混杂复合材料（精选9篇）
混杂复合材料 篇1
0前言
纤维混凝土由于具有较高的强度、力学性能稳定等优点[1,2,3],被广泛应用于市政、桥梁、海洋、地下、道路、水利及军事防护等工程,在我国城市化建设进程中发挥了不可替代的重要作用。然而,我国大规模的基础工程建设为其发展带来机遇的同时也带来了挑战:一方面,目前针对FRCC的研究方式较单一,对混杂FRCC断裂性能的研究较少[4,5,6,7];另一方面,随着我国大规模工程建设的不断推进,超高层、超大体积以及超大跨径等新型混凝土结构不断出现,对水泥基材料的性能和功能提出了新的、更高的要求[8,9]。此外,基于断裂力学,材料的断裂能和断裂韧度是衡量材料断裂性能的重要指标,是描述材料对裂纹扩展阻力大小的参数,它们的大小标志着材料裂纹扩展的难易程度[10]。因此,本文通过缺口梁的三点弯曲试验,研究了纤维对混杂FRCC断裂性能的影响,可为以后混杂FRCC断裂性能的研究提供一定的理论依据。
1 试验概况
1.1 原材料
水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[11]要求。
粉煤灰:南京某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,其性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[12]要求。
石英砂:中粗石英砂,细度模数为2.8,粒径为0.3~1.0mm。
减水剂:采用DC-WR2聚羧酸高性能减水剂。
纤维:SE纤维采用超细、高强SE纤维,见图1(a);合成纤维采用聚丙烯纤维(PP),见图1(b)和聚乙烯醇抗裂纤维(PVA),见图1(c)。三种纤维的物理力学参数见表1。
1.2 试验配合比
根据混杂FRCC断裂性能对比试验要求,依据高性能水泥基复合材料理论[13],本文的缺口梁三点弯曲试验设计了12组配合比,具体配合比如表2所示。其中,系列Ⅰ为参照配合比,PC为素水泥基材;系列Ⅱ用于研究纤维比例对SE-PP混杂FRCC断裂性能的影响;系列Ⅲ用于研究纤维比例对SE-PVA混杂FRCC断裂性能的影响。由于每组配合比的用水量是设计确定的,故根据拌合物的和易性调节减水剂用量。
2 断裂能及断裂韧度计算方法
2.1 断裂能计算方法
断裂能的计算方法采用DL/T 5332—2005《水工混凝土断裂试验规程》[14]规定所给公式:
式中:GF为断裂能;W0为荷载挠度全曲线的面积;m为两支座间试件的质量;δ0为挠度;Alig为梁的韧带净面积。
2.2 断裂韧度计算方法
断裂韧度采用由ASTM建议的公式[15]计算:
注:S代表SE纤维,A代表PVA纤维,P代表PP纤维,即:S1.0A0.5表示SE纤维体积率为1.0%,PVA纤维体积率为0.5%。
式中:S、h、t、a0分别为试件跨度、高度、厚度和初始缝长;Pmax为试验测得的最大荷载。
3 试验结果分析
由式(1)和式(2)可计算得出各配合比的断裂韧度与断裂能,计算结果见表3。
由表3可以看出,相对于素水泥基材,混杂FRCC的断裂能和断裂韧度均得到大幅度的提升。由此可知:纤维的掺入显著提高了水泥基材的断裂性能。这是由于裂缝前端纤维咬合区的存在增大了裂缝扩展的阻力,使混杂FRCC裂缝的扩展需要吸收更多的能量,故断裂性能得到了显著的提升。
3.1 纤维比例对混杂FRCC断裂性能的影响
(1)纤维比例对混杂FRCC断裂能的影响
图2为不同比例的SE与PP混杂FRCC的断裂能;图3为不同比例SE与PVA混杂FRCC的断裂能。
由图2和图3可以看出,在纤维总体积率为2%的条件下,混杂FRCC的断裂能随SE与PP、PVA纤维比例的提升呈抛物线趋势,且在SE纤维与两种合成纤维的混杂比例为2:1时达到峰值;此外,混杂FRCC的断裂能均小于相同纤维总体积率的SE-FRCC。由此可知,SE纤维对混杂FRCC断裂能的影响起主导作用。
(2)纤维比例对混杂FRCC断裂韧度的影响
图4为不同比例SE与PP混杂FRCC的断裂韧度;图5为不同比例SE与PVA混杂FRCC的断裂韧度。
由图4和图5可以看出,混杂FRCC的断裂韧度随SE纤维与PP纤维比例的提升呈抛物线趋势;随SE纤维与PVA纤维比例的提升在整体上呈上升趋势;在纤维总体积率相同的条件下,两种混杂FRCC的断裂韧度均小于SE-FRCC。由此可知,SE纤维对混杂FRCC断裂韧度的影响起主导作用。
3.2 纤维类型对混杂FRCC断裂性能的影响
图6为纤维总体积率为2.0%时,纤维类型对混杂FRCC断裂性能的影响。
从图6可以看出,SE-PP混杂材料的断裂韧度及断裂能在整体上均高于SE-PVA混杂材料,这表明对于混杂FRCC来说,PP纤维对材料断裂韧度及断裂能的增强效果要优于PVA纤维。这可能是因为在试件破坏过程中,PP纤维表现为界面拔出破坏,不同于被拉断的PVA纤维,因此,在基体发生破坏时,除了SE纤维的桥接作用,横跨裂缝的PP纤维在被拔出过程中,增大了裂缝开展的阻力,所以,PP纤维对混杂FRCC断裂性能的提升效果优于PVA纤维。
4 结论
(1)纤维的掺入可显著提高水泥基材的断裂能与断裂韧度;在纤维总体积率一定的条件下,SE-FRCC的断裂性能优于混杂FRCC。
(2)混杂FRCC的断裂能随SE与PP、PVA纤维比例的提升呈抛物线趋势;断裂韧度随SE与PP纤维比例的提升呈抛物线趋势,随SE与PVA纤维的提升而提升。
(3)PP纤维对混杂FRCC断裂性能的提升能力优于PVA纤维;SE纤维对混杂FRCC断裂性能的提升起主导作用。
混杂复合材料 篇2
研究了正常金属--正常金属--超导体三端介观混杂系统的电子输运特性.从系统的格林函数出发,运用非平衡格林函数方法,推导得出了任意偏压和任意温度下从正常金属和超导体流向量子点的.电流公式.
作 者：陈志高 CHEN Zhi-gao 作者单位：福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建,福州,350007刊 名：福建师范大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF FUJIAN NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：23(6)分类号：O488 O511关键词：非平衡格林函数方法 介观混杂系统 电子输运特性
混杂复合材料 篇3
纤维水泥基复合材料用钢纤维、碳纤维、PP纤维或玻璃纤维进行增强或增韧时, 通常只采用同一品种、同一尺寸的纤维, 复合材料的性能也仅在一定程度上反映所掺纤维的某些性能。而同时掺入不同品种、不同尺度优化组合的混杂纤维, 可弥补单一纤维增强的不足, 从而获得更优化的力学性能[1]。配制纤维水泥基复合材料可供选用的纤维品种很多, 碳纤维的弹性模量和抗拉强度都比钢纤维高, 较低掺量的微细碳纤维即可有效提高水泥基体的初裂强度和初裂变形[2]。很多文献对碳-钢纤维混杂水泥基复合材料采用混合定律进行过研究[3,4], 较一致的结论是直径较大的钢纤维和直径微细的碳纤维混杂, 不仅可大大减少基体的塑性收缩, 还可提高水泥基复合材料的强度和韧性。但混合定律以纤维增强树脂基材料为基础, 将其用于准脆性的水泥基复合材料并未考虑纤维在基体内裂缝引发、扩展中的作用以及纤维几何尺寸与基体结构层次的匹配性。本文采用抗拉刚度较高的微细碳纤维与钢纤维, 通过实验研究了混杂纤维水泥及复合材料的力学行为。
1 混杂纤维的增强、增韧机理
纤维水泥基复合材料的断裂破坏可分为弹性阶段、微开裂阶段和局部化阶段。纤维的增强作用可归结为纤维在各个阶段对基体内各种裂缝的抑制。基体初裂前, 其内在缺陷点在荷载作用下引发微裂缝, 但低应力阶段微裂缝仅随荷载的增加而稳定地张开, 并不发生扩展。基体通过界面的剪切将荷载传递给纤维, 此时纤维和基体作为一个整体共同承受荷载, 可在一定程度上提高水泥基复合材料的初裂强度;当基体内的微裂缝张开到临界宽度 (CTODC) 或者裂缝尖端的应力场强度满足Ktip=KIC, 裂缝将开始不稳定扩展。由于纤维对裂缝的桥接作用, 水泥基复合材料将产生应变硬化现象。在此阶段, 如果纤维足以承受基体完全开裂以后传递的荷载, 则水泥基复合材料的承载能力可持续增长。
Parimi和Rao[5]采用弹性拉伸条件下纤维拔出所消耗的断裂能来诠释纤维的增韧机理, 式 (1) 表征了纤维水泥基复合材料的断裂韧性:
式中:Gc、Gm和Gf分别为复合材料、基体以及纤维与基体脱粘的断裂韧性 (J/m2) 。
纤维与基体脱粘断裂韧性由式 (2) 给出:
式中, Ef—纤维的弹性模量, MPa;
Vf—纤维的体积分数, %;
τ—纤维与基体的粘结强度, MPa;
lf、df—分别为纤维的长度和直径, mm。
由式 (2) 可见, 在纤维体积分数和纤维几何尺寸相同的情况下, 纤维的弹性模量、粘结强度亦对基体的增韧作用有显著的影响, 弹性模量较小或界面粘结强度较大的纤维都可能改善水泥基材料的断裂韧性, 。
2 碳-钢纤维混杂水泥基复合材料的试验研究
采用长度为3mm、弹性模量为230GPa的PAN基高强微细碳纤维与中等直径钢纤维混杂配制增强砂浆, 共设计了4组不同纤维混杂比的试验方案。
2.1 试验材料与方法
采用42.5R普通硅酸盐水泥和硅粉作胶结材料。硅粉的比表面积为20m2/g, 平均粒径为0.1~0.2μm。细集料采用细度模数为2.8的中砂, 通过掺高效减水剂 (FDN) 调整拌和物的流动性。试验配合比见表1。
试件标准养护至试验龄期后, 按GB177-85的规定测试抗压强度和抗折强度, 采用三点弯曲法进行弯曲性能和断裂韧性的测试。
2.2 试验结果与讨论
2.2.1 抗压强度和抗折强度
碳-钢纤维混杂砂浆的抗压强度和抗折强度试验结果见表2。纤维混杂增强砂浆的抗压强度比基准试件提高了8.4%~18.5%。随着碳纤维的增加, 试件的抗折强度有增加的趋势, 增幅在60.1%~86.5%。
2.2.2 荷载-挠度全曲线
采用三点弯曲法获得的荷载-挠度全曲线见图1, 由图可见, 混杂纤维中钢纤维越多, 水泥基复合材料在峰值荷载以后的部分越平缓, 碳纤维所占比例越大, 则峰值荷载越高, 但随后的下降段越陡。这一结果表明, 碳纤维的增强作用非常显著, 一方面是其抗拉强度比钢纤维更大, 从而对微裂缝的衍生和扩展有更好的抑制作用;另一方面, 碳纤维表面还具有反应活性, 基体内水化离子与碳纤维表面活性官能团产生良好的结合力, 即纤维与基体界面存在物理粘结, 又存在化学键合, 使得碳纤维的界面粘结优于钢纤维。同时, 碳纤维相对钢纤维的几何尺寸小得多, 在掺量为1.5%的情况下, 单位断面上分布的纤维数量大大增加 (1万根/cm2) , 在基体微开裂阶段即可产生有效的桥接作用, 延缓微裂缝聚集、合并成局部化裂缝的过程, 因而可有效提高基体的初裂强度。图2为纤维总体积分数均为1.5%, 而碳-钢纤维混杂比不同砂浆的弯曲强度。由图可见, 随着混杂纤维中碳纤维体积分数的增加, 初裂强度和极限强度不断提高。
2.2.3 断裂韧性
钢纤维具有尺寸较大、强度中等和韧性高等特点, 可抑制基体内局部化裂缝的张开, 故复合材料可承受一定的荷载增量, 直到钢纤维承受的荷载超过其与基体的粘结强度, 纤维脱粘并逐渐拔出, 复合材料达到极限强度而进入裂缝局部化阶段。当钢纤维体积分数超过1.0%以后, 材料的力学行为存在应变硬化现象 (图1中CS0510和CS0015) 。有研究认为, 碳纤维可改变钢纤维与水泥浆体间的界面粘结韧性[6], 加大钢纤维从基体中拔出的难度, 对局部化裂缝起到更好的桥接作用, 这也是碳-钢纤维混杂可产生混杂效应的机理之一。
2.2.4 断裂能
图3为荷载-挠度全曲线计算试件的断裂能, 图3 (a) 和图3 (b) 分别为初裂阶段和挠度为2mm时材料的断裂能。由图3 (a) 可见, 随着混杂纤维中碳纤维比例的提高, 初裂荷载对应的断裂能逐渐增加。
试验结果表明, 碳纤维亦可明显提高基体裂缝局部化之前的韧性, 原因是碳纤维的抗拉强度是钢纤维的3倍, 对基体微裂缝的桥接能力更大, 使得基体难以形成局部化裂缝, 复合材料对应变能的吸收增大。在碳-钢纤维混杂水泥基复合材料中, 碳纤维在低应力时可抑制微裂缝的张开, 避免钢纤维单独增强时基体很容易形成局部化裂缝的问题, 多缝开裂模式所消耗的断裂能远大于单一裂缝模式。当局部化裂缝形成后, 碳纤维已被拔出, 而钢纤维在不断拔出的过程中与基体发生摩擦滑移, 能够消耗更大的能量。由图3 (b) 可见, 随着钢纤维掺量的增加, 2mm挠度时水泥基复合材料的断裂能逐渐提高。从式 (2) 亦可看出, 即使两种纤维几何尺寸相当, 但因钢纤维的弹性模量小于碳纤维, 更有利于提高复合材料的断裂韧性。
因此, 为提高水泥基复合材料裂缝局部化前后各阶段的断裂韧性, 可在基体中同时掺入碳纤维和钢纤维, 而且钢纤维必须达到一定的体积分数。纤维混杂水泥基复合材料的力学行为反映了两种不同品种、不同尺度的纤维的增强、增韧机理, 通过合理调整两种纤维的混杂比即可控制复合材料的力学行为, 制备出所需力学性能的水泥基复合材料。
3 结论
碳纤维能显著提高基体初裂阶段的弯曲强度和断裂韧性, 钢纤维则明显改善基体初裂后的力学行为。碳-钢纤维混杂水泥基复合材料在初裂阶段和峰值荷载之后均具有较高的强度和断裂韧性。不同品种和不同尺度的纤维在基体断裂破坏的不同阶段发挥相应的作用, 纤维混杂水泥基复合材料的力学行为反映了两种不同品种、不同尺度纤维的增强、增韧机理。
参考文献
[1]Shui Z, Stroeven P.Optimization of fracture mechanical behavior of low content hybrid fibre reinforced concrete[J], Faculty of Civil Engineering, Section of Mechanics and Structures, 1997 (9) :215-218.
[2]Cheng Y, Stroeven P, Guo Z.Steel-carbon hybrid fibre reinforced concrete[J], MCCI2000-International Symposium on modern Concrete Composites and structures, Beijing, 2000, (1) :23-30.
[3]Bentur A, Mindess S.Fibre reinforced cementitious composites[M], elsevier applied science, 1990:449.
[4]Brandt A M, and Glinicki, M.A., Flexural behaviour of concrete elements reinforced with carbon fibres[J], Proceedings of International Symposium on HPFRCC, London, 1992:288-299.
[5]Parimi S R, Rao J K.On the toughness of fiber reinforced concrete[M], Publication SP-44 ACI, 1974:79-92.
混杂复合材料 篇4
对祁连山西段香毛山组正层型及其周边地区的地质调查和岩石学、地层古生物学研究发现,原划香毛山组并非正常的.正式岩石地层单位,而是一个奥陶系蛇绿构造混杂岩带.在介绍该混杂岩的物质组成的基础上,对其构造性质进行了讨论.认为该混杂岩带是奥陶纪北祁连洋壳向北俯冲消减--镜铁山-捷达坂微陆块与东大窑-妖魔山-石灰沟岛弧带碰撞而形成的地壳缝合带.
作 者：王永和 焦养泉 李建星 WANG Yong-he JIAO Yang-quan LI Jian-xing 作者单位：王永和,WANG Yong-he(中国地质大学,湖北武汉,430074;西安地质矿产研究所,陕西西安,710054)焦养泉,JIAO Yang-quan(中国地质大学,湖北武汉,430074)
混杂复合材料 篇5
水泥混凝土是当今工程应用中的主要建筑材料,而混凝土开裂现象始终是混凝土结构建筑的一大难题[1,2,3,4]。 混凝土在1d之内的早期收缩,是开裂现象的关键[5]。 控制早期开裂是混凝土施工中保证混凝土结构安全性和耐久性的重要环节。 引起混凝土早期开裂的收缩一般有塑性收缩、化学收缩、干燥收缩和自收缩,其中起主导作用的是干燥收缩[6,7],即当混凝土停止养护, 在湿度低于100%的空气中失水而引起的体积收缩。 研究表明,在混凝土中掺入纤维是一种能够有效抗裂的手段,而钢-聚丙烯混杂纤维混凝土具有更为优越的抗裂性能[8,9,10,11,12,13,14]。 在早期干燥收缩阶段,纤维所起到的增韧阻裂作用,对于减少混凝土裂缝、提高混凝土耐久性至关重要。
本试验着重研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土在早期干燥收缩阶段的阻裂效果。 由于混凝土为水泥砂浆基体,砂浆基体的干燥收缩导致了混凝土的收缩,故可通过研究混杂纤维水泥砂浆的抗裂效果来分析混杂纤维混凝土的限裂效能。
1 试验设计
1.1 原材料
水泥:P·C 32.5 级复合硅酸盐水泥。
砂:河砂,细度模数为2.58 的优质中砂,其含水率为5%。
纤维:钢纤维和聚丙烯纤维,其形貌见图1,基本性能指标见表1。
依照CECS 38:2004 《纤维混凝土结构技术规程》[15]要求,评价纤维限裂效能所采用砂浆的水灰比为0.50,灰砂比为1∶1.5。
1.2 试件制作
按照CECS 38:2004 要求, 纤维混凝土开裂试验模具如图2 所示。 试验选取四种混杂掺量,分别为钢纤维0.5%、 聚丙烯纤维0.05%; 单掺钢纤维1%;单掺聚丙稀纤维0.1%;钢纤维1%、聚丙烯纤维0.1% ;另外加上一组素混凝土作为对比组,共五组试件,每组同配比同纤维掺量试件制作2 个,试验结果取平均值。
1.3 试验过程与评价方法
试件浇筑时,沿模具内侧边缘向试模中心方向顺时针螺旋式浇注拌合均匀的砂浆,使拌合料能自然流满充实试模。 之后,将试模置于振动台上低速振捣约15s,用平直的木条迅速刮平试件表面,再用聚乙烯薄膜覆盖。 试验环境温度采用温湿度计控制,保持空气湿度(60±5)%, 温度(20±2)℃。 试件浇筑2h后揭去薄膜,打开加速干燥用的电风扇,调整风速及位置, 控制0.5m/s的风速平行吹向试件表面,此后对裂缝开展情况进行持续观察并记录。 试件浇筑24h后,用带光源读数显微镜读取裂缝宽度值,用钢尺测量裂缝长度并记录,本试验所用显微镜最大为40 倍放大值。 若裂缝宽度大于0.1mm,读取3 个数值并取其平均值; 若缝宽在0.1mm以下,读取一个数值。 试验装置及观测方法见图3。
按公式(1)计算裂缝总面积:
式中:A为试件裂缝的名义总面积,用作对比的素混凝土基体裂缝面积值记为Am,mm2; ωi,max为第i条裂缝名义最大宽度,mm;li为第i条裂缝的长度,mm。
定义 η 为裂缝降低系数:
纤维对砂浆基体的限裂效能,按表2 划分的等级进行评定。
2 试验结果与讨论
2.1 平板干燥收缩试验结果
表3 为五组平板试件平板法干燥收缩试验结果,图4 是砂浆基体和典型纤维砂浆平板干燥收缩试验表面整体图。 试验结果表明,一定体积掺量的混杂纤维能有效抑制砂浆早期干燥收缩裂缝的产生和扩展。 掺入体积掺量0.5%的钢纤维和0.05%的聚丙稀纤维后,相比于素砂浆基体,裂缝面积减少了47.2%,限裂效能达到三级。 当纤维掺量达到钢纤维1%、聚丙烯0.1%后,裂缝面积减少了75.9%,限裂效能达到一级。 聚丙烯纤维的掺入明显使得混凝土塑性收缩裂缝宽度降低,且变裂缝形态为多发型细微裂缝。 在试验过程中观察到,加入纤维的混凝土出现第一条裂缝的时间向后延迟。 可见混杂纤维显著减少了裂缝的数量、长度、宽度及面积,具有良好的阻裂效果。
2.2 纤维掺量对裂缝总面积的影响
图5 为不同纤维掺量下裂缝总面积的分布规律图,图中Vsf代表钢纤维体积掺量,Vpf代表聚丙烯纤维体积掺量。 由图5 可知,无论是掺入单一纤维还是混杂纤维, 裂缝的总面积都大大减小。 由图5(a)可知,钢纤维体积率的增加,对裂缝总面积的减少并无显著影响。 因为单掺0.1%聚丙烯纤维的A3 组试件裂缝总面积已降至1299.1mm2( 裂缝降低系数为69.4%,限裂效能二级),接近本次试验中限裂效能最优的A4 组(裂缝降低系数为75.9%, 限裂效能一级)。 由图5(b)可以发现,当聚丙烯纤维体积率从0增至0.1%的过程中, 裂缝总面积呈现明显的降低趋势, 可见聚丙烯纤维的掺量决定了平板干燥收缩裂缝总面积的大小, 聚丙烯纤维掺量越高, 裂缝总面积越小。
2.3 纤维掺量对裂缝数量的影响
图6 为不同纤维掺量下裂缝数量的变化趋势图。分析图6(a)未发现裂缝条数随钢纤维体积变化的规律;分析图6(b)则可以发现,若排除A4 组, 裂缝条数基本随聚丙烯纤维掺量的增加而显著减少,其中裂缝数量最少的是单掺聚丙烯纤维0.1%的A3 组,共14 条。 若再掺入1.0%体积率的钢纤维(A4组), 裂缝条数反而增至26 条,接近A1 组(钢纤维0.05%,聚丙烯纤维0.5%)的29 条。 由此可见,聚丙烯纤维的增加能有效减少单位面积内的裂缝条数,而钢纤维掺量的提高则对单位面积内裂缝条数的减少并无明显积极作用,甚至有负面影响。
2.4 纤维掺量对单条裂缝平均面积的影响
干燥收缩试验中,单条裂缝平均面积体现了裂缝开裂程度的大小, 也能反映纤维阻裂效能的高低。 图7 为不同纤维掺量下裂缝平均面积的变化趋势图。 由图7 (a)可以看出,单条裂缝平均面积随钢纤维体积掺量的增加呈现出清晰明确的减小趋势,可见钢纤维掺量的增加,使得砂浆基体表面单条裂缝平均面积减小。 分析图7(b)未能发现裂缝条数随聚丙烯纤维体积变化的规律。
3 纤维阻裂机理细观分析
图8 为混杂纤维平板收缩试件裂缝表面放大图,从图8 可以看出,裂缝处有白色细丝(即聚丙烯纤维)被拉出。 在裂缝宽度较小的部位,未被拉断的聚丙烯纤维桥接裂缝,被裂缝两侧绷直。 由此可以断定,在裂缝将要产生之时,聚丙烯纤维吸收了一定的断裂能,在一定程度上阻止了裂缝的产生。 因此,当足够体积掺量的聚丙烯纤维分散于砂浆基体中时,能有效抑制裂缝的产生和裂缝的数量,从砂浆基体干燥收缩的最初阶段阻止裂缝的产生。
在裂缝宽度较大处,聚丙烯纤维被拉断或拉长至超出弹性范围,但可观测到钢纤维桥接裂缝。 由于钢纤维的高弹性模量及良好的锚固性能,可在混凝土微观范围内起到类似“加筋”的作用,对裂缝产生区域起到了结构性加强,有力地阻止了裂缝长度的延展及宽度的扩大。 因此,将钢纤维掺入到砂浆基体中能有效抑制单条裂缝平均面积的扩大,钢纤维掺量越高,抑制效果越强。
综上所述,相比于不掺纤维或单掺一种纤维的情况, 钢-聚丙烯混杂纤维水泥基复合材料对早期干燥收缩具有优越的阻裂效果,两种纤维所起的作用有所不同,在一定程度上实现了相互协作、优势互补的混杂效应。 若想从裂缝数量、长度、宽度及面积上起到全面有效的阻裂作用,掺加混杂纤维是一种优良方案。
4 结语
(1)混杂纤维对于水泥基复合材料具有良好的抗裂效果。 聚丙烯纤维体积掺量的提高能有效降低单位水泥基复合材料表面干燥收缩裂缝数量,并减小裂缝总面积;钢纤维体积掺量的增加,则能显著减小单条裂缝的平均面积。
(2)钢纤维和聚丙烯纤维混杂能产生优势互补的协同效应,可对水泥基复合材料的早期干燥收缩产生全面综合性的阻裂效果,即混杂效应。 这种效应可为实际工程中高强混凝土及建筑结构关键部位混凝土的开裂问题,提供一种有效的解决途径。
摘要：按照钢纤维0、0.5%、1.0%的体积掺量和聚丙烯纤维0、0.05%、0.1%的体积掺量进行了砂浆平板收缩抗裂试验。研究表明,当体积掺量为钢纤维0.5%、聚丙烯纤维0.05%,限裂效能为三级;当体积掺量为钢纤维1.0%、聚丙烯纤维0.1%,限裂效能最优达到一级。综合分析表明,钢-聚丙烯混杂纤维在水泥基复合材料中能产生协同阻裂效应,在基体干燥收缩过程中有显著的综合阻裂效果。
混杂复合材料 篇6
铝基复合材料具有高比强度、比模量,低的热膨胀系数, 较高的韧性和抗冲击性,以及良好的抗疲劳性能、耐高温和耐磨损性能,广泛应用于航空航天、汽车和电子等多个领域[1，2]。随着现代工业的迅速发展,其对材料的性能提出了更高的要求。现有的研究表明,铝合金中含有弥散分布的石墨颗粒时,具有优异的抗摩擦性能和低磨损率[3]。碳纳米管的杨氏模量高达5TPa,强度为钢的100倍,同时其韧性和结构稳定性很好,是理想的增强增韧纤维材料[4，5]。丁志鹏等[6]的研究表明,碳纳米管具有自润滑和增强作用,复合材料的摩擦系数和磨损率随碳纳米管体积分数的增大而减小。 为进一步提高基体的摩擦磨损性能,将增强体和减摩性的石墨粉体混杂制备铝基复合材料是一大发展趋势[7]。但目前对于石墨和CNTs混杂增强铝基复合材料摩擦磨损性能的研究较少,为此,本实验利用粉末冶金法制备铝基复合材料,并对其摩擦磨损性能进行研究。
1实验
1.1复合材料制备
采用粉末冶金法制备石墨/CNTs增强铝基复合材料。 原料粉末纯度(质量分数,%)分别为:铝粉大于99%,镁粉大于99%,硅粉大于98.5%,平均颗粒度为100~200目。碳纳米管采用的是南昌太阳纳米有限公司生产的多壁碳纳米管。石墨为粒状人造石墨,平均粒度为80μm。根据ZL101的主要成分(7%Si,0.3% ~0.45% Mg,Al为余量,质量分数)称量粉末。复合材料的成分如表1所示(w表示质量分数)。通过机械球磨的方式将各粉末和石墨、CNTs均匀混合,在液压机上将混合均匀的粉末冷压成圆柱形预制块,然后在高纯氩气保护下于800 ℃烧结,保温2h后随炉冷却至室温。复合材料试样尺寸为 Φ30mm×20mm。在HV-1000型显微维氏硬度仪上测量复合材料的显微硬度,施加载荷为0.98N,保压15s。
1.2显微组织分析
选取1#、2#、3#、5#样制成金相试样。经0.5%HF酸溶液腐蚀10s,用扫描电镜(SEM)观察复合材料的显微组织。
1.3摩擦磨损实验
摩擦磨损实验采用干摩擦、销-盘接触方式进行,实验设备为MMD-1多功能摩擦磨损试验机。销钉试样安装在夹具上并垂直于摩擦盘,尺寸为 Φ4mm×11mm。摩擦盘为45# 钢,硬度为45~50HRC,尺寸为36 mm ×8 mm×10 mm。 实验参数:载荷2N,主轴转速45r/min,摩擦时间5min。用单位滑动距离的质量损失作为磨损率(g/km)来评估复合材料的耐磨性。用精度为0.1mg的光电天平测量实验前后的质量损失。在试验机显示屏上读取摩擦力矩,再求得摩擦系数,对得到的数据取平均值作为复合材料的摩擦系数。采用扫描电镜(SEM)观察复合材料的磨损形貌。
2结果与讨论
2.1显微组织
图1为1#、2#、3#、5#试样的显微组织。
由图1(a)可以看出,未添加石墨和碳纳米管的试样晶界清晰可见、组织致密。图1(b)为仅添加石墨的试样,黑色部分为石墨,可见石墨均匀分布于晶界处,从而导致组织的致密性下降。图1(c)、(d)为同时添加石墨和碳纳米管的试样, 可以看出加入碳纳米管后显微组织出现孔洞,并且随加入量增多孔洞的数量、面积都有增大的趋势;部分碳纳米管团聚在复合材料中产生应力导致材料开裂,试样表面存在许多细小的裂纹,并且裂纹数量及大小与碳纳米管加入量成正比, 说明添加碳纳米管后组织的致密性降低。
2.2复合材料的硬度
石墨和CNTs对复合材料硬度的影响如图2所示。由于向基体材料中添加的石墨均匀分布在晶界处,使材料的致密性下降,从而导致材料的硬度有所降低。当在加入石墨的基础上再将碳纳米管作为增强相加入到合金中时,少量的碳纳米管分散在Al基体中起到增强作用,使材料的硬度升高。 随碳纳米管加入量的增多,部分碳纳米管团聚在晶界处而不能形成良好的界面结合。从图1(c)、(d)也可以看出加入碳纳米管后,材料的组织致密性下降,导致其硬度降低。
2.3摩擦磨损性能
图3为实验测得不同成分试样在2N负载下的摩擦系数。
由图3可以看出,添加石墨后复合材料的摩擦系数明显降低。从图1(b)可以看到石墨均匀分布在晶界处,在摩擦过程中被带出进而在摩擦面形成一层润滑薄膜,起到了减摩的作用,因此材料的摩擦系数降低。添加CNTs后,材料的减摩性进一步得到提高。姜金龙等[4]的实验表明,CNTs添加量小于0.5%(质量分数)时,对材料的摩擦系数影响不大,本实验的结果与其相类似。在实验过程中,由于对磨副45#钢的多次重复使用,摩擦表面变得粗糙,导致被测试样的摩擦系数升高。
复合材料的磨损率由单位滑动距离的质量损失表示,各组试样的磨损率如图4所示。1#试样硬度最高,摩擦过程中质量损失少。添加石墨后材料硬度降低,但石墨在摩擦表面形成润滑薄膜,有效地减少了质量损失。由图1(c)、(d)可以看出,添加碳纳米管降低了组织的致密性,因此在磨损过程中质量损失急剧增多。随碳纳米管量的增加,材料的磨损率有所降低但不是很明显。
图5为复合材料试样在2N负载下滑动磨损的表面形貌SEM照片。
从图5(a)可以看出,磨损表面为层片状并有明显的凹坑,这是剥层磨损和疲劳磨损的磨损形貌;剥层磨损和疲劳磨损导致磨损表面存在大量的片状磨屑。由图5(b)可见,摩擦面平整,磨屑大量减少,磨损表面有大量的犁沟,存在磨粒磨损现象。基体材料中添加石墨,材料的硬度降低,即使是少量的磨屑也能在表面留下犁沟状的划痕。在摩擦过程中处于晶界处的石墨被带出,在表面形成完整连续的润滑薄膜,提高了材料的减摩性,因此磨损率减小。从图5(c)、(d) 可以看出,磨损表面平整,犁沟状划痕减少且划痕较浅,而摩擦所产生的润滑薄膜并不完整连续,还存在明显的层片状凹坑,有剥层磨损的迹象;另外,可看出随碳纳米管添加量的增加,这种现象更加明显,这是因为碳纳米管添加到复合材料中,增强了铝基体的抗塑性变形能力,使得犁沟状的划痕更浅、更少。但是由于碳纳米管在复合材料中未能很好地均匀分散,部分团聚在晶界处,导致复合材料内部存在许多的裂纹及孔洞,所以磨损过程中出现剥层磨损的迹象。
3结论
(1)石墨能够明显降低材料的摩擦系数,在摩擦过程中形成的润滑薄膜能够降低材料的磨损率。石墨和CNTs混杂添加到复合材料中,既能够起到很好的减摩作用,又增强了铝基体抗塑性变形能力。CNTs的松装密度比石墨颗粒大,添加量超过0.1%时,难以均匀分布在复合材料中,因此产生了许多细小的裂纹及空洞,降低了材料的组织致密性, 导致复合材料的硬度减小、磨损率增大。
(2)仅添加石墨时,材料摩擦形式主要是磨粒磨损和犁沟磨损。添加CNTs后,摩擦形式由磨粒磨损变为剥层磨损,并随碳纳米管添加量增多更加明显。
(3)适量混杂添加石墨和CNTs,并使之均匀分布在铝基复合材料中,可得到组织致密、性能更优良的减摩减损材料。
摘要：采用粉末冶金法制备了石墨/碳纳米管(CNTs)增强铝基复合材料,研究了石墨和碳纳米管对复合材料摩擦磨损性能及硬度的影响,并利用扫描电子显微镜观察了复合材料的显微组织、磨损表面形貌。结果表明:仅添加石墨的复合材料摩擦系数明显降低,而磨损率、硬度有少量降低;但是将石墨和碳纳米管混杂加入到复合材料中后,材料的摩擦系数明显降低,磨损率急剧升高,且材料的硬度随碳纳米管含量增加而逐渐下降。仅添加石墨的复合材料磨损形式主要是磨粒磨损和犁沟磨损,而添加石墨和碳纳米管的复合材料主要是剥层磨损。
混杂复合材料 篇7
CNT增强基体的多尺度混杂复合材料制成的层合板, 既有优良的纤维主导力学性能, 又有好的基体主导力学性能, 适合用于受层间载荷和冲击较频繁的载荷环境, 如航空航天飞行器所处的特殊载荷环境;而在一些孔洞较多的层合结构中应用这种复合材料, 有利于提高孔洞周边的强度和疲劳寿命, 从而提高结构和连 接的安全 性。因此, 碳纤维/CNT增强基体的多尺度混杂复合材料目前已成为新材料研究领域中的前 沿热点。
1 CNT增强基体的多尺度混杂复合材料
在基体中混入CNT能够提高连续纤维增强基体的断 裂韧性、刚度和强度, 平衡基体与增强纤维之间这种力学性能的差异。基体控制的力学性能改善, 使得复合材料层 间断裂韧 性, 层间抗剪强度, 面内垂直连续纤维方向的力学性能都大为提高。然而, 由于CNT的尺寸特点, 使得CNT增强复合材料的力学性能远不及人们预想的好。
自然界中很多的生 物复合材 料亦属多 尺度混杂 复合材料, 如动物骨头, 它的成分中包含了宏观成分、微观成 分和纳观成分, 这些不同尺度成分的元素使得骨头拥有高韧性和高 刚度。受此启发, 相应的人造多尺度复合材料 (具有纳观增强相) 被提出来, 多尺度成分的存在使得其具有优良的物理及力学性能[1]。
2 国内外研究现状
2.1 CNT性能
碳纳米管 在很多方 面的性能 都明显优 于传统材 料。Treacy和Wong等[2,3]发现单壁及多 壁碳纳米 管轴向杨 氏模量高达1TP以上 (最高可达4.15TPa) , 而其拉伸强度为100~ 200GPa。Yu等[4]的研究证实碳纳米管具有很好的延展性, 在拉伸破坏之前 可达12%。Vigolo等[5]将碳纳米 管编织成 纤维, 这种纤维有非常 好的柔韧 性, 将它打成 结而不会 发生断裂。碳纳米管还具有极强的电流传输能力和导热性能[6,7,8,9]。
2.2 CNT基体复合材料
CNT基体复合材料中碳 纳米管的 存在增加 了基体微 裂纹扩展的阻力, 这得益于碳纳米管形成的桥联机制[10]。Gojny等[11]发现环氧树脂中加0.5%重量的氨基功能化双壁碳纳米管可以提高断裂 韧性43%。Yu等[12]在环氧树 脂中加入 了1%和3% 重量的多 壁碳纳米 管, 提高了断 裂韧性29% 和62%;在8.67MPa和11.56MPa的应力幅值下, 0.5% 重量多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料的弯曲疲劳寿命是环氧 树脂疲劳寿命的10.5倍和9.3倍。Zhou等[13]研究了4种重量含量 (0.1%、0.2%、0.3% 和0.4%) 的多壁碳 纳米管增 强Epon862环氧树脂复合材料的力学性能, 实验结果显示0.4% 多壁碳纳米管复合材料的杨氏模量最大, 0.3%时的强度和断裂韧性最强, 表明其力学性能并不会随着CNT含量的增加而持续提高。Fiedler等[14]研究证实氨基功能化CNT对环氧树脂的张开型断裂韧性 (KIC) 有显著增强效果, 环氧树脂中加入0.3%体积含量的氨基功能化双壁碳纳米管使得张开 型断裂韧性提高了45%。Cadek等[15]的研究表明多壁碳纳米管增强聚合物复合材料不但有好的力学性能, 且在基体中的分散较好。Zou等[16]研究了环氧树脂功能化多壁碳纳米管增强环氧树脂复合材料, 可有效提高复合材料的拉伸强度和拉伸模量。Breton等[17]围绕多壁碳纳米 管增强环 氧树脂复 合材料的 力学性能展开研究, 发现CNT重量含量为6%时的复合材料拉伸强度小于CNT含量为3%时的拉伸强度。但是, 由于CNT在基体中非连续纤维和CNT与基体之间的载荷传输效果不好, CNT增强复合材料的拉伸、压缩刚度和强度等力学性能有限。
2.3 CNT增强基体的多尺度混杂复合材料
Romhany等[18]通过双悬臂梁实验研究发现0.3%多壁碳纳米管增强基体碳纤维复合材料的张开型层间断裂韧性提高最大, 为33%。Kim等[19]在碳纤维/环氧树脂 复合材料 中加入了多壁碳纳米管, 在低温 (-150℃) 和常温两种环境温度下进行了双悬臂梁实验, 结果张开型层间断裂韧性均极大提高。Gojny[20]等首先实验确定了双壁碳纳米管对环氧树脂的杨氏模量、强度和断裂韧性的增强作用, 实验结果表明混杂复合材料的面内拉伸性能仍是由连续纤维主导, 混杂复合材料的层间剪切强度比没有加碳纳米管之前有显著提高 (约20%) , 同时混杂复合材料的导热能力和导电能力都有大幅度的提高。
CNT增强基体的多尺度 混杂复合 材料的断 裂韧性和 疲劳性能也得到了广泛关注。Grimmer等[21]在玻璃纤维复合材料的基体中加入少量多壁碳纳米管, 有效的减缓了基体裂纹的扩展, 在面内载荷下, 提高了疲劳寿命2~3倍。
Qian等[22]把碳纳米管加入连 续纤维复 合材料的 方式分为两类:把碳纳米管 均匀分散 在基体中, 增强基体 的断裂韧 性、刚度和强度, 增加复合材料层间性能;直接在连 续纤维表 面上生长碳纳米管, 以此获得连续纤维与基体之间更好的连 接和应力传递, 见图1。Hsiao等[23]把碳纳米管加入环氧树脂中用于碳纤维层合板之间的搭接, 实验测得加入5%重量碳纳米管提高了搭接接头剪切强度的45.6%。
图1 CNT 加入连续纤维复合材料的两种方式[22]
2.4 数值模拟研究
目前CNT及其复合材料的数值模拟主要有两种方法:有限元和分子动力学。Pantano等[24]用壳单元来模拟单壁碳纳米管, 多壁碳纳米管层间的范德华力用Lennard-Jones (L-J) 势来描述, 基于L-J势导出层间距和压力之间的变化关系, 再把这个力与距离的函数赋予给相应的接触单元。模拟结果和弯曲试验结果有较好的吻合, 并发现有限元网格太密或是太疏 模拟结果都会与实际结果相差较大。Shi等[25]用壳单元模拟单壁碳纳米管, 研究了单壁碳纳米管的模态共振问题。Wang等[26]利用实体壳单元来模拟双壁碳纳米管, 层间的范德华力由线性弹簧来模拟, 研究了其在轴向压缩载荷作用下的分岔 屈曲行为。但在该模型中没有考虑范德华力的非 线性效应。Ni等[27]利用分子动力学模拟研究了单壁碳纳米管的轴向压缩屈曲行为, 发现填充C60、CH4或Ne之后的碳纳米管有更好的稳定性。Gou等[28]则用分子动力学模拟研究了CNT增强聚合物复合材料中CNT与聚合物之间的界面, 通过CNT拔出模拟确定界面的载荷传输能力。
3 目前研究的不足和新的研究趋势
由上述可见, 国外学者和研究机构对CNT以及CNT增强基体的连续纤维多尺度混杂复合材料的研究较为活跃, 主要集中在力学性 能、微观结构、制 备方式和 数值模拟 研究方面。对于这种多尺度混杂复合材料的研究 还存在一 些不足: (1) CNT对基体的增强 和连续纤 维的增强 是否是线 性叠加, 还是存在非线性效应, 现在还不清楚; (2) CNT对这种多尺度混杂复合材料的增强机制还没有确定, 如CNT对碳纤维是否有影响, CNT对碳纤维与基 体之间界 面是否存 在影响, 如果这些影响存在, 影响方式是怎样的; (3) 在数值研究方面, 只有一些CNT及CNT增强基体复合材料的力学性能和CNT与基体之间界面的研 究, 还没有连 续纤维/CNT增强基体 多尺度混杂复合材料的数值研究。
上述问题属多尺度力学问题, 涉及纳观 (CNT) 、微观 (碳纤维) 和宏观的力学性能, 以及它们之间的关联。因 此, 要深入掌握CNT增强基体的多尺度混杂复合材料的相关特点, 进而使其优异的性能能够应用到实际工程中, 首先要解决下面两个关键问题:第一, 必须通过大量实验表征连续纤 维/CNT增强多尺度混杂复合材料的断裂韧性和强度, 量化CNT对传统复合材料的增强效果;第二, 必须阐明CNT对该多尺度混杂复合材料的增强机制, 包括:CNT对基体的增强方式, CNT对增强纤维的影响及影响方式, CNT对增强纤维与基体之间界面的影响及影响方式。
在解决上述关键问题时, 采用试验研究和数 值分析相 结合的办法能够取得较好的效果。如在研究碳纤维/CNT增强环氧树脂多尺度混杂复合材料的增强机制时, 可首先通过光学显微镜、扫描电子显微 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 对试验件及其断口进行微观图像观察, 分析和研究CNT的存在对碳纤维和试件断口的影响, 以及CNT对碳纤维与环氧树脂之间界面的影响;然后, 以试验件及其断口微观图像分析的结果为依据建立有限元模型, 通过应力及失效分析, 进一步深入CNT增强机制的研究。然 后建立多 尺度混杂 复合材料 的有限元单胞模型:通过原子尺度的有限元模拟确定CNT对环氧树脂基体性能的增强, 再建立微观尺度的碳纤维/环氧树脂复合材料模型, 此时树脂的力学性能就是CNT增强之后的力学性能。建立该多尺度混杂复合材料的有限元模型 后, 可进一步用于对其性能的预测。
4 结论
在宏观工程应用中, 把碳纳米管加入基体中 可以增强 基体的力学性能, 而CNT在基体中非连续纤维和CNT与基体之间的载荷传递效 果不好。CNT增强基体 的连续纤 维多尺度混杂复合材料能够有效的解决该问题, 并能改善传统连续纤维复合材料的基体主导力学性能较弱的缺点。
针对现有研究在CNT对连续纤维多尺度混杂复合材料 力学性能改善机理方面存在的空缺, 提出了两个关键问题和相应的研究方法, 以期这种新材料能更快的应用于宏观工程领域。
摘要：碳纳米管 (Carbon Nanotube, CNT) 具有非常优异的刚度和强度。CNT增强基体的传统连续纤维多尺度混杂复合材料既具有优良的纤维主导力学性能又有好的基体主导力学性能, 具有广泛的应用前景。综述了国内外在碳纳米管增强基体的多尺度混杂复合材料力学性能, 制备和数值模拟等方面的最新研究进展。提出了进一步研究需要解决的两个关键问题: (1) 量化CNT对传统复合材料的增强效果; (2) 阐明CNT对多尺度混杂复合材料的增强机制, 并提出了相应的研究手段。
混杂复合材料 篇8
20世纪初期, 人们开始了单一纤维混凝土疲劳性能的研究。其中钢纤维自身强度高、分散性好, 聚丙烯纤维自身化学性质稳定、质轻且分散性好, 所以这两种纤维在众多纤维材料中脱颖而出。但随着技术的发展, 人们逐渐意识到单一纤维其对混凝土的增强增韧作用较为局限, 并且纤维本身也会存在一些缺点, 不可避免地对混凝土的力学性能造成一定影响。于是有学者开始考虑将多种材料的纤维同时与混凝土混合, 让不同材料的纤维发挥各自的性能优势, 相互补充, 从而更好地提高混凝土的性能。由于混杂纤维起源较晚, 发展时间短, 所以关于混杂纤维混凝土的性能特点以及混杂纤维的作用机理的了解还是比较局限。同时, 混杂纤维对混凝土疲劳性能的研究很少, 关于混杂纤维提高混凝土疲劳性能的作用机理知之甚微。目前已有的关于碳纤维和聚丙烯混凝土疲劳性能的相关研究报告中, 也得出了一系列关于纤维增强混凝土疲劳性能的结论, 但在关于不同纤维掺量、掺杂比和混杂纤维混凝土应力水平及疲劳寿命间的具体关系等方面的仍未得出具有较强理论性的结论。
1 试验概况
1.1 试验相关简介
本论文试验按照《钢纤维混凝土试验方法》 (CECS38:89) 等现行法规规范进行科学试验。试验试件在标准条件下养护28d之后开始弯曲疲劳性能研究。
根据混凝土结构相关知识, 对试件的疲劳试验进行理论分析, 常用的有正态分布理论和威布尔分布理论。按照正态分布理论, 只有当对数安全寿命趋近于无穷大时, 可靠度才等于100%。因此, 正态分布理论只适用于中、短寿命区的情况。
1.2 试件设计
实验中采用的梁的尺寸为1200mm×180mm×280mm, 共3根。素混凝土的配制材料为普通硅酸盐水泥52.5级, I级粉煤灰, 石英斑岩石, 萘系高效减水剂FDN。采用的钢纤维是武汉汉森钢纤维有限公司生产的SFB-32钢纤维, 长径比57, 抗拉强度>600MPa;采用的聚丙烯纤维是香港恒律发展有限公司提供的美国杜拉牌聚丙烯纤维。
1.3 实验方案
实验选取采用四点弯曲疲劳实验, 支座位置及加载位置如图1所示。用疲劳试验机按正弦波形式对试件施加荷载。在梁的侧面跨中位置、底部跨中位置以及距底部跨中200mm处贴上应变片;在梁的顶部跨中位置以及底部距跨中200mm的放置位移计, 以方便观察梁受荷载后各个部位的应力、应变及挠度。测出疲劳寿命, 并且通过读取应变仪和位移计的数据计算指定位置的全过程应力、应变曲线和梁跨中挠度, 建立弹性模量E与荷载循环次数n的关系。通过细致的观察了解混凝土梁的裂缝及断裂情况。试验设3组, 每组1根梁, 以不同的钢纤维和聚丙烯纤维的配比加以区分。通过对3组试验试件的抗疲劳性能的比较, 得出最终结论。每组实验试件均一1次浇筑成型, 在标准条件下养护到28d规定龄期后分别进行弯曲疲劳试验。
2 试验步骤
2.1 浇筑混凝土梁
按照不同的钢纤维和聚丙烯纤维的配比浇筑混凝土, 在标准养护条件下养护28d。
2.2 检查试件
在试验前一天取出试件, 检查试件表面, 不得有超过试验规范的孔洞存在。用记号笔标出支撑点、加载点以及贴应变片的位置, 置于标准试验条件下晾干。
2.3 贴应变片
打磨试件, 清理过后用酒精清洗, 用AB胶找平, 做好贴应变片的前期准备。然后用502将应变片均匀贴好, 并在上面覆盖一层白乳胶以起到保护应变片的作用, 待胶水凝结后接好细线。
2.4 按照四点弯曲疲劳试验方案放置混凝土梁
接好应变仪并且将位移计放置妥当, 试件必须放稳对中后再开动试验机。
2.5 对试件连续、均匀地加载循环荷载
在一切正常情况下观察并记录数据。
3 试验现象
试件按照试验设计要求放稳对中后, 缓慢开动试验机, 当压头刚好接触试件时停止, 再次检测试件是否放置平稳。上述工作准备就绪之后, 预加荷载, 使位移计显示正常之后, 按照指定频率开动机器, 对试件进行加载。位移计的指针左右摆动, 随着时间的增长, 摆幅中心在渐渐的增大。同时应变仪上显示的数值也在一定的范围内变化, 最大值慢慢的增大。前7h试件表面没有明显的变化, 7h之后, 试件底面即最大拉应力面开始出现微小裂纹, 且慢慢增大。试验进行到第8h, 试件出现断裂, 发出明显的断裂声, 试验结束。
4 材料弯曲疲劳性能试验结果与分析
本次混杂纤维混凝土弯曲疲劳试验过程中, 每隔1h停止试验来记录各仪器读数。由于弯曲疲劳荷载的频率固定, 故荷载循环次数n与加载时间t成正比, 故试件测点挠度随循环次数n及应变随循环次数n的变化曲线均可用挠度随加载时间的变化曲线及应变随加载时间的变化曲线来代替且二者反应的变化规律相同。
现以1号试件和3号试件为例, 给出3个挠度测点数据及7个应变测点数据随加载时间变化曲线如图2~图5所示。
5结语
由图2可以看出, 随着循环加载次数n的增加, 混杂纤维混凝土试件各测点的挠度值呈波动增加的趋势。并且3个测点中中间测点的挠度值在开始挠度较小时, 由于与左右两测点的水平间距较小 (200mm) 导致与左右两测点的挠度值相差不大;随着加载时间的增加, 试件内部由于产生疲劳损伤以及微裂缝等导致试件整体的抗弯强度下降, 在循环荷载大小不变时导致各测点的挠度值逐渐增大。并且由数据可以看出时间中部即测点2对应的位置挠度值增加较快, 导致其与左右两测点的挠度值相差更为明显。此外, 对称分布的1、3测点同一次的挠度测量结果相差较小, 说明了测点位置选择及测量结果的准确性。
从1号试件和3号试件各测点挠度随加载时间变化曲线可以看出, 在加载时间小于试件的疲劳寿命时, 整体上各点挠度值均呈增加趋势, 但并不是一直稳定增加而是增加一段时间后便稳定下来几乎不变, 稳定一段时间后再显著增加然后再稳定不变。即存在多次的应变硬化阶段。经分析可知, 在循环荷载加载过程中, 随着加载次数的增加, 试件内部应力较大的部位由于疲劳破坏导致骨料与水泥之间、纤维与骨料之间、纤维与水泥之间等连接薄弱位置出现破碎或者裂缝, 导致试件整体上的抗弯强度下降, 故挠度值逐渐增加。一段时间后由于试件内部骨料和纤维位置的调整和进一步的相互作用, 使得试件整体的抗弯强度达到新的平衡并逐渐稳定, 表现为这一阶段的测点挠度值不随加载时间的增加而变化。当新的平衡不足以继续抵抗荷载时便又出现挠度值增加直至下一阶段的稳定平衡或者破坏。
与普通混凝土试件对比可以看出, 由于混杂纤维混凝土内部纤维广泛的分布及与水泥之间较为牢固的粘结作用, 使得混杂纤维混凝土材料的疲劳寿命与普通混凝土相比显著增加, 且混杂纤维混凝土的疲劳破坏过程更加平稳, 应变变化趋势更为稳定, 不会出现像普通混凝土材料那样挠度或者应变突然发生急剧变化。即混杂纤维混凝土由于纤维的存在, 延缓了材料内部微裂缝的出现和贯通, 增强了材料的整体性, 使得材料的疲劳寿命大大幅度提高。
参考文献
[1]易成, 沈世钊, 谢和平.局部高密度钢纤维混凝土弯曲疲劳损伤演变规律[J].工程力学, 2002 (05) .
[2]张新越, 欧进萍.CFRP筋的疲劳性能[J].材料研究学报, 2006 (06) .
[3]薛伟辰, 钱卫.部分预应力CFR筋混凝土梁疲劳性能研究[J].中国公路学报, 2008 (02) .
[4]钟铭王, 海龙, 刘仲波, 等.钢筋高强混凝土梁静力和疲劳性能试验研究[J].建筑结构学报, 2005.26 (2) .
[5]方和江, 李新.混杂纤维混凝土疲劳试验研究[J].建材世界, 2010, 31 (6) .
混杂:杭州运河旅游集散中心 篇9
混杂作为遗传学概念可以追溯到亚里士多德及他们关于自发的动物杂交所形成新的动物种类的猜想。“混杂建筑，从某种意义上讲，也像植物和动物一样被杂交，将不同的建筑功能、不同的使用用途加以混合的适应城市肌理的建筑物”。
城市是复杂的，所以从某种意义上讲，地块的城市设计也可以像植物和动物一样被杂交，将不同时代的建筑、不同的使用用途加以混合的城市，是一种设计操作的产物。正如各种各样的、形状各异的例子所显示的，城市的混杂有无限多种可以交换搭配的组合。对其分类应审视形式、功能、技术、城市背景以及社会与在各个部分之间建立起一种协调平衡的复杂关系。
混杂“网格、母题”
双网格：景观网格、肌理网格。
在场地中大部分沿用原大河造船厂的建筑尺度和肌理走向，形成正交向水的长条形网格。同时，根据和场地形成-45度夹角方向的半山景区轴线和形成+45度夹角的洋关视线，设计与原有场地肌理扭转45度的景观网格。新时代网格叠加于历史网格之上遵循了历史发展新陈代谢的一般规律，记录了该地块功能特点和使用性质的变迁。
双母题：院落、街道。
建筑在空间上围合成院落组织活动。在城市的空间节点处形成半围合院落。在滨水核心区域的双层步行系统中形成虚实两种组团。街道不仅能体现出城市的文化和肌理，也能造就良好的视廊并将城市和运河完全地连通成一气。
混杂“四种时代风格”
场地中从南到北设计近代以来杭州运河两岸经历的四种时代建筑风味。
民国岛：保留场地最南端原有民国老建筑并加以利用，形成以民国风格建筑为主的酒吧娱乐岛，同时沿分流河道设计沿水民国风格建筑，呼应运河一期高家花园等民国建筑群。
大河建筑群：设计通过多角度的评估系统对场地内的工业遗产进行不同程度的改造利用，对建国后造船产业建筑类型给予保护和城市记忆的延续。
现代购物休闲区：随着该地块性质从原有的工业区向旅游商业区的转换，富有时代感的新功能建筑开始充斥场地，将历史建筑元素组织起来。
新时代生态集散中心区：节能环保的生态建筑是未来建筑必然的发展趋势，保持集散中心建筑的长久不衰。
业态研究推论:
由此得出南地块城市设计适宜引进业态:休闲性旅游、娱乐休闲、购物餐饮、时尚店铺、文化展示、创意产业、女装。
创意产业发展规模:建筑面积34695平方米
本地块包含食、住、行、购、旅、娱、文化、创意产业八大功能。其中永久功能相对固定, 其余功能按照市场规律和需求自由混杂分散在场地各处, 以此全面提高场地活力, 适应不同人群不同时间的活动需求, 避免产生活动盲区, 并为在运河上游览的人群创造丰富的业态景观。
优势:自由混杂、自然生长、抑制盲区。
混杂“八种功能”
八种功能：产业、旅游、住宿、商业、餐饮、文化、娱乐、交通。
针对没有功能任务书的现状，我们通过相关类型的纵、横向比较，对场地做了针对性策划。在功能设置上，设计采用“混杂”的模式，形成全地块在功能上的特色。通过对场地功能的混杂，使得有着不同使用时间段、不同使用者的功能在平面、空间上相互交错，力求实现场地全天昼夜人气不断，形成在同一个功能聚集区有着不同类型的人的参与，打破传统功能分区人员成分单一的缺点。
混杂城市本质上与建筑的不同时期、风格、甚至文化的混杂元素息息相关，所以，无可置疑，混杂城市是过往一切元素积累沉淀的产物。