粒等体积替换砂率为0%、10%和20%的10组SF-橡胶/混凝土试件,并进行单轴受压全曲线试验。结果表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可改善混凝土的抗压性能,试件破坏呈明显延性特征。随SF掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件的抗压强度及弹性模量均明显增大,其相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性也相应增加;随橡胶颗粒掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性增加,而抗压强度及弹性模量有所减小。在已有研究基础上,通过曲线拟合试验数据,提出适用于SF-橡胶/混凝土的单轴受压应力-应变全曲线数学表达式,模型与试验结果吻合较好,为此类混凝土的结构分析设计提供了理论基础。      

钢纤维-橡胶/混凝土抗剪性能试验

抗剪强度和剪切韧性是反映构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标。为研究钢纤维(SF)-橡胶/混凝土的剪切性能,设计了14组SF-橡胶/混凝土试件,通过双面剪切试验,研究了SF体积分数掺量、橡胶掺量和水胶比对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能及剪切破坏形态的影响。研究表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可显著改善混凝土的抗剪性能。SF对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能起主导作用,SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形及剪切韧性相比普通混凝土及橡胶/混凝土试件均显著提高,且增幅随SF掺量的增加而增大,剪切破坏呈现出明显的延性特征。当SF体积分数为1.5vol%时,橡胶掺量(等体积取代砂取代率)为10%的SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形相比橡胶/混凝土分别提高了78%、63%。橡胶对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能也起到辅助作用,SF-橡胶/混凝土试件的剪切韧性及延性相比SF/混凝土试件进一步增加。采用水胶比优化设计后,随着橡胶掺量的增加,SF-橡胶/混凝土的抗剪强度、峰值变形及峰值前剪切韧性可基本保持不变,而峰值后韧性指标进一步增加,增幅可高达96%。根据试验结果,考虑橡胶及SF掺量的影响提出了SF-橡胶/混凝土的抗剪强度计算式。      

考虑温度效应的橡胶混凝土阻尼耗能性能试验研究

为探讨橡胶混凝土材料的阻尼耗能性能,在常温和低温条件下,橡胶粒径为20目、四种橡胶掺量的混凝土棱柱体试块进行轴向压-压滞回试验,得到了橡胶混凝土材料力-位移滞回曲线,据此分析橡胶混凝土材料阻尼耗能性能的变化规律。结果表明,低温作用后,橡胶混凝土材料压-压滞回曲线趋于饱满,耗能性能明显增大;加载力幅值水平越大,橡胶混凝土的阻尼损耗因子越大,低温下的提高幅度小于常温情况;随着橡胶掺量的增加,橡胶混凝土在低温下的滞回总耗能增长速率高于常温情况;橡胶掺量越大,其阻尼损耗因子提高的速率越显著。     

钢纤维橡胶再生混凝土的抗冻性试验

为使废弃混凝土和再生橡胶在北方地区混凝土工程中得以应用,采用正交试验法研究再生粗骨料掺量、再生粗骨料强化方式、钢纤维掺量与橡胶掺量对钢纤维橡胶再生混凝土(C45)立方体抗压强度和抗冻性的影响规律。利用扫描电镜和螺旋CT扫描技术研究了钢纤维橡胶再生混凝土的宏观和细观结构及其对抗冻性能的影响机理。结果表明:橡胶颗粒掺量是影响再生混凝土含气量、抗压强度和相对动弹模量的重要因素,再生粗骨料掺量是影响相对动弹模量和强度损失率的次要因素,钢纤维掺量对混凝土抗压强度增强作用较小,粗骨料强化方式对混凝土性能影响不大;橡胶颗粒与砂浆界面的裂缝宽度在5~55μm之间,二者之间的相容性较差;当橡胶颗粒掺量(与砂的体积比)大于20%后,随橡胶颗粒掺量增大,混凝土内部孔洞数目增多,钢纤维橡胶再生混凝土抗压强度降低、抗冻性减弱。     

橡胶对水泥基材料干燥收缩性能的影响

为了考察橡胶增加水泥基材料干燥收缩量的机制,以橡胶水泥砂浆作为研究对象,采用毛细管张力理论分析了造成水泥砂浆干燥收缩的因素。使用压汞试验研究橡胶/水泥砂浆的孔结构,并进行了弹性模量和干燥收缩试验。研究结果表明,橡胶掺入会降低水泥砂浆的弹性模量,增加其孔隙率和干燥收缩量,且相同掺量条件下,小粒径橡胶的作用效果更明显。基于试验数据,考虑橡胶掺入对砂浆弹性模量的折减系数KE和橡胶掺入对毛细孔(孔径50nm的孔隙)数量的增加系数K_h,拟合了橡胶对水泥砂浆干燥收缩的影响参数δ_(mr)。     

疲劳荷载对橡胶混凝土损伤和断裂性能的影响

虽然橡胶混凝土塑性和疲劳性能较好,但由于掺入橡胶,其在疲劳荷载下离散性增大,损伤过程及最终的断裂机制均不明确。为研究橡胶混凝土在疲劳荷载下的损伤和断裂性能,基于声发射开展了不同橡胶掺量的混凝土在疲劳荷载下的三点弯曲疲劳断裂试验。计算有效裂缝长度,分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土裂缝长度a的变化规律,并利用裂缝长度a和声发射累积能量E_AE分别定义了损伤变量D_a和D_AE;分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土断裂能G_F的变化规律;利用声发射中的信号持续时间分析疲劳荷载下橡胶混凝土中裂缝出现和扩展的规律。结果表明,混凝土的断裂能随橡胶掺量的增加呈线性增加;在疲劳荷载下,裂缝长度a和D_a均呈倒S型规律变化,而D_AE呈正S型规律变化;声发射信号持续时间表明,在疲劳荷载下,橡胶混凝土中的裂缝总在荷载较小时出现或发生扩展。      

橡胶混凝土单轴受压疲劳性能研究

为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能,用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土,进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量,并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析,得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明:应力水平相同时,橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土,且随橡胶掺量的增加,混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律,橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析,可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。     

不同MgO掺量混凝土动态损伤特性的研究

对不同MgO掺量(0％、2％、4％、6％、9％、12％)的混凝土进行了应变速率(10-5s-1、10-4 s-1、10-3 s-1和10-2 s-1)下的单轴抗压试验研究,分析了不同MgO掺量混凝土的基本力学参数变化规律.结果表明:(1)相同应变速率下,随着MgO掺量的升高,混凝土的峰值应力和峰值应变整体上表现出升高的趋势,并且得到混凝土的峰值应力和峰值应变随MgO掺量变化的关系式;(2)相同MgO掺量下,混凝土单轴受压下的峰值应变随应变速率的变化离散性较大;(3)混凝土弹性模量随MgO掺量和应变速率的变化波动性较大;(4)基于Weibull统计理论分布的损伤本构模型,描述了不同MgO掺量的混凝土损伤破坏过程,混凝土材料的损伤发展主要有3个阶段:损伤起始阶段、损伤发展阶段和损伤破坏失稳阶段.     

冲击荷载下纳米碳纤维混凝土的动态受压力学特性

为探究纳米碳纤维混凝土的动态受压力学特性,本研究利用Φ100 mm分离式霍普金森压杆装置,分别对素混凝土及体积掺量为0.1％、0.2％、0.3％、0.5％的纳米碳纤维混凝土试件开展冲击压缩试验,对比分析了混凝土在5组不同应变率水平下混凝土的动态抗压强度、动态压缩变形和冲击韧性的变化特征.结果表明:各掺量下纳米碳纤维对混凝土动态抗压强度、动态压缩变形和冲击韧性均具有不同程度的增强作用.纳米碳纤维掺量为0.3％时对动态抗压强度的增强效果最佳;纳米碳纤维仅在0.2％掺量时对混凝土动态弹性模量表现为提升作用,其他掺量下反而使其动态弹性模量有所下降.素混凝土及纳米碳纤维混凝土的动态抗压强度、冲击韧性和动态弹性模量均随应变率水平的提高而逐渐增大,表现出显著的线性关系.动态峰值应变、极限应变虽整体上随应变率的上升呈递增趋势,但二者并不存在明显的线性相关性.适量纳米碳纤维的掺入能够发挥小尺寸效应及增强、阻裂作用,改善基体的微观结构,提升混凝土在冲击荷载作用下的动态受压力学特性.     

纳米SiO2-橡胶粉再生混凝土力学性能试验研究及数值模拟

以质量取代法研究纳米SiO2(取代水泥)和橡胶粉(取代河砂)对再生混凝土28 d抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响,并通过MAT-LAB软件建立了二维随机骨料投放程序,采用ABAQUS软件对再生混凝土单轴受压力学性能进行了数值模拟分析.结果表明:单掺橡胶粉时,随着橡胶粉掺量增加,再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度呈先增大后减小的趋势;当橡胶粉掺量恒定时,再生混凝土抗压、劈裂抗拉和抗折强度随着纳米SiO2掺量增加而增大.与未掺SiO2组相比,纳米SiO2掺量为1.5％(质量分数,下同)的再生混凝土28 d抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高了13.3％、22.8％、21％.基准组(纳米SiO2和橡胶掺量为0)和试验组(1.5％纳米SiO2和5％橡胶)单轴受压试验模拟结果与真实试验结果的误差较小,表明数值模拟分析所得的计算值与试验值吻合良好.     

混凝土阻尼试验研究及其机理分析

配制了几种混凝土,用自由衰减法测试了它们的阻尼比,从混凝土周期荷载作用下的力学现象、粗骨料界面、混凝土含水量、粘弹性材料含量等方面分析了混凝土阻尼产生机理.     

约束层阻尼结构降噪性能的测试分析

约束层阻尼作为表面阻尼的一种方式,通常用于解决金属板状结构的振动和噪声问题。目前,通常采用阻尼材料的损耗因子、储能模量来评估材料的减振性能,但是这种方法不能直接有效地评估阻尼材料在实际应用中的所获得的减振降噪的效果。采用正弦扫描和类白噪声随机振动激励激振简支梁的方法,通过分析响应数据来表征约束层阻尼的减振降噪效果。     

超材料混凝土单胞骨料的有阻尼自由振动特性研究

超材料概念的提出激发了功能混凝土的研究热潮,超材料混凝土的振动研究也成为热点之一。基于one-dimensional spring-mass system模型,建立了单胞骨料有阻尼自由振动的三维振动模型,模型中软涂层和砂浆均用弹簧等效代替,并计算了等效长度、等效刚度和等效阻尼。以单胞骨料为研究对象,用达朗贝尔原理导出有阻尼自由振动的非线性控制方程,获得系统的固有频率和振动解。用MATLAB软件编程进行算例分析,讨论初始条件、骨料内部尺寸及软涂层弹性模量等参数对固有频率和振动特性的影响。算例分析表明：非线性振动与线性振动中的无阻尼固有频率和有阻尼固有频率间的关系并不一致;阻尼对非线性振动固有频率的影响比线性振动的大;初速度对初相位的影响(非线性)比初始位移的大(“类线性”),初始条件既影响振幅,又影响固有频率,也会影响超材料混凝土抗冲击能力。减幅系数η随初始速度、软涂层弹性模量的增大而减小,随软涂层厚度的增大而增大,这可通过减小初始速度、增大软涂层弹性模量、增加重核的大小等方式降低减幅系数对超材料混凝土结构的影响。这对超材料混凝土抵抗高频荷载和冲击荷载的研究有工程指导价值。     

阻尼材料复模量测试中的动力学分析

流变振动仪利用等截面杆的纵向简谐振动来测定材料的阻尼，十分方便和有效。本文把振动杆件作为一个连续体，指出响应（一端的应力）和激励（另一端的应变）之比（作者称之为试件复模量）不仅反映了试件的材料性质，而且与试件的动特性参数（如质量密度）和几何参数密切相关；提出了由实验得到的试件复模量得出材料复模量的计算方法。剪切简谐振动试验也有类似情况。     

轧机主传动系统扭振减振器参数设计及特性分析

针对咬钢时突加负载时轧机主传动系统轴系的扭振现象,引入扭振减振器控制装置,建立电动机与扭振减振器的扭振抑制模型;通过对扭振减振器特性参数的设计,得出扭振减振器的惯量比、定调比、阻尼比;同时运用定点理论,得到最佳定调比和阻尼比;通过对比加入扭振减振器前后的时域特性曲线,得出扭振减振器能降低振动幅值;通过调节惯量比、扭转刚度、阻尼系数的大小,得出不同参数变化对轧机主传动系统幅频特性曲线的影响规律,适当的增大惯量比μ可以减小振动幅值,增大扭转刚度K_d可以缩小系统的不稳定区域,增大阻尼系数C_d可以有效降低系统扭转振动幅值,因此选取恰当的参数数值能有效提高轧机系统的稳定性。     

Temperature dependence of the elastic moduli and damping for polycrystalline LiF-22% CaF2 eutectic salt

The Young's and shear moduli and damping were measured for as-cast polycrystalline LiF-22 (mol%) CaF₂ eutectic specimens as a function of temperature using the piezoelectric ultrasonic composite oscillator technique (PUCOT). The shear modulus decreased with increasing temperature from about 40 GPa at 295 K to about 30 GPa at 1000 K, while the Young's modulus decreased from about 115 GPa at 295 K to about 35 GPa at 900 K. These values are compared with those derived from the rule of mixtures using elastic moduli data for LiF and CaF₂ single crystals. It is shown that, while the shear modulus data agree reasonably well with the predicted trend, there is a large discrepancy between the theoretical calculations and the Young's modulus values, where this disagreement increases with increasing temperature. The reason for this discrepancy is unclear but several possibilities are examined and discussed. The effective activation energy for damping was determined to be about 0.21 eV/atom which was found to be in reasonable agreement with the activation energy for migration of anion vacancies in the CaF₂ phase.     

用于结构减振的聚合物混凝土试验研究

摘 要：对于目前工程中新出现的桥梁-建筑合一的大型结构,如何减小运行荷载产生的振动是颇受关注的问题。本研究通过在混凝土中掺入高分子聚合物以提高其阻尼性能达到减振的目的。采用矩形截面简支梁和以实际大跨复杂箱梁为原型的1/6缩尺模型,分别进行振动测试、静载试验和疲劳试验,对比普通混凝土和聚合物混凝土的阻尼性能、静力性能和疲劳性能。同时测试基准混凝土和各聚灰比的聚合物混凝土试块的抗压强度和弹性模量。试验结果表明,随聚灰比的增大混凝土梁的阻尼比大幅增大,试块抗压强度和弹性模量略有下降,但满足规范的要求。聚合物混凝土梁的静力性能比普通混凝土梁更好,疲劳性能与之相当。聚合物混凝土的施工性能指标如塌落度和扩展度良好。     

Effective Young's moduli of quasilayered bars using bar resonance frequencies

Rectangular-bar specimens with nonhomogeneous (quasilayered) porosity distribution were prepared from an iron powder. Using these specimens, differences were observed in effective Young's modulus values determined experimentally by means of specimen flexural vibrations with bending in the plane of quasilayers and in the plane perpendicular to quasilayers. To account for these differences, general expressions for resonance frequencies of flexural vibrations of model quasilayered bars were derived in a theoretical way. The model quasilayered bar means a prismatic bar of rectangular cross section, with material Young's modulus varying continuously only along one of transverse directions. Substituting theoretical resonance frequencies, instead of experimentally measured ones, into the routine evaluation procedure of the dynamical resonant method, theoretical values of effective Young's modulus were calculated. In majority of theoretically investigated simple model examples with lowered modulus of surface regions the effective modulus determined by means of the frequency of sample flexural vibration perpendicular to layers is lower than the effective modulus determined by means of the vibration parallel to the layers. These theoretical results explain qualitatively the effective modulus differences obtained for our quasilayered samples in an experimental way.     

The relations between the shear modulus, the bulk modulus and Young's modulus for porous isotropic ceramic materials

A relation between the shear modulus and Young's modulus of isotropic porous ceramics has been derived based on the Mori–Tanaka mean-field approach. The applicability of the relation has been evaluated using the experimental values available in the literature for the shear modulus, the bulk modulus and Young's modulus of porous ceramics prepared using various processing techniques and powder sizes. It is also shown that the ratio of the shear to Young's modulus of porous ceramics can be approximated by a constant value of 0.391.     

Characterization of damping in carbon-nanotube filled fiberglass reinforced thermosetting-matrix composites

Use of carbon nanotubes as additives to composite parts for the purpose of increased damping has been the subject of much recent attention, owing to their large surface area per weight ratio which provides for frictional losses at the carbon nanotube–resin matrix interface. This article presents an experimental study to quantify the structural damping in composites due to the addition of carbon nanotubes to thermosetting resin systems with and without fiberglass reinforcement. Carbon nanotubes of varying quantity and morphology are ultrasonically dispersed in epoxy resin and are compression molded to form test samples that are used in forced vibration, free vibration with initial tip deflection, and tension tests to determine their damping ratio, specific damping capacity, and Young’s modulus. Results show increased stiffness and specific damping capacity with the addition of carbon nanotubes and particularly increased frictional loss with increasing surface area to weight ratio. The addition of fiberglass reinforcement to composite samples is shown to reduce the effective damping ratio over plain epoxy samples and carbon nanotube-filled epoxy samples.