纤维珠链增强水泥基复合材料制备及性能研究

发布时间：2020-07-27 23:17

【摘要】：本课题提出了一种新型纤维增强水泥制品的方式——纤维珠链增强水泥制品。其制备方法为,首先将连续纤维制成珠链,即在连续纤维特定长度上,将树脂滴加其上,树脂固化后形成纤维-树脂珠链,然后将该珠链取特定长度,在浆体装模过程中,按特定规律分层定向地铺设入浆体中。纤维珠链增强方式可以解决现阶段纤维增强混凝土遇到的纤维掺量受限问题,即纤维大掺量掺加时,混凝土工作性能变差,力学性能不升反降,以及纤维与水泥相界面性能差的问题,即纤维增强水泥制品承受外力作用时,纤维易发生滑移,无法与水泥基体变形协调。文中通过显微观察与数值模拟探究传统掺加方式无法有效改善复合材料性能的根本原因,通过超景深显微镜对搅拌完成的短纤维增强砂浆浆体与初凝结束后的短纤维增强砂浆断面进行观察发现:短纤维在浆体中乱向分布,部分纤维未被浆体有效包裹,发生聚集成团的现象。砂浆成型后,纤维与水泥基体之间存在明显的界面薄弱区;通过ANSYS模拟纤维增强混凝土在承受外力时,复合材料内部的内力分布情况发现:纤维增强混凝土在承受外力时,纤维两端存在高度的剪应力集中,这是纤维易发生滑移,无法与基体变形协调的主要原因。通过三种纤维增强方式下,玻璃纤维增强水泥基复合材料与玄武岩纤维增强水泥基复合材料的工作性能与力学性能的对比,得出结论:纤维珠链增强技术通过在浆体装模时,将纤维定向分层铺设入浆体中,使纤维在浆体中均匀分布,提高了纤维增强水泥基复合材料中的纤维掺量;依靠珠粒与水泥基体之间的相互嵌固,变两相之间的界面约束为结构约束,解决了纤维增强混凝土遇到的界面薄弱问题。当纤维体积掺量达到1%时,玻璃纤维珠链增强砂浆对比基准组砂浆28天抗折强度提升202%,抗压强度提升50%,玄武岩纤维珠链增强砂浆对比基准组砂浆28天抗折强度提升204%,抗压强度提升17%,两种纤维增强砂浆的抗裂性能均得到显著改善;玻璃纤维珠链增强混凝土的抗折强度相对基准组提升121%,抗压强度下降仅为8%,混凝土破坏时的裂缝较小,早期即可拥有较高的抗折强度且不影响抗压强度的长期增长。因此可以得知:虽然两种纤维材料特性之间,砂浆与混凝土骨料组成之间存在差异,但纤维珠链增强技术同时适用于玻璃纤维增强水泥基复合材料与玄武岩纤维增强水泥基复合材料;其在显著改善水泥砂浆力学性能的同时,也在混凝土中表现良好;仅需提升不到总成本10%的支出,即可提升试件的各项力学性能。因此纤维珠链增强技术具有工程实用性,可行性和良好的发展前景。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

纤维砂浆,流动度,纤维,现象

纤维遇水成团，如图 1（a），图 1（b），图 1（c）所示。这些均会造凝土中的缺陷与孔隙率增加，纤维混凝土的力学性能无法得到有效提高。康晶[38]试验得出相同结论，提出纤维掺量应有所控制，大于纤维临界体积掺量，小于极限掺量。综上所述，随着纤维掺量的增加，混凝土工作性能变差，导致成型后纤维混凝土的率多，缺陷多，内部结构不密实。纤维掺量在临界体积掺量以上，极限体积掺量以，随着纤维掺量的增加，虽然混凝土的工作性能降低，但其力学性能得到了改善；维掺量在极限体积掺量以上时，随着纤维掺量的增加，混凝土的工作性能极差，其性能不升反降。考虑到纤维混凝土的和易性问题与施工问题，实际工程中不宜将纤加过多，甚至于达到极限体积掺量。现阶段在纤维砂浆中，一般掺加纤维体积分数.5%左右的纤维，在纤维混凝土中，一般掺加质量分数 5%左右的纤维。纤维的掺量超过纤维临界掺量过多。其主要原因就是纤维的掺加影响了混凝土的工作性能，导型后的混凝土缺陷增多。因此研究出一种掺加方式，如果其可以改善或者避免纤维拌浆体的工作性能影响，将对纤维混凝土的推广使用有着重要意义，纤维掺量的提代表着纤维混凝土的强度可以得到更大幅度地提升。

纤维混凝土,纤维,滑移,破坏形式

不能得到充分发挥。弱的界面约束[39]在考虑材料安全性和有效性前提下，通过多次力学试验，统计了纤坏方式。最重要的也是最常见的一种破话方式就是纤维的剥离破坏，，两相之间会产生剪力，最终纤维剥离出混凝土基体导致破坏。R.Or维混凝土的粘结破坏试验，同样发现了纤维从加固板中拔出剥离而破是纤维混凝土的主要破坏形式，这种破坏形式无法充分发挥纤维的力土中的纤维剥离现象如图 2 所示：

示意图,珠链,纤维,增强混凝土

但由于纤维掺量受限和纤维与混凝土两相界面约束差的问题，纤维混凝土的发展受到了阻碍，受到前人的启发，即改变掺加方式来使纤维均匀分布，滴加环氧树脂使纤维与混凝土之间的薄弱界面约束变成树脂与混凝土之间的结构约束。因此根据复合材料原理，本文探索新型的纤维混凝土增强方式，从纤维的掺加方式、纤维形态等方面入手，纤维珠链增强混凝土应运而生。纤维珠链增强方式即在纤维上每隔一段距离滴加环氧树脂，待环氧树脂固化后，形成纤维珠链。依照使用需要，将纤维珠链剪取适宜长度，在砂浆或混凝土装模过程，分层添加进浆体中。如图 3（a），图 3（b）所示。

【参考文献】