PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明：(1) 试验应变率临界值为200 s⁻¹,当试验应变率大于200 s⁻¹时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。

     

一种低应变率下钢纤维混凝土本构关系

采用岩石力学试验机,开展了同一低应变率下,钢纤维体积含量分别为0%、0.75%、1.5%、3%、4.5%、6%的混凝土材料的准静态力学试验,并获得了材料的应力-应变曲线,由试验结果可知:钢纤维混凝土材料的峰值应力、峰值应变随着纤维含量的增加而提高,材料达到峰值应力后呈现应力的应变软化特征。基于试验应力-应变曲线,提出了一种合理的钢纤维混凝土准静态本构关系,通过拟合试验应力-应变曲线,获得了相应的材料参数,拟合结果表明采用该形式的本构关系方程能很好地拟合试验曲线。     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

钢纤维混凝土力学性能优化与裂纹扩展特性试验研究

为探究复掺钢纤维下混凝土力学性能和裂纹扩展特性,利用云南会泽某深部矿山现场所取的砂、石、水泥等材料制成不同钢纤维掺量的混凝土试样,通过四点弯曲、劈裂拉伸和单轴压缩等试验获取试样抗折、抗拉和抗压强度,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样破坏和表面应变演化特征,优选出钢纤维混凝土配方应用于矿山竖井衬砌支护。同时对观测图像进行形态学处理,求算裂纹长度与裂纹扩展速度。试验结果表明：相较于对照组,添加钢纤维后混凝土试样的抗拉强度提升了46%～83%、抗折强度提升了24%～39%。钢纤维混凝土配方中,三掺钢纤维配方(40kg/m³长纤维,5kg/m³中长纤维,10kg/m³短纤维)对混凝土抗拉、抗折强度提升效果最佳,对残余强度和韧性指数的提升幅度最大。随着钢纤维尺寸种类的增加,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,同时混凝土试样内部固结后形成金属网结构的孔隙度降低,混凝土试样表面剥落量和裂纹衍生数量不断减少,到达峰值荷载时试样最大主应变降低。随着钢纤维种类增加,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力(起裂应力与峰值应力比值)...     

粗集料对超高性能水泥基材料动态力学性能的影响

采用大掺量超细工业废渣取代水泥、最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加了最大粒径为10 mm的高弹高强粗集料,制备出抗压强度达200 MPa的超高性能水泥基复合材料。并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料（ultra-high performance steel fiber reinforced cementitious composites, UHPSFRCC）试件进行了高速冲击压缩实验,研究了应变率和纤维掺量对该材料抗冲击性能的影响规律及粗集料发挥的作用。结果表明,UHPSFRCC的抗冲击能力随纤维掺量的增加而增强;动态强度随应变率的提高相应地增大;动态性能因掺入用作粗集料的玄武岩碎石而得到了相应的改善。还分析了超高性能水泥基复合材料具有高动态性能的机理。     

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料,通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强,且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小,对劈裂强度动态增幅较大;(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高,两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅,但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度;(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响.利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作...     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

中应变率下钢纤维混凝土受拉全过程实验研究

在简要评述有关中应变速率下钢纤维混凝土动态力学性能的实验研究现状后,详细介绍了在Instron1342材料实验机的基础上经自行改装设计的钢纤维混凝土动态测试系统,并对实验方案、试件制作与加载及量测过程进行了阐述。利用该系统,成功完成了应变率由1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1三个数量级范围内的钢纤维混凝土受拉全过程试验(四点弯拉),得到了中应变率下钢纤维混凝土的应力、应变全过程曲线。同时,对实验结果进行了综合分析,实验结果表明:中应变率下,应变率不同时钢纤维混凝土的应力应变全曲线具有很好的相似性,而峰值应力、峰值应变与弹性模量(割线模量)随应变率的增加均有不同程度的提高。当应变速率从1.38×10-4s-1增大到0.532×10-1s-1时,SFRC的抗拉强度提高30%左右,峰值应力对应的应变提高10%左右,动态拉伸弹性模量提高20%左右。中应变率(1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1)下,当钢纤维掺量从0%增加到4%时,钢纤维混凝土的抗拉强度提高1.3倍左右。     

钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响

通过实验研究了活性粉末混凝土的基本力学性能(抗压强度、劈拉强度和抗折强度),分析了钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响,拟合得到了抗折强度与劈拉强度之间的关系表达式。在实验分析的基础上,建立了不同钢纤维体积含量活性粉末混凝土受压应力-应变全曲线的数学表达式。研究结果表明：钢纤维体积含量在1.0%～3.5% 之间时,活性粉末混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度均随着钢纤维掺量的增加而增大;当钢纤维体积含量超过3.5% 后,活性粉末混凝土抗压强度下降,劈拉强度略有提高,而抗折强度仍有明显的提高。     

粗骨料颗粒形态和体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响研究

为了研究粗骨料形状与体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响,运用离散元软件PFC3D中的刚性簇技术建立C30卵石粗骨料混凝土试件模型,通过将卵石混凝土单轴压缩数值模拟得到的应力-应变曲线与已有文献中卵石混凝土试验所得到的应力-应变曲线对比,标定出卵石混凝土中水泥砂浆间的细观参数、水泥砂浆与粗骨料薄弱接触面的细观参数。将标定出的细观参数运用到单一形状粗骨料混凝土中进行单轴压缩数值模拟研究。结果表明:在相同细观参数的情况下,椭球形骨料混凝土试件模型的应力-应变峰值大于扁球形骨料混凝土试件模型的应力-应变峰值,相较于扁球形骨料而言,椭球形骨料更接近成为混凝土的最佳粗骨料。在此基础上分析椭球形粗骨料体积分数对混凝土单轴抗压强度的影响,当椭球形粗骨料体积分数为57%时,混凝土抗压强度最高,且在第二阶段点时接触力最大值最大、裂纹数目最多,从而得出椭球形粗骨料在体积分数为57%时最佳。研究成果可为混凝土配合比设计提供理论支撑。     

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)本构关系逆向分析研究

水泥基复合材料的高脆性是导致其性能退化和结构不耐久的主要原因之一.脆性的直观表现为应力-应变曲线具有明显的软化段.添加高模量聚乙烯醇纤维的水泥基材料的韧性性能可得到显著改善,受拉破坏和受弯破坏时呈现出应变硬化和多微缝开裂特征,导致其本构关系异于普通水泥基材料.通过直拉试验可直接得到σ-ε曲线,但该试验技术上难于实现而且造价高、耗时长.四点弯曲试验易于实现但需要将力-变形曲线转换成σ-ε曲线.本文通过CONHARD软件,采用逆向分析法,模拟变形和裂缝开展,反复迭代以求得试验曲线与数值计算结果的最佳拟合.该方法以弹性宏单元模型预处理未裂区域,以多层单元模型模拟裂缝扩展区域,假定初始σ-ε曲线,通过进化运算法则进行迭代和修正,最终可获得多线性应力应变曲线.数值计算结果与试验曲线吻合较好.     

高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究

采用大尺寸SHPB装置 ,对钢纤维体积分数在 0～ 6 %的高强钢纤维混凝土进行冲击压缩试验 ,得到应变率约 10 0s-1下的应力 应变全曲线及方程 ,给出抗压强度与应变率的关系 ,讨论了钢纤维含量对冲击强度的影响。     

中、低放核废料贮存容器失效的概率评判

为了评判混杂纤维混凝土核废料贮存容器的耐久性,依据试验优选掺加聚丙烯纤维(用量为0.9kg/m3)、长度为20mm的玄武岩纤维(用量为2.5 kg/m3)的混杂纤维混凝土(抗压强度为67.8MPa,抗拉强度为6.32MPa)作为贮存容器材料.采用ANSYS分析贮存容器在300年服役期内时变衰变热-力耦合作用下,沿容器壁厚方向的应力分布规律,模拟结果表明:径向应力较小,轴向应力均为压应力,环向最大拉应力为抗拉强度的57%.运用蒙特卡洛分析法求得核废料衰变热引起的温差在容器内产生的拉应力频率均值和标准差,考虑贮存容器抗力随时间的折减,得到容器300年服役期内的失效概率曲线,结果表明:曲线呈上升趋势,150年内增加幅度平缓,150年至300年内增长速度加快,300年时失效概率达到0.176.本文研究为评判中、低放核废料贮存容器的耐久性提供了定量依据.     

沙漠砂混凝土力学性能及应力-应变本构关系试验研究

为了研究沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响,试验设计了132个试块,其中66个标准立方体试件和66个标准棱柱体试件;通过立方体抗压强度试验、劈裂拉伸强度试验、轴心抗压强度试验、弹性模量试验,研究了沙漠砂替代率从0%～100%变化时沙漠砂混凝土的基本力学性能,并提出了沙漠砂混凝土应力-应变本构方程和损伤本构方程。研究结果表明:随沙漠砂替代率的增加,沙漠砂混凝土立方体抗压强度、劈裂拉伸强度、轴心抗压强度均呈现先减小后增加再降低的趋势;弹性模量、能量耗散能力、延性性能呈现先增加后减小的趋势;其应力-应变全过程曲线的形状与普通混凝土相似,都经历了弹性、弹塑性、屈服破坏的3阶段;应力-应变本构方程和损伤本构方程的计算结果均与试验结果吻合较好。     

纤维混杂效应对混凝土弯曲韧性的改善

本文采用在C30混凝土中以不同的方式掺入玄武岩纤维与聚丙烯纤维,通过对8种单掺纤维混凝土试件和16种混杂纤维混凝土试件的弯曲性能进行试验研究,分析玄武岩纤维、聚丙烯纤维及其混杂纤维对混凝土弯曲力学特征的影响。试验结果表明,玄武岩纤维、聚丙烯纤维及玄武岩-聚丙烯混杂纤维的掺入对基体混凝土弯曲破坏时承受的最大荷载、破坏点挠度值和韧性指数均有很大的改善,其中,混杂纤维优于单掺纤维。混杂纤维对基体混凝土韧性指数提高最大达到18.1%。本文提出"纤维混杂效应函数"概念,并利用Matlab数据拟合出玄武岩-聚丙烯混杂纤维改善基体混凝土弯曲韧性的混杂效应函数。通过对混杂效应函数求极值,得到玄武岩-聚丙烯混杂纤维对基体混凝土弯曲韧性改善的最佳的体积掺加率,该值与试验数据基本一致。     

聚丙烯纤维对风积沙改性土三轴压缩特性的影响研究

为了研究聚丙烯纤维加固风积沙改性土(95%风积沙+5%水泥)的效果和机制,改善风积沙改性土的脆性破坏特性,将聚丙烯纤维以0.1%、0.2%和0.4%质量百分比掺入到风积沙改性土中,进行固结不排水三轴压缩试验。试验结果表明：风积沙改性土的应力-应变曲线具有弹塑性变形特征,应变初始阶段出现应力陡增的孔隙压密期后有完整的弹性阶段、塑性变形阶段和破坏阶段;聚丙烯纤维的掺入增加了土样的塑性变形能力,提高了残余强度,破裂面因纤维的拖拽牵引而呈现圆弧形,抑制了土样的脆性破坏,增加了其延展性;风积沙改性土的内聚力随着聚丙烯纤维含量的增大而增大,基本呈线性正相关关系,内摩擦角随着聚丙烯纤维含量的增大而减小,整体呈现负相关关系;风积沙改性土的峰值应变随着聚丙烯纤维含量的增大而增大,应力-应变曲线由应变软化转变为应变硬化型,可用双曲线进行有效拟合;同一围压下应力-应变双曲线拟合模型参数b随聚丙烯纤维的含量增大而减小,在同一聚丙烯纤维含量下,模型参数b均随围压的增大而减小。本文研究成果可为风积沙改性土的实际工程应用提供试验参考。     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.