浅谈超高韧性水泥基复合材料在桥梁湿接缝中的应用

传统混凝土湿接缝由于预制T型梁的约束效应、温度效应、行车疲劳荷载及混凝土自收缩等因素导致普通混凝土湿接缝在终凝拆模及后期使用过程中容易引起裂缝、渗漏水及耐久性问题。为了避免混凝土湿接缝裂缝的产生,防止渗漏水,并提高湿接缝的耐久性和外观质量,浙江交工与浙江大学合作,研发应用于混凝土桥梁湿接缝的超高韧性水泥基复合材料。本文将探索新型UHTCC湿接缝的施工技术及工艺,解决普通混凝土连续梁桥湿接缝裂缝、耐久性及外观质量问题。文章中就此展开论述,现总结归纳如下。     

超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评价方法

本文利用薄板试件和梁试件,采用三分点加载,对超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的受弯性能进行了试验研究,并在试验结果的基础上探讨了适于UHTCC弯曲韧性的评价方法。薄板四点弯曲试验表明,UHTCC材料具有可与金属相比拟的弯曲变形能力。四点弯曲梁试验表明,UHTCC材料具有优异的裂缝无害化分散能力,在荷载达到峰值裂缝开始局部化扩展之前,裂缝在整个梁深几乎始终以扁平形式存在和扩展,宽度始终保持在几十个微米量级,不同梁深位置的变形协调通过裂缝条数的变化实现。梁试验表明,UHTCC具有非常高的耗能能力,到达峰值荷载时消耗的能量是对应钢纤维消耗能量的13倍,该材料试件在跨中挠度达到l/60时仍能够保持良好的完整性,是用于结构抗震的理想材料。在弯曲韧性的评价方法分析中发现,ASTMC1018方法中的韧性指数用于评价UHTCC可能会引起一定的误导,将限定计算挠度扩展后的JSCE-SF4方法能够很好地描述该材料的耗能能力,而本文定义的变形硬化系数法通过给出不同变形情况下的抗弯强度,不仅能够有效评价UHTCC的韧性特征,也能够很好地满...     

超高韧性水泥基复合材料K&C模型参数确定

超高韧性水泥基复合材料 (UHTCC) 具有超高的延性、优异的能量吸收能力以及良好的耐久性,其在防护结构中有着广泛的应用前景。K&C模型被用于研究混凝土类准脆性材料在动态荷载作用下动力特性,但是该模型无法准确地描述UHTCC这种韧性水泥基材料的各项动态力学特性。为得到适用于UHTCC的K&C模型参数,基于现有UHTCC材料单轴压缩/拉伸、霍普金森杆的压缩/劈裂和三轴压缩试验数据,校核K&C模型中的损伤参数、应变率效应参数以及强度面参数,并采用改进后的K&C模型参数模拟UHTCC靶体在接触爆炸荷载下的动态响应。模拟结果表明：采用改进后的K&C模型参数对爆炸荷载下UHTCC靶板迎爆面的开坑尺寸预测结果与相应文献中的试验结果基本一致,相差在6%以内。同时,改进的K&C模型参数相较于其他K&C模型参数可以更为准确地预测UHTCC靶板在爆炸荷载作用下的损伤分布和破坏形态。为了进一步验证改进的K&C模型参数的准确性,利用LS-DYNA软件预测了弹体高速冲击UHTCC靶体时弹体的侵彻深度和靶体的迎弹面开坑直径,发现模拟结果与文献中的试验结果较为吻合。     

超高韧性水泥基复合材料受压性能试验研究

通过对同批次2组圆柱体试件（每组3个）、2组立方体试件（每组3个）进行单轴受压试验,研究龄期、试件类型和纤维类型等因素对超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）受压性能的影响,得到UHTCC的轴压应力 应变全曲线及不同类型试件的受压性能规律。结果表明：28 d龄期的圆柱体试件受压时,峰值应变约为0.015,明显高于普通混凝土峰值应变（0.002）;极限压应变为0.034,约为普通混凝土的10倍;7d龄期试件的轴压应力 应变全曲线在应力达到峰值后表现出明显的缓慢下降过程,说明此时UHTCC具有良好的压缩韧性;随着龄期的增长,UHTCC抗压强度提高,但变形能力有所下降;掺入普通高强高模PVA纤维制作的试件抗压强度较高,但变形性能低于K-ⅡREC15型PVA纤维制作的试件;龄期相同时,立方体试件的抗压强度高于圆柱体试件,说明试件尺寸与形状对抗压强度影响较大。     

超高韧性水泥基复合材料与既有混凝土黏结性能

通过共256块超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)与既有混凝土黏结而成的立方体试件的劈拉和剪切试验,研究了既有混凝土黏结面粗糙度、抗压强度、黏结面干湿状态以及UHTCC浇筑方位等因素对该2种材料黏结劈拉强度、黏结剪切强度的影响.研究表明:在相同浇筑条件下,各种因素对UHTCC与既有混凝土黏结劈拉强度和黏结剪切强度的影响...     

聚合物对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

采用苯丙乳液和环氧乳液对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)进行改性,研究二者对UHTCC力学性能、黏结强度、收缩率的影响.结果表明:对比未改性UHTCC,苯丙乳液和环氧乳液改性的UHTCC抗压强度和抗折强度均降低,但黏结强度提高,收缩率减小;苯丙乳液改性UHTCC的极限应力和早期初裂应力降低,但90d的初裂应力提高,极限应变保持不变,初裂应变增大;环氧乳液改性UHTCC的极限应力、初裂应力提高,初裂应变增大,但极限应变减小,拉伸应变硬化现象不显著.     

超高韧性水泥基材料的制备技术

分别采用活性粉末混凝土(RPC)和渗浇钢纤维混凝土(SIFCON)两种制备工艺,根据水泥基材料结构的多尺度特征,研究了由碳酸钙晶须和微钢纤维复合增强的超高韧性水泥基材料(Ultra-High-Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的制备技术,测试UHTCC不同配比的抗压强度、抗折强度、抗弯强度以及单轴拉伸性能,采用折压比、韧性指数等多个指标对UHTCC的韧性进行了评价。试验表明:UHTCC的抗压强度、抗折强度、抗弯强度以及延性和韧性都远高于普通钢纤维混凝土,其抗弯强度最高达65.1MPa、韧性指数I20最高达49.21,单轴拉伸试验时呈现明显的假应变硬化行为,极限拉应变可达4%~8%。相对而言,利用SIFCON工艺制得的水泥基材料韧性更高。     

超低温作用对超高韧性水泥基复合材料断裂性能的影响

为研究超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）在超低温环境下的断裂性能,设计了5组不同纤维掺量的UHTCC预制裂缝切口梁,在经过超低温作用后进行三点弯曲加载试验,通过分析计算UHTCC的荷载-挠度曲线,评价了超低温环境下UHTCC的断裂性能.结果表明：当纤维掺量为1.5%时,UHTCC性能的提升效果最优,当纤维掺量超过1.5%时,UHTCC的性能略有降低;超低温作用后UHTCC的强度显著提升,当处理温度由常温降至-160 ℃时,材料表现出明显的脆性,其延性指数、特征长度及失稳断裂韧度均明显降低.     

超高韧性水泥基复合材料单轴压缩疲劳性能研究

对超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）进行单轴压缩疲劳试验,研究其压缩疲劳寿命、疲劳变形特征、纤维破坏形态以及疲劳寿命方程。结果表明：在单轴压缩疲劳荷载作用下,UHTCC材料的三阶段变形特征与普通混凝土以及钢纤维混凝土类似,所不同的是,该材料在疲劳荷载作用下的变形明显大于其静载包络线,具有更优异的变形能力,在疲劳破坏时呈现更显著的延性特征;疲劳破坏后,疲劳破坏面上的纤维受到严重挤压,其形态不同于纤维初始形态以及单调荷载作用下纤维的破坏形态。UHTCC材料的压缩疲劳寿命服从威布尔分布,p-S-N双对数方程可根据威布尔参数拟合得到。该研究结果可为UHTCC材料的工程应用提供参考。     

钢筋增强超高韧性水泥基复合材料弯曲性能计算分析与试验研究

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)具有优异的抗裂和能量吸收能力,用其取代混凝土可显著提高结构的耐久性和延性。为了推广UHTCC在限裂要求严格的结构中的应用,开展了钢筋增强UHTCC受弯构件即RUHTCC梁的研究。根据RUHTCC梁受拉区UHTCC不退出工作的特点,采用弹性理论推导RUHTCC梁受弯承载力计算公式,并将计算结果与无腹筋长梁弯曲试验结果进行验证对比。结果表明:在正常使用状态下,裂缝宽度保持在0.05mm以内,满足处于高腐蚀环境下结构裂缝宽度限值要求;RUHTCC梁平截面假设成立;起裂后直至钢筋屈服,UHTCC和钢筋保持很好的变形协调性;试验结果与理论计算吻合,计算得到的延性指数偏于安全,在实际工程设计中用其来预测结构或构件的延性是合理的;与钢筋混凝土梁相比,UHTCC能够延缓钢筋屈服,提高结构或构件的承载力和延性,降低钢材用量;低配筋率有利于UHTCC材料性能的发挥。     

超高韧性水泥基复合材料加固钢筋混凝土梁弯曲控裂试验研究

按照正常配筋浇筑了9根钢筋混凝土梁,在部分混凝土梁受拉面上浇筑复合材料进行局部加固,其中1根为未加固的混凝土对比梁,5根为后浇超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)加固梁,3根为后浇UHTCC层配置纵向受力钢筋的加固梁。通过三分点受弯试验,对后浇UHTCC加固梁的破坏形态、梁体变形、裂缝发展、开裂荷载以及承载力等进行研究,并与未加固混凝土对比梁进行比较。结果表明,该加固方法能够有效提高梁的承载力和初始截面刚度,加固后仍有较好的延性,加固层限制了上层混凝土宏观裂缝的发展并实现将其无害化分散,推迟梁底有害裂缝的出现,提高了构件的正常使用极限荷载,具有良好的加固效果。试验还发现,不同的加固长度和后浇层厚度导致了不同的破坏形式;若构件在强度和刚度上有较高要求,可选择在后浇UHTCC层中布置纵筋;布置纵筋后,加固层端部集中应力随之增大,植筋可改善UHTCC和既有混凝土界面的粘结受力状态。     

高韧性水泥基复合材料拉伸和弯曲性能的相关性

高韧性水泥基复合(HTCC)材料的拉伸应力-应变关系能够反映其力学性能,而简单的线性模型无法不能准确地分析其力学性能.为更准确地分析HTCC材料的力学性能,提出可以体现其应变硬化和软化行为的四线型拉伸本构.基于该本构模型,推导出矩形截面构件的弯矩-曲率响应的理论解.利用弯矩面积法计算出三点弯曲和四点弯曲试验构件的跨中挠...     

高温后超高韧性水泥基复合材料冲击破碎#br# 分形特征分析

采用了Ф80mm的分离式Hopkinson压杆对经历不同温度（常温、200℃、400℃、500℃、600℃、800℃）后的混杂纤维UHTCC材料进行了三组冲击气压下(0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa)的动态压缩试验,收集冲击破碎后的试块进行分形特征分析。利用X-CT和SEM扫描电子显微镜对高温后试样的内部结构进行观测,从微观上解释了碎片分形特征随温度变化的原因。结果表明：UHTCC的分形维数随着冲击气压的增大而增大,耗能能力随着分形维数的增加呈指数式上升。与传统混凝土材料不同,UHTCC的分形维数随着温度的升高而降低,800℃时其分形维数接近于混凝土。UHTCC中PVA和钢纤维的协同阻裂作用改变了裂纹的发展路径,造成断裂面粗糙度增加,这可能是分形维数高于混凝土的原因;随着温度的增大,纤维桥联作用的弱化、温度裂纹的出现以及水化产物的分解导致材料断裂面粗糙度降低,分形维数逐渐接近于混凝土。     

粉煤灰对高温后UHTCC试块抗折强度的影响

对控制不同粉煤灰含量的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的高温后残余力学性能进行了实验研究,探讨了控制粉煤灰变量下高温对于其抗折强度以及质量损失率的影响,并就劣化机理进行分析。研究结果表明:粉煤灰含量对于质量损失无明显影响,而高温后粉煤灰含量对抗折强度损失有一定的影响,在200℃之前,粉煤灰含量较少组抗折强度损失率为7.5%,粉煤灰含量较多组抗折强度损失率为2.7%;400℃到600℃之间,高粉煤灰含量有效提高抗折强度;800℃后高粉煤灰含量组抗折强度损失明显,粉煤灰含量的增加可以在一定程度上提高UHTCC高温后的力学性能。     

工程用水泥基复合材料(ECC)的研究进展与工程特性

工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC)是经系统的微观力学设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料。综述ECC的特点和发展,介绍ECC的基本性能以及自密实、自愈合等其他性能。并简述ECC的工程应用,展望ECC的未来。     

超韧性水泥基复合材料圆管横向压缩吸能特性

以公路护栏吸能特性为背景,对超韧性水泥基复合材料制成的圆管试件进行抗压吸能试验,研究不同配合比下各试件的抗压强度和荷载与变形能力的关系,研究纤维掺量对试件抗压强度的影响以及变形破坏和吸能特性,选出最适合的纤维掺量与配合比。试验结果表明:合理的配合比和纤维掺量使超韧性水泥基复合材料制成的圆管具有较高的抗压强度和良好的吸能能力。     

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)弯曲韧性研究

砂浆、混凝土等水泥基复合材料易于开裂、耐久性低劣的主要原因是其抗拉强度低、韧性差。高模量聚乙烯醇（PVA）纤维的添加可以增强水泥基材料的韧性，使其呈现准应变硬化和多微缝开裂特性，从而显著改善结构的耐久性。通过四点弯曲试验研究了PVA纤维体积掺量分别为0、0.75%、1.5%的抗折强度，按照ASTM方法确定了SHCC的弯曲韧度指数，通过JCI方法得到了SHCC的弯曲韧性系数。结果表明，最大抗弯承载力和最大挠度均随纤维掺量的增加而增加。结果可由纤维增强材料的应变硬化特性来解释。同时，与数值模拟结果的比较也证实了上述结论。