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关键词： 强度特征   弹塑性   本构特征   弹性变形  

摘要： 本文以陕蒙交界处神东矿区广泛分布的落叶灌木紫穗槐为研究对象,研究其1-5mm径级范围内直根及含侧根分支处根段分别在轴向荷载、径向荷载下的强度特征、弹塑性特征、本构变形特征及弹性变形特征,并明确紫穗槐试验根的易损部位、易损荷载类型。本试验将阐明紫穗单根材料力学性质,充实植物根系固土力学机制研究,为神东矿区及北方土地塌陷区植被中植物种的选择提供理论依据,研究结果如下:(1)十年生紫穗槐根系中,1-5mm径级范围内根系表面比达到53.61%,占比远大于极细根(<1mm)及极粗根(>5mm),根土作用最为明显,根段的力学性质对根土界面力学性质的影响最大。(2)分别承受轴向、径向荷载下,紫穗槐1-5mm径级范围内直根及含侧根分支处根段极限力均与根径呈幂函数正向关,极限强度均与根径呈幂函数负函数,侧根分支处角度影响单根强度特征,表现为角度越大,极限力越大,极限强度越小。(3)分别承受轴向、径向荷载下,紫穗槐1-5mm径级范围内直根及含侧根分支处根段均呈弹塑性变形特征。轴向荷载下,每个循环周期内塑性变形趋于稳定,弹性变形占比逐渐增大;径向荷载下,每个循环周期内弹性变形占比趋于稳定,塑性变形逐渐增大。轴向及径向荷载下,直根的加载次数(19.43次、30.88次)略大于含侧根分支处根段(16.79次、26.26次),直根延伸能力略优于含侧根分支处根段,而根段在径向荷载下延伸率更大,较轴向荷载相比更易于发生变形。(4)紫穗槐1-5mm径级范围内直根段及含侧根分支处根段本构曲线类型及曲线分布与承受荷载类型有关。轴向荷载下,上凸型σ-ε曲线为主要曲线类型(78.71%、58.06%),径向荷载下,下凹型为主要曲线类型(54.60%、45.81%),超过85%的根段断裂方式为突发性断裂。两种荷载下,根段极限应力与根径呈负相关,极限应变与根径无相关性。轴向荷载下根段极限应变小于径向荷载,直根段极限应变小于含侧根分支处根段。表明紫穗槐根段在轴向荷载下发生的应变更小,直根更不易变形。(5)紫穗槐1-5mm径级范围内直根与含侧根分支处根段的拉伸弹性模量、弯曲弹性模量与根径呈幂函数负相关,抗拉刚度、抗弯刚度与根径呈幂函数正向关。轴向、径向荷载下,直根段的弹性应力、弹性应力所占百分比均大于含侧根分支处根段,弹性应变小于含侧根分支处根段,含侧根分支处根段更易由弹性变形转化为塑性变形;直根及含侧根分支处根段在轴向荷载下的弹性应力、弹性应力所占百分比均显著大于径向荷载,弹性应变显著小于径向荷载,紫穗槐根系在轴向荷载下的弹性变形性质较好。(6)紫穗槐1-5mm径级范围内含侧根分支处根段及上下级直根段在轴向、径向荷载下,极限力大小顺序为相邻上级直根>含侧根分支处根段>相邻下级直根,根径较小的下级直根是紫穗槐根系的易损部位;直根段、含侧根分支处根段在轴向、径向荷载下的极限力及极限强度基本无差异性(P>0.05),但轴向荷载下的极限应变及弹性变形均小于径向荷载,径向荷载为紫穗槐根段的易损荷载类型。

关键词： 低温养护   再生混凝土粉   力学性能   再生ECC   正交试验  

摘要： 随着我国建筑行业的发展和革新,新型高性能、可持续发展的建筑材料将成为我国当前乃至以后很长一段时间内的发展方向。对于我国华北、东北和西北地区由于冬季时间持续较长,混凝土工程在此严重低温环境下施工,养护条件无法满足会造成工程质量下降和工期延误等问题。近十年来,随着我国供给侧改革的不断深入,城市现代化和城乡一体化步伐加快,老城区的改造产生了大量的废弃混凝土块等建筑垃圾。建筑垃圾不经处理随意堆放,既占用耕地又污染环境,成为我国城市现代化发展中的难题。为减少大量拆迁对环境造成的污染,可采用ECC对老化建筑进行修复。低温养护绿色再生ECC的研究,可有效解决大量建筑垃圾的处理难题,也为我国三北地区混凝土建筑ECC修复的冬季施工提供理论参考依据。本文在低温养护条件下,利用废弃混凝土块破碎、球磨混凝土微粉取代石英砂制备超高韧性水泥基复合材料(即ECC)。确定低温养护条件下(以华北地区冬季平均气温-10℃为准)混凝土粉的最佳取代率,再设计正交试验,研究水胶比、纤维产量、粉煤灰、温度等变量对低温下ECC力学性能的影响,并进行主体间效应检验,以确定影响因素作用效果的大小。再生混凝土粉ECC的研究既响应了国家可持续发展的战略,解决了大量建筑垃圾随处堆放的难题,又拓宽了新型高性能材料的发展思路,为我国华北、东北和西北地区混凝土建筑ECC修复的冬季施工提供理论依据,对以后超高韧性水泥基复合材料的工程实践以及施工规范的制定具有良好的指导意义。本文主要的研究内容和结论如下:(1)在-10℃养护条件下,采用再生混凝土粉取代石英砂,对比混凝土粉在0、25%、50%、75%、100%取代率下的力学性能,在综合考虑各个取代率下试件的各项力学性能指标后,最终选取混凝土粉取代50%石英砂作为最佳取代率。(2)基于正交试验的结果,利用SPSS统计分析软件得到温度、水胶比、纤维掺量和粉煤灰掺量对材料弯曲性能的影响规律。结果表明,材料的极限挠度在-10℃时最大,为53.6mm。极限强度在0℃时最大,为5.326MPa。通过对比主体间效应的F值发现,对挠度的影响大小依次为粉煤灰掺量>温度>水胶比>纤维掺量。(3)基于正交试验的结果,利用SPSS统计分析软件得到温度、水胶比、纤维掺量和粉煤灰掺量对材料抗折强度的影响规律。试验结果表明,抗折强度随养护温度的降低逐渐降低。增大水胶比会减小材料的抗折强度,增加纤维掺量和粉煤灰掺量会提升材料的抗折强度。(4)基于正交试验的结果,利用SPSS统计分析软件得到温度、水胶比、纤维掺量和粉煤灰掺量对材料拉伸性能的影响规律。结果表明,养护温度为0℃的极限拉应力最大,为2.34MPa。极限应变在-10℃最大,达到了5.35%。通过对比主体间效应的F值发现,对材料极限拉应变影响大小依次为温度>纤维掺量>水胶比>粉煤灰掺量。(5)基于正交试验的结果,利用SPSS统计分析软件得到温度、水胶比、纤维掺量和粉煤灰掺量对材料抗压强度的影响规律。试验结果表明,在养护温度0℃时的抗压强度最大,为25.3MPa。抗压强度随着温度的升高、粉煤灰掺量的增加逐渐提升,但增大水胶比会减小材料的抗压强度。

关键词： 离散单元法   颗粒流   非饱和土   真三轴数值模拟  

摘要： 土作为普遍存在于自然界的颗粒材料,在工程领域应用十分广泛,其力学特性的研究十分重要。早期研究人员将岩土材料视为连续介质,通过有限元法研究其应力、应变等变化规律。随着离散元法的出现和发展,研究人员发现利用离散元法模拟土体及其他颗粒材料的受力变形特性具有天然的优势,不仅可以研究土体的应力应变等宏观量的变化规律,还可以研究土体内部的接触及颗粒排布等细观量的变化规律。但是目前离散元法在岩土工程材料的研究应用较少,且对于复杂应力状态下颗粒材料的研究也不够透彻。本文首先比较了连续介质法和离散单元法在岩土工程中的基本原理和应用情况;总结了国内外关于离散元法的研究现状、真三轴试验及颗粒细观参数变化对宏观参数影响的研究进展;建立真三轴数值模型,并对不同状态的颗粒材料进行真三轴数值模拟,建立了一种非饱和土的简化离散元模型,进行了湿润颗粒的真三轴数值模拟,主要研究内容和成果包括:(一)通过对真三轴仪加载原理和相关研究的分析,基于PFC3D颗粒流程序进行二次开发,建立了真三轴离散元模型,并通过编写监测函数,记录了真三轴剪切全过程中的应力、应变、组构张量的变化,实现了真三轴剪切试验的离散元数值模拟。基于建立的数值模型,分别对松砂和密砂进行真三轴剪切数值模拟,对试样应力、应变和内部组构接触变化等进行规律分析;(二)对含水颗粒的细观接触进行受力分析,与离散元基础接触模型进行联系,经过理论推导得到了细观参数颗粒间摩擦系数μ与宏观参数含水率w之间的对应关系。依据室内直剪试验的结果建立了一种能反映含水率变化的离散元模型。将离散元模拟结果,与室内直剪试验、真三轴剪切试验结果进行了对比验证,数值模拟的结果与试验结果具有良好的一致性;(三)应用所提出的方法对湿润颗粒材料进行了真三轴剪切数值模拟,根据既有的黄土真三轴试验数据进行模型细观参数的确定,分析了不同含水率下正常固结黄土和超固结黄土的强度、变形变化规律。

关键词： 黄金尾矿   氰化物   配比试验   流变特性   抗压强度   应力集中  

摘要： 黄金矿山产生大量含氰尾矿排放困难,而井下采空区充填需要大量充填材料。如将含氰尾矿除氰后制备胶结材料用于充填,可大量消纳尾矿并有效维护采场安全。论文以辽宁排山楼黄金矿业有限公司排放的含氰尾矿为研究对象,实验得出其基本性质。采用中温焙烧方法,测试不同温度和时长的除氰效果,得出经济高效的焙烧方案。除氰达标的尾矿添加胶凝材料、粉煤灰和炉底渣制备充填材料,采用正交实验方法研究配比、浓度和龄期多因素影响下充填材料的坍落度和抗压强度指标,得出不同强度要求的合理配比方案。对选定配比方案充填体的采场围岩稳定效果进行数值模拟分析,得出不同部位采空区充填的最优配比方案。论文结果主要为:(1)排山楼黄金尾矿比重与一般土相近,颗粒细,为粉质黏土,用做充填骨料需添加粗颗粒材料改善级配条件。矿物成分基本为惰性,内含超标氰化物;(2)焙烧温度和焙烧时间是影响除氰效果的重要因素。含氰尾矿经过温度250～300℃、时长30～40min的焙烧处理,总氰含量降至0.01mg/L以下,可以用于井下充填;(3)充填材料流动度和抗压强度受养护龄期、料浆浓度、灰砂比和骨料配比多因素影响。黄金尾矿单独用做充填骨料,灰砂比1:10～1:6、料浆浓度72%时,坍落度为19～20 cm,充填体28 d强度为1.87～2.81MPa。尾矿与电厂灰渣配合,炉底渣含量20%～60%时、灰砂比为1:9、浓度69.93%～72.99%时,料浆坍落度约为20 cm,充填体28 d强度达2.23～3.39MPa,强度明显提高。用于稳定性良好的采空区的配比方案为灰砂比1:10,浓度为72%;用于稳定性较差的采空区的配比方案为灰砂比1:9,浓度为70.92%,以炉底渣20%,粉煤灰含10%取代黄金尾矿;灰砂比1:9,浓度72.99%,以炉底渣60%,粉煤灰含10%取代黄金尾矿,此配比方案可用于稳定性不良的采空区;(4)充填材料充填入井下采空区形成充填体,采空区围岩峰值应力及顶板峰值位移分别下降41.42%～52.60%和40.30%～62.80%,围岩应力集中及顶板沉降明显降低,有效支撑了围岩和顶板,保障采场安全。黄金尾矿基井下胶结充填材料研究为大宗固体废弃物资源化利用提供了有效途径,兼具经济、环保和安全效益,为其他黄金矿山采空区井下充填提供了可靠借鉴。该论文有图64幅,表34个,参考文献102篇。

关键词： 水泥基复合材料   海水   原状海砂   弯曲韧性  

摘要： 随着建筑行业的高速发展,全球面临着河砂和淡水资源紧缺的风险,开发新的建筑原材料是行业发展的必然趋势。我国海水和海砂的资源非常丰富,但由于海水和海砂中含有较多腐蚀金属的离子,直接使用容易引发钢筋混凝土结构耐久性问题。PVA纤维具有耐腐蚀性强、韧性高的优点,可以提高海洋环境中结构的耐腐蚀和抗震性能,但纤维水泥基复合材料的力学性能及耐久性在海水海砂的环境中还未知,故研究海水海砂对其力学性能及耐久性的影响非常必要。首先,考虑不同海水浓度和龄期,配置3种PVA掺量的海水海砂水泥基复合材料,进行立方体抗压强度试验,试验结果表明:纤维加入会改变试件的破坏形态,1.5%纤维掺量可以使得受压试件具有较好的抗裂能力;试件抗压强度随龄期的增长而增长,1倍海水浓度会降低试件的抗压强度,3倍海水浓度对C30所有试件的抗压强度有明显的提高,C50试件的抗压强度只有在1.5%纤维掺量和3倍海水浓度下才会有较大提高。其次,进一步研究材料的抗弯性能,试验结果表明:海水海砂中的有害离子对纤维的“桥接”作用影响较大,随着海水浓度的增加,28d龄期时,0.75%纤维掺量试件的受弯-强化能力和1.5%纤维掺量试件的应变硬化能力逐渐减弱,随龄期的增长,低纤维掺量试件转为受弯-软化现象,高纤维掺量试件应变硬化能力进一步减弱;1.5%纤维掺量下,C30试件的弯曲韧性和耐久性能稳定,C50试件在受力后期弯曲韧性和耐久性较差,需要进一步提高纤维的掺量。然后,通过SEM试验,从微观层面观察180d龄期试件的纤维腐蚀情况,发现纤维表面较光滑,未见明显腐蚀现象,表明海水海砂环境不影响PVA纤维的使用。最后,根据试验数据建立抗压强度,抗弯强度及其对应挠度和弯曲韧性指数的关系式,给出关于龄期、海水浓度和基体强度变化的弯曲韧性指数的计算模型,模型相关性较好。

关键词： 纳米多孔材料   正棱柱结构   表面效应   杨氏模量   屈服强度  

摘要： 纳米多孔材料凭借精确到纳米级的尺度和优异的性能得到了各个行业的广泛应用,随着科技的发展和对于可持续发展的认可,传统材料不再完全满足人们的需求,尤其对于一些精密的设备和仪器,需要用到尺度极小但性能良好的材料,比如航空航天领域,要尽可能的降低材料的重量;比如化学和医药行业,需要更大的表面积、更强吸附能力的小尺度材料。然而,纳米多孔材料能在一定程度上满足这些方面的要求,近些年来制造工艺的进步,也推动着纳米多孔材料的应用。其中,力学性能主要受表面效应的影响。本文基于表面弹性理论和屈服强度理论,推导了正棱柱纳米多孔材料的杨氏模量和屈服强度,研究了表面效应、孔隙率和微观结构对纳米多孔材料的杨氏模量和屈服强度的影响,并进一步分析了多层级纳米多孔材料的杨氏模量。基于表面弹性理论,建立正棱柱纳米多孔结构的杨氏模量预测模型,具体研究了表面弹性模量、表面残余应力和孔隙率对不同正棱柱结构杨氏模量的影响。结果表明正棱柱结构的杨氏模量主要受表面弹性模量的控制,但对于表面残余应力的变化不敏感,这与之前的研究结果一致。此外,对于不同的正棱柱结构,杨氏模量之间的差值随孔隙率的增加而减小,且正六棱柱结构的杨氏模量总是最大的,不受表面效应和孔隙率的影响。基于屈服强度理论,结合表面弹性理论,建立了正四棱柱结构的强度预测模型。考虑表面能效应的影响,分别分析了表面体积模量、表面剪切模量和孔隙率对纳米多孔材料屈服强度的影响,研究结果显示正棱柱结构屈服强度的变化趋势由两个表面模量控制,屈服强度随着两个表面模量参数增加而增加,但表面体积模量对其的影响较小。其次,若孔隙率减小,屈服强度则会得到明显提升。在三种不同的正棱柱结构中,正三棱柱结构的屈服强度总是最大的,且不受表面能效应和孔隙率的影响。对于多层级纳米多孔材料,在单元纳米多孔材料的理论基础上,不考虑表面效应的影响,建立了多层级正六棱柱结构的杨氏模量预测模型,得到了多层级正棱柱结构的杨氏模量表达式。理论预测结果显示,多层级结构能有效降低结构的刚度,使杨氏模量相比一级结构减小大约80%～90%,且多层级正棱柱结构中,正六棱柱结构的杨氏模量依然是最大的,但多层级正棱柱结构之间的差异性比单元结构之间的要小。

关键词： 碳纤维/环氧树脂基复合材料   基体改性   拉伸和弯曲性能   断裂韧性  

摘要： 碳纤维/环氧树脂基复合材料(CFRP)具有一系列优异性能,如高模量、高拉伸强度、高韧性、低密度和低腐蚀敏感性等,在航空航天、交通运输、汽车零部件制造和体育用品等行业得到广泛应用。但是,在实际应用中,碳纤维/环氧树脂基复合材料也存在一些缺陷:基体环氧树脂内部存在特殊的三维网状结构,其脆性大,交联密度高,内应力大,导致复合材料韧性和耐冲击性差。基于此,本文为提高基体树脂与碳纤维的结合强度,增强CFRP的断裂韧性,对环氧树脂基体进行增韧改性,并对其复合材料的力学性能和断裂韧性进行研究。本文首先合成一种新型热塑性聚酰亚胺和改性纳米二氧化硅对环氧树脂进行增韧改性,从中选取最优的增韧方式,制备不同铺层角度的复合材料。然后测试其拉伸和弯曲力学性能,并通过双悬臂梁测试(DCB)和端部缺口弯曲测试(ENF)这两种测试方法,测试和比较未改性和改性树脂作为基体对复合材料韧性的影响,以及铺层角度和铺层厚度对复合材料Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性的影响。主要研究内容及结论如下:(1)采用低温共聚方法,合成了含三氟甲基基团的聚酰亚胺(PIS),并用来改性环氧树脂,分析了 5种不同组分的PIS对环氧树脂各项性能的影响。结果表明:7.5 wt%组分PIS对环氧树脂的增韧效果提升最为显著,较未改性树脂,其断裂应力从40.4 MPa提升到92.3 MPa,提高了 128%;断裂韧性KIC值从0.86 MPa·m1/2提高到1.56 MPa·m1/2,也显著提高。(2)通过化学改性的方法,在纳米二氧化硅上接枝活性官能团,并用改性纳米二氧化硅对环氧树脂进行增强增韧,结果表明,改性树脂体系的拉伸应力～应变均有显著提升,当改性纳米二氧化硅含量为3 wt%时,断裂应力为85.2 MPa,断裂应变为6.21%,较未改性树脂分别增加了 110.9%和132.6%。(3)将PIS与改性的纳米二氧化硅共混对环氧树脂进行增强增韧改性,并测定了拉伸断裂等性能,结果表明,PIS/改性纳米二氧化硅复合增强环氧树脂体系的拉伸应力～应变提升显著,7.5 wt%的PIS和3 wt%的改性纳米二氧化硅共混体系表现出最大的断裂应力,最大值为106.3 MPa,断裂应变为8.50%,较未改性树脂分别增加了163.1%和218.4%,且均高于各单组分改性的最大值。双组份共混增韧环氧树脂的断裂韧性和SEM图片表明,该共混体系使环氧树脂体系由脆性断裂变为韧性断裂,断裂韧性 KIC值由 0.86 MPa·m1/2增加到 1.98 MPa·m1/2。(4)分别使用改性和未改性的树脂作为基体制备不同铺层角度的复合材料,并测试其拉伸和弯曲性能。结果表明,改性树脂作为基体制备的复合材料,其表现出更佳的拉伸和弯曲性能,其拉伸强度和弯曲强度显著高于未改性树脂作为基体制备的复合材料。不同的铺层方式中,0°角铺层方式制备的复合材料表现出最佳的拉伸强度,45°角铺层方式制备的复合材料表现出最佳的弯曲强度。(5)通过使用未改性环氧树脂和PIS/纳米二氧化硅复合改性环氧树脂作为基体,制备了不同铺层角度和铺层厚度的复合材料,并通过DCB和ENF测试分析其Ⅰ型和Ⅱ型断裂性能,探究其增韧机理。结果表明,PIS/纳米二氧化硅混合改性树脂为基体的复合材料,其断裂韧性显著高于未改性树脂为基体的复合材料;不同铺层方式制备的复合材料中,45°角铺设的复合材料表现出最大的Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性值;不同厚度的复合材料中,相同树脂基体和铺层方式的复合材料的断裂韧性值变化不明显,这表明厚度对复合材料的断裂韧性基本上没有影响。

关键词： 湿热盐耦合环境   水泥基复合材料   PVA纤维   纳米SiO2   力学性能   断裂性能  

摘要： 随着水利工程和社会经济的发展,水工混凝土建筑物的服役环境也越来越复杂,恶劣环境因素对水工结构性能将产生不利的影响。很多地区的水工结构在服役过程中往往遭受的不是单一的环境作用,而是湿热盐耦合环境作用。湿热盐耦合环境作用给我国大多数水工结构建筑和海工结构建筑带来了严重的危害。PVA纤维增强水泥基复合材料（PVA-FRCC）因其优良的力学性能和断裂性能得到了众多学者的关注,并且随着纳米材料科学与技术迅速发展,对建筑工程材料进行纳米强化也已成为国内外竞相研究的热点问题。且研究新型水泥基复合材料在湿热盐耦合环境作用下的力学性能和断裂性能,对于其在水工结构工程和海洋结构工程中的应用具有重要意义。鉴于此,本文对湿热盐耦合环境作用下的PVA-FRCC和PVA纤维与纳米SiO2协同增强水泥基复合材料的力学性能和断裂性能进行了大量的试验研究。主要的研究内容及成果包括:（1）确定了PVA-FRCCs和PVA纤维与纳米SiO2协同增强水泥基复合材料的配合比,并改善了其制备工艺;确定了湿热盐耦合环境模拟试验的环境变量,温度选定为50℃,湿度选定为100%RH,盐溶液选定为5%的Na Cl溶液,盐溶液的作用方式为浸泡和喷雾同时作用,作用时间选定为30d。（2）通过抗压强度试验、抗折强度试验、静力受压弹性模量试验和预切口梁的三点弯曲试验,测得了湿热盐耦合环境作用下基准组和自然环境下基准组的各项力学性能参数,分析了湿热盐耦合环境作用对水泥基复合材料力学性能的影响,揭示了湿热盐耦合环境作用对水泥基复合材料力学性能的影响机理。结果表明,经受湿热盐耦合环境作用后,水泥基复合材料的各项力学性能均有不同程度的降低,与自然环境下的基准组相比,其立方体抗压强度下降21.1%,轴心抗压强度下降21.43%,小立方体抗压强度下降14.26%,抗折强度下降14.14%,静力受压弹性模量下降12.5%,峰值荷载、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度以及断裂能的降幅分别为7.30%、4.24%、6.33%和26.47%。（3）通过立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验和抗折后小立方体抗压强度试验,测得了水泥基复合材料经受湿热盐耦合环境作用后的立方体抗压强度,轴心抗压强度和小立方体抗压强度,分析了PVA纤维掺量和纳米SiO2掺量对湿热盐耦合环境作用下水泥基复合材料抗压性能的影响,并得出了相应的影响规律,揭示了湿热盐耦合环境作用下PVA纤维和纳米SiO2对水泥基复合材料抗压性能的影响机理。结果表明,湿热盐耦合环境作用下PVA-FRCC的各尺寸抗压强度随着PVA纤维掺量的增加均呈现出先增大后减小的趋势,最大值均出现在PVA纤维掺量为0.3%时;湿热盐耦合环境作用下PVA纤维与纳米SiO2协同增强水泥基复合材料的各尺寸抗压强度随着PVA纤维和纳米SiO2掺量的增加均呈现出先增大后减小的趋势。（4）通过抗折强度试验,测得了水泥基复合材料经受湿热盐耦合环境作用后的抗折强度,分析了PVA纤维掺量和纳米SiO2掺量对湿热盐耦合环境作用下水泥基复合材料抗折性能的影响,并得出了相应的影响规律,揭示了湿热盐耦合环境作用下PVA纤维和纳米SiO2对水泥基复合材料抗折性能的影响机理。结果表明,湿热盐耦合环境作用下PVA-FRCC的抗折强度随着PVA纤维掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势,最大值出现在PVA纤维掺量为0.6%时;湿热盐耦合环境作用下PVA纤维与纳米SiO2协同增强水泥基复合材料的抗折强度随着PVA纤维和纳米SiO2掺量的增加均呈现出先增大后减小的趋势。（5）通过静力受压弹性模量试验,测得了水泥基复合材料经受湿热盐耦合环境作用后的弹性模量,分析了PVA纤维掺量和纳米SiO2掺量对湿热盐耦合环境作用下水泥基复合材料弹性模量的影响,并得出了相应的影响规律,揭示了湿热盐耦合环境作用下PVA纤维和纳米SiO2对水泥基复合材料弹性模量的影响机理。结果表明,湿热盐耦合环境作用下PVA-FRCC的弹性模量随着PVA纤维掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势,最大值出现在PVA纤维掺量为0.3%时;湿热盐耦合环境作用下PVA纤维与纳米SiO2协同增强水泥基复合材料的弹性模量随着PVA纤维和纳米SiO2掺量的增加均呈现出先增大后减小的趋势。（6）通过预缺口梁的三点弯曲试验,以水泥基复合材料的峰值荷载、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能等断裂参数作为评价指标,研究了PVA纤维掺量和纳米SiO2掺量对湿热盐耦合环境作用下水泥基复合材料断裂性能的影响,并得出了相应的影响规律,揭示了湿热盐耦合环境作用下PVA纤维和纳米SiO2对水泥基复合材料断裂性能的影响机理。结果表明,湿热盐耦合环境作用下PVA-FRCC的断裂韧度和断裂能随着PVA纤维掺量的增加均呈现不断增大的趋势;湿热盐耦合环境作用下PVA纤维与纳米SiO2协同增强水泥基复合材料的

关键词： 氧化石墨烯   水泥基复合材料   界面效应   分子动力学   有限元  

摘要： 水泥基复合材料(混凝土、胶砂等)是当前建筑和基础设施建造中最常用的材料之一,其凭借非常出色的工程力学性能和价格优势,目前已成为应用范围最广和最重要的建筑结构材料。然而水泥基复合材料具有不可忽略的缺陷(抗裂性较差、抗拉强度和应变能力低)具有典型的脆性材料性质。高脆性会导致裂缝和渗透等问题,并且在实际工程应用中,经常由此导致结构表面出现大量裂纹现象,从而影响结构的力学性能以及降低其使用寿命。但是纳米材料石墨烯的氧化衍生物—氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO),不仅比表面积高、强度高、韧性好,而且其表面含大量氧化官能团,具有亲水性,能对水泥基复合材料的水化产物起到调控作用,同时填充孔隙以形成更加致密的结构。这有望从根本上阻止微纳观尺度裂纹的生成和扩展,改善水泥基材料的力学性能。同时由于GO表面附着大量的氧化官能团易与水泥的主要水化产物水化硅酸钙(calcium silicate hydrate,C-S-H)发生反应,从而使得GO与C-S-H的界面具有很大的粘结强度,因而在研究GO改性水泥基复合材料的力学性能和相互作用机理时,GO与C-S-H界面的力学性质对其力学性能的影响发挥着很重要的作用。本文分别通过分子动力学模拟、有限元模拟以及宏观实验的方法研究了GO改性水泥基复合材料力学性能的相关作用。首先,建立了含氧官能团覆盖度R=50%且OH:O=2.0的周期性GO分子模型,通过分子动力学模拟算出其平均杨氏模量为232.35GPa;通过对多层GO模型的拉伸模拟,模拟结果表明GO的杨氏模量会随着层数的增加而下降,相对于单层GO,8层GO的杨氏模量降低了大约20%。通过拔出模拟,将单层GO从4层堆垛的GO的模型GOS(II)中拔出,计算得到GO之间的界面剪切强度为465.35MPa。通过对C-S-H/GO(分别为1层、2层和4层GO)的分子模型进行拉伸和拔出模拟,模拟结果表明随着GO层数的增加,CS-H/GO分子模型的力学性能会增强,同时其界面剪切强度(IFSS)会得到提高。其中,求得含单层GO的C-S-H/GO模型界面剪切强度为164.24MPa,其中当该模型含四层GO时比只含单层GO的模型在IFSS上提高了约28%。其次,采用分子动力学模拟求得的1层、2层和4层GO弹性模量以及相应的C-S-H/GO界面参数代入有限元模型中,通过有限元模拟的方法对GO水泥基复合材料的三维三相和两相的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型进行拉伸和压缩模拟,从介观尺度研究了当GO出现多层堆垛时,复合材料力学性能的变化。模拟结果表明GO的堆垛对GO水泥基复合材料的强度起到削弱的作用,特别是对其抗拉的力学性能,当不考虑界面影响时,其降低幅度可达到22%的削减幅度,而若考虑界面为C-S-H与GO的界面时,其降低幅度可达28.6%。GO的堆垛会使复合材料强度降低。最后通过GO改性水泥净浆和砂浆力学性能的单轴压缩试验,从宏观实验的角度研究了不同的GO掺量对GO改性水泥基复合材料抗压性能的影响,同时也通过改变分散剂的掺量和种类,研究了分散剂对GO改性水泥基复合材料抗压性能的影响。通过单轴压缩试验,结果表明当加入0.03wt%和0.06wt%GO时可以增强水泥基复合材料的抗压性能,而当GO的掺量为0.1wt%时,则会损害复合材料的抗压性能。掺量为0.06wt%GO的增强效果最佳,可以提高净浆试块14天的抗压强度15.49%、提高砂浆试块28天的抗压强度13.16%。同时减水剂对复合材料的影响是不可忽略的,发现聚羧酸型高效减水剂(SP)的加入会降低试块的14天抗压强度,但加入0.03wt%和0.06wt%的GO之后均有所增长。若与加入SP之后的对照组相比,GO掺量为0.06wt%时,其14天抗压强度增幅可达到58.51%。