掺粉煤灰PVA纤维增强水泥基复合材料的试验研究

研究了粉煤灰掺量对PVA纤维增强水泥基复合材料(ECC)的新拌性能、弯曲性能、抗压抗折强度、开裂模式及微观结构的影响.结果表明:随着粉煤灰掺量的增加,水泥净浆的屈服剪切应力和塑性黏度不断降低,ECC的流动度增加.ECC的初始开裂荷载降低、抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,ECC的平均裂缝宽度变小.在满足抗压强度的前提下,适当增加粉煤灰掺量有助于提高ECC的韧性和延性.     

纤维编织网增强混凝土的研究进展及应用

纤维编织网增强混凝土(TRC)是一种新型的纤维增强水泥基复合材料,它是纤维编织网与精细混凝土的结合。系统介绍纤维编织网与精细混凝土的界面性能、TRC基本力学性能和耐久性能、TRC用于结构加固修复的特点和TRC加固板、梁、柱等构件的力学性能、纤维编织网联合钢筋增强混凝土的抗弯性能及TRC在工程实际中的应用。最后,结合国内外的研究现状提出该研究领域中有待进一步研究的问题。     

ECC增强混凝土构件研究综述

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。研究表明,ECC具有应变-硬化特性,在力学、安全方面具有优于普通纤维增强混凝土的特殊性能。ECC受拉破坏时的极限拉应变是普通混凝土的近500倍,具有极强的韧性并对裂缝起到了一定的控制作用,可以极大地提高结构的安全性和耐久性。经四点弯曲试验,研究人员得出ECC极限挠度高达普通混凝土的40倍。此外,ECC材料的抗冻融循环和抗收缩性能也十分优异。这些突出的力学性能使得近年来该材料在实际工程设计和施工中得到了越来越广泛的运用。     

纤维编织网增强细粒混凝土的抗弯计算理论分析

纤维编织网增强混凝土(TRC)结构是一种新型的结构形式,具有承载能力高、韧性强,构件尺寸小、重量轻,防磁化、施工简单等多种优点,以细粒混凝土作为纤维编织网增强混凝土基体,能增强混凝土与纤维网的粘结性,提高纤维编织网混凝土的性能。本文在介绍纤维编织网增强混凝土的基础上,对纤维编织网增强细粒混凝土的抗弯计算理论进行了分析,并采用四点弯曲试验,利用微机控制液压伺服试验机,通过分级加载,验证了公式的合理性。     

PVA-ECC的弯曲韧性方板法试验研究

主要研究了PVA纤维体积掺量对纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)弯曲韧性的影响,对PVC纤维体积掺量分别为0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的PVA-ECC试件的抗压强度和方板法弯曲性能等进行试验研究,分析了PVA纤维在ECC中的作用机理,并对PVA-ECC方板进行能量评价。结果表明:PVA纤维体积掺量的改变对ECC材料的抗压强度影响甚微,PVA纤维体积掺量的增加对方板法弯曲韧性试验中ECC试件的初裂荷载影响不大,但峰值荷载有明显的提高,跨中挠度增加明显且裂缝宽度减小;PVA-ECC方板弯曲韧性随PVA纤维体积掺量增大而提高且体积掺量为2.0%时增韧的效果最佳。     

纤维编织网增强混凝土薄板力学性能的研究

为探讨纤维编织网对混凝土裂缝扩展行为的限制机理,进行了纤维粗纱从混凝土中拔出的粘结试验和纤维编织网增强混凝土(TRC)单向板的四点弯曲试验。结果表明:对纤维编织网环氧树脂浸渍并在表面粘砂,施加和提升预应力都能改善纤维和混凝土的粘结,使TRC的裂缝更加细密均匀;提高配网率同样能使裂缝细密均匀。预应力还可提高TRC板的开裂荷载和极限荷载。基于平截面假定,本文对TRC板的开裂荷载和弯曲极限承载力进行了计算分析,结果与试验比较吻合。     

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。     

钢筋超高韧性水泥基复合材料梁正截面破坏的仿真分析

超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简称ECC)具有较高的拉伸应变和抵抗开裂的能力,用其取代混凝土可以提高结构的延性和抗裂性能。基于ANSYS平台数值模拟了钢筋超高韧性水泥基复合材料梁和钢筋混凝土梁的正截面破坏过程,比较了两者模拟结果,研究了钢筋超高韧性水泥基复合材料梁的弯曲性能。结果表明,钢筋超高韧性水泥基复合材料梁的正截面破坏过程与钢筋混凝土梁相似,承载力和抵抗开裂的能力有所提高。     

采用超高韧性水泥基复合材料提高钢筋混凝土梁弯曲抗裂性能研究(I):基本理论

随机分布短纤维增强的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是近年来基于微观力学发展的一种高性能水泥基材料。通过纤维的桥联与应力传递作用,拉应力应变曲线体现了伪应变硬化特征,实现了多重微细裂纹的稳态开裂,具有非常显著的非线性变形、优良的韧性和高的裂缝抵制能力,使传统水泥基材料的脆性破坏模式转变为韧性破坏模式。为了控制裂缝的宽度,提高恶劣环境下钢筋混凝土结构的耐久性,获得高的UHTCC性能/成本比,使用UHTCC替代钢筋混凝土梁受拉区的部分混凝土,分析UHTCC增强RC适筋梁的受弯性能,推导计算整个受力过程不同阶段梁的承载能力、M-φ关系以及衡量梁延性指数的解析计算公式。最后通过与试验结果的比较,验证公式的合理性。     

尾矿砂PVA水泥基复合材料弯曲韧性研究

针对项目组研发的环保型尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料,通过薄板四点弯曲试验开展了该水泥基复合材料的弯曲韧性研究,获得了弯曲荷载-挠度位移以及韧性指数。研究了水胶比和PVA纤维掺量等因素对该复合材料韧性性能的影响。研究表明,该尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料具有较好的韧性,有很好的应用前景。     

织物增强混凝土的纤维协同等代效应对约束混凝土的影响分析

通过ABAQUS对织物增强混凝土拉伸性能及其永久模壳加固混凝土柱的轴压性能进行了数值分析,在材料层面研究了短纤维掺量、纤维织物层数对水泥基复合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)拉伸性能的影响; 在结构层面研究织物增强超高性能混凝土模壳对不同强度核心区混凝土的约束效率及纤维织物和短纤维间的替代关系。结果表明:织物合理的替代部分短纤维能够进一步提升材料的拉伸性能,对于适宜的短纤维掺量会使纤维分散程度更好,获得更高的开裂强度,与织物取得更好的协同效应,同时织物的存在显著提升了基体的应变硬化,带来了更高的极限强度,并明显改善了UHPC的延性; 材料性能的提升随之反映在结构方面性能的提升,随着纤维织物层数的增加,模壳能明显提升加固柱的承载力和延性; 相同条件下模壳对高强度混凝土的约束提升效率降低,对于该研究模型,2层碳纤维增强复合材料(CFRP)织物能够充分取代5%体积含量的钢纤维,并在加固普通混凝土柱时取得更优异的性能。     

PVA纤维增强应变硬化水泥基材料韧性性能研究

水泥基材料抗拉强度低、韧性差是其易于开裂、导致结构耐久性低劣的主要原因之一。高模量聚乙烯醇(PVA)纤维可增强水泥基材料韧性,使其呈现准应变硬化和多缝开裂特征,从而改善结构耐久性。本文通过四点弯曲试验得出了不同加载速率和不同配比应变硬化水泥基复合材料(PVA-SHCC)的力-变形曲线并用CONSOFT软件计算断裂能。结果表明,硅灰使材料的抗压强度有所提高,但最大抗弯承载力和变形下降,断裂能随之降低;甲基纤维素使PVA-SHCC脆性增大;随着加载速率的降低,材料表现出更好的应变硬化性能,微裂缝条数增多。     

超高韧性水泥基复合材料控裂钢筋混凝土复合梁正截面承载力计算

采用拉应变可达3%～5%、极限受拉破坏时平均裂缝间距和平均裂缝宽度仅为1～2mm和60～100μm的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)替换普通钢筋混凝土梁受拉区的部分混凝土材料,可提高结构的耐久性。针对该类UHTCC/RC复合梁,在假定UHTCC和混凝土之间界面粘结很好和平截面假设成立的前提下,根据平衡方程给出了其整个受力过程中考虑UHTCC起裂后拉应力增加部分影响的弯曲承载力理论解析公式,结合所完成的12个UHTCC/RC复合梁弯曲试验结果,进行了对比。结果表明,理论解析公式和UHTCC按理想弹塑性受拉模型推导的理论简化公式计算值比较接近,最大误差不超过10%。本文提出的正截面承载力计算方法可为该类复合梁的承载力设计提供参考。     

纤维编织网增强细粒混凝土加固RC受弯构件的正截面承载性能研究

采用纤维编织网增强混凝土(TRC)这种新型材料对结构进行修补加固不仅可以改善结构的性能,而且可以几乎不增加结构的截面尺寸。但由于纤维材料的脆性特征,在达到其极限抗拉强度时会发生拉断破坏,这对于结构来说是不安全的。为此,取单筋矩形梁研究,针对不同的纤维编织网的用量给出增强梁的两种界限破坏状态,并给出这两种状态分别对应的配网率与钢筋配筋率之间的关系。然后,基于平截面假定,给出TRC增强受弯构件在三种破坏形态下正截面极限承载能力的计算方法,包括一次受力和二次受力的情况。最后,结合试验数据说明第一种破坏模式的不利性,且采用该方法得到的承载力计算值与试验结果吻合得较好。     

PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料梁柱节点抗震性能试验研究

为抑制地震荷载作用下梁柱节点剪切裂缝的形成和梁纵向钢筋的滑移,提高梁柱节点抗震性能,采用PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料替代普通混凝土是可选措施之一。设计8个梁柱节点试件,其中6个试件采用PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料,2个对比试件分别采用单掺PVA纤维增强水泥基复合材料与普通混凝土,进行拟静力试验以研究混杂纤维的掺加对梁柱节点抗震性能的影响。通过改变纤维掺量,在循环往复荷载作用下,观测试件裂缝开展及破坏过程,研究其滞回性能、骨架曲线、延性性能及耗能能力。试验结果表明：纤维的掺加可有效抑制梁柱节点剪切裂缝的形成与发展,显著提高梁柱节点的承载能力、延性及耗能能力;混杂纤维增强水泥基复合材料梁柱节点在峰值荷载前后的抗震性能均优于单掺PVA纤维增强水泥基复合材料梁柱节点。     

Experimental study on flexural behavior of ECC/RC composite beams with U-shaped ECC permanent formwork

To enhance the durability of a reinforced concrete structure, engineered cementitious composite (ECC), which exhibits high tensile ductility and good crack control ability, is considered a promising alternative to conventional concrete. However, broad application of ECC is hindered by its high cost. This paper presents a new means to address this issue by introducing a composite beam with a U-shaped ECC permanent formwork and infill concrete. The flexural performance of the ECC/RC composite beam has been investigated experimentally with eight specimens. According to the test results, the failure of a composite beam with a U-shaped ECC formwork is initiated by the crushing of compressive concrete rather than debonding, even if the surface between the ECC and the concrete is smooth as-finished. Under the same reinforcement configurations, ECC/RC composite beams exhibit increases in flexural performance in terms of ductility, load-carrying capacity, and damage tolerance compared with the counterpart ordinary RC beam. Furthermore, a theoretical model based on the strip method is proposed to predict the moment-curvature responses of ECC/RC composite beams, and a simplified method based on the equivalent rectangular stress distribution approach has also evolved. The theoretical results are found to be in good agreement with the test data.     

高延性水泥基复合材料高温作用后的拉伸性能

高温是高延性水泥基复合材料(ECC)在服役过程中可能面临的最不利工况之一,对比研究了聚乙烯醇纤维增强ECC(PVA-ECC)与钢纤维/聚乙烯醇纤维混杂增强ECC(HyECC)在常温以及200℃、400℃、600℃高温作用后的拉伸性能。研究发现,常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-ECC的拉伸应变硬化能力。高温对PVA-ECC和HyECC的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用,高温作用后均已不具备拉伸应变硬化能力;PVA-ECC的拉伸强度与拉伸韧性随温度呈指数型衰减,钢纤维可以减缓HyECC拉伸强度与拉伸韧性的衰减速率;高温作用改变了PVA-ECC和HyECC的微观结构,PVA纤维在200℃时的软化以及400℃后的分解是2种ECC材料拉伸性能高温劣化的主要原因。     

高耐久性的聚合物纤维混凝土的性能及应用

纤维混凝土（FRC）对混凝土结构的耐久性有明显加强的作用,可以通过延长建筑物的使用寿命,节约建筑物维护和维修的费用．探讨一种新型的聚合物合成纤维水泥基复合材料ECC的工作性能和应用现状．大量研究表明PVA纤维混凝土可以通过牺牲部分抗压强度来提高材料抗裂性能．因此,如果在工程施工中,梁、板等受拉构件或者混凝土钢筋保护层等需要进行耐久性设计的构件使用ECC材料,会取得显著的抗裂性能,提高混凝土构件的耐久性,而以抗压强度起主要作用的抗压构件则建议谨慎使用．     

碳纤维布粘贴加固BFRP筋-ECC-混凝土组合梁受弯性能研究

工程结构服役期间经常由于使用功能改变或使用荷载增加而需要对结构进行加固改造。为研究经碳纤维布粘贴加固后的玄武岩纤维增强塑料（BFRP）筋-工程用水泥基复合材料（ECC）-混凝土组合梁的受弯性能,对3组共12根不同ECC高度替换率（0、0.29和0.58）的BFRP筋-ECC-混凝土组合梁底分别粘贴1、2和3层碳纤维布的加固构件及未加固构件进行静力受弯性能试验。研究碳纤维布粘贴层数和ECC高度替换率对组合梁受弯承载力和破坏形态的影响。试验结果表明：采用受拉性能优异的ECC替代受拉区部分混凝土形成的ECC-混凝土组合梁不仅可提高构件承载力,还可有效改善构件抵抗开裂和变形的能力;组合梁底粘贴3层碳纤维布,裂缝宽度可降至未加固试件的10%,受弯承载力提高20%,挠度降低50%。借鉴钢筋混凝土理论,基于合理的基本假定和简化的材料本构模型,提出粘贴碳纤维布加固的组合梁受弯承载力计算式,并给出碳纤维布强度折减系数,理论预测值与试验实测值吻合良好。     

复合配筋增强工程水泥基复合材料梁受弯性能试验研究

为了研究不同筋材增强工程水泥基复合材料（ECC）受弯构件的力学性能,设计并制作6个几何尺寸相同的试验梁,包括形状记忆合金（SMA）增强ECC（SMA-ECC）梁、GFRP增强ECC（GFRP-ECC）梁、钢绞线增强ECC（SS-ECC）梁、SMA/GFRP增强ECC（SMA/GFRP-ECC）梁、钢筋增强ECC（R-ECC）梁和普通钢筋混凝土（RC）对比梁。通过低周单向循环加载试验,研究相同加载条件下相同配筋率的各试验梁的破坏过程、承载能力、耗能能力、位移延性、残余变形和自复位性能,考察SMA/GFRP-ECC梁的力学性能。结果表明：与普通钢筋混凝土梁相比,复合配筋增强ECC梁在加载过程中呈现出明显的多缝开裂特征,具有更好的延性;与采用其他筋材的复合配筋增强ECC梁相比,SMA/GFRP可以使梁兼具大承载力、高耗能以及自复位能力;SMA/GFRP-ECC梁具有较高承载力、延性以及损伤自修复、位移自复位能力。