表面改性钢纤维水泥基材料力学性能研究
发布时间：2021-01-18 06:12
钢纤维具有弹性模量高、强度高、延性好等优点,在UHPC中掺加钢纤维是提高其韧性的有效方法。但钢纤维—基体界面粘结强度较小,不足以充分发挥钢纤维的增强增韧效能。为此,本文研究了界面性能的提高方法以及界面粘结性能对UHPC宏观力学性能的影响特性。主要内容如下:首先,研究了钢纤维表面改性方法、表面改性钢纤维掺量、硅灰掺量对UHPC抗折性能的影响;提出了UHPC抗折荷载—位移曲线数学模型,该模型与试验曲线吻合较好。并结合复合材料理论,建立了UHPC抗折强度预测模型;研究了UHPC单轴受拉与受弯时,发生应变硬化,钢纤维—基体界面粘结强度、基体抗拉强度、钢纤维长径比与钢纤维掺量之间的关系。结果表明:实现应变硬化的临界纤维掺量与纤维长径比成反比。其次,考虑钢纤维拔出时的缓冲效应与基体剥落效应的影响,推导了钢纤维桥联应力与理论裂缝间距的计算公式。结果表明:纤维长径比不变时,纤维掺量增加,理论裂缝间距下降,钢纤维掺量越少,τf/σmu对理论裂缝间距的影响越大,当τf/σmu＞3.5时,τf/σ<...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纤维增强复合材料中的桥接基体裂纹示意图[4]
?缑嬲辰崆慷群腿托跃??ㄎ菩透窒宋??倍。但是，当纤维的直径非常小时，变形纤维的刚度及其所能达到的锚固效果降低。有研究研究表明，机械锚固性能为直径的指数函数;随着纤维直径的减小，其机械锚固性能呈指数级下降。另外变形纤维法并没有改善纤维周围的弱界面过渡区[15]。而且在UHPC基体中，纤维过度变形会使得基体材料在纤维拔出过程中发生损伤和大幅度剥落，且纤维会被拔断[16]。Zhang等[17]研究表明：端钩纤维在疲劳荷载作用下弹性滑移会增加，加入变形钢纤维的UHPC试件桥联应力衰减的比直钢纤维更加显著。图1-2典型的钢纤维拔出曲线张立辉等[18]通过使用磷酸锌对钢纤维进行改性，使其表面变得粗糙，以此来提高界面摩擦耗能。单根纤维拔出试验结果显示，与未改性钢纤维相比，磷酸锌改性钢纤维从UHPC基体中拔出的最大力、界面剪切强度和拔出耗能依次增大了45.47%、45.23%和49.37%。在改性钢纤维掺量为2%时，相较未改性钢纤维UHPC的极限抗拉强度和轴拉韧性比分别提高了11.5%、10.4%。但是，钢纤维表面粗糙度的增加只是提高了纤维拔出过程中的机械摩阻力，对于界面过渡区的改善效果并不明显。Lu等[19]通过对碳纤维进行改性，使碳纤维表面生成了一层纳米SiO2，通过Nano-SiO2与水泥水化产生的CH晶体反应生成C-S-H凝胶，显著的提高了碳
哈尔滨工业大学硕士学位毕业论文-5-纤维—基体界面强度，减小了界面过渡区的厚度。此反应为一体积膨胀反应，不仅可以提高钢纤维与基体之间的化学键合力，改善界面过渡区，还能起到类似于“自攻螺丝”的锚固效果。Pi等[20]利用同样的原理对不锈钢纤维进行改性，使钢纤维表面生成一层致密的Nano-SiO2，表层纳米颗粒与CH的反应显著提高了微观结构的致密性，3天、7天和28天改性钢纤维与基体之间的界面粘接强度分别提高了78.9%、81.4%、77.5%，拔出能分别提高了60.5%、62.2%、67.4%，显著的改善了界面的力学性能。(a)普通钢纤维(b)表面改性钢纤维图1-3普通钢纤维与表面改性钢纤维微观形貌[20](a)普通钢纤维(b)表面改性钢纤维图1-4普通钢纤维与表面改性钢纤维拔出后微观形貌[20]由于钢纤维—基体界面性能差，使得UHPC在受荷载作用下难以产生类似于掺加PVA等柔性纤维的混凝土多裂缝开裂的特征，纤维拔出过程中其强度利用率低。目前研究者们主要从两个方面对提高纤维—基体界面性能进行研究：一种是通过提高基体密实度来增强界面密实度，增大纤维在拔出过程中的摩阻力；另一种是对纤维进行改性，通过改变其端部或整体形状、提高界面粗糙度或者纳米改性使纤维表面附着一层具有火山灰活性的纳米材料来提高纤维在拔出过程中的耗能能力。
本文编号：2984435
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纤维增强复合材料中的桥接基体裂纹示意图[4]
?缑嬲辰崆慷群腿托跃??ㄎ菩透窒宋??倍。但是，当纤维的直径非常小时，变形纤维的刚度及其所能达到的锚固效果降低。有研究研究表明，机械锚固性能为直径的指数函数;随着纤维直径的减小，其机械锚固性能呈指数级下降。另外变形纤维法并没有改善纤维周围的弱界面过渡区[15]。而且在UHPC基体中，纤维过度变形会使得基体材料在纤维拔出过程中发生损伤和大幅度剥落，且纤维会被拔断[16]。Zhang等[17]研究表明：端钩纤维在疲劳荷载作用下弹性滑移会增加，加入变形钢纤维的UHPC试件桥联应力衰减的比直钢纤维更加显著。图1-2典型的钢纤维拔出曲线张立辉等[18]通过使用磷酸锌对钢纤维进行改性，使其表面变得粗糙，以此来提高界面摩擦耗能。单根纤维拔出试验结果显示，与未改性钢纤维相比，磷酸锌改性钢纤维从UHPC基体中拔出的最大力、界面剪切强度和拔出耗能依次增大了45.47%、45.23%和49.37%。在改性钢纤维掺量为2%时，相较未改性钢纤维UHPC的极限抗拉强度和轴拉韧性比分别提高了11.5%、10.4%。但是，钢纤维表面粗糙度的增加只是提高了纤维拔出过程中的机械摩阻力，对于界面过渡区的改善效果并不明显。Lu等[19]通过对碳纤维进行改性，使碳纤维表面生成了一层纳米SiO2，通过Nano-SiO2与水泥水化产生的CH晶体反应生成C-S-H凝胶，显著的提高了碳
哈尔滨工业大学硕士学位毕业论文-5-纤维—基体界面强度，减小了界面过渡区的厚度。此反应为一体积膨胀反应，不仅可以提高钢纤维与基体之间的化学键合力，改善界面过渡区，还能起到类似于“自攻螺丝”的锚固效果。Pi等[20]利用同样的原理对不锈钢纤维进行改性，使钢纤维表面生成一层致密的Nano-SiO2，表层纳米颗粒与CH的反应显著提高了微观结构的致密性，3天、7天和28天改性钢纤维与基体之间的界面粘接强度分别提高了78.9%、81.4%、77.5%，拔出能分别提高了60.5%、62.2%、67.4%，显著的改善了界面的力学性能。(a)普通钢纤维(b)表面改性钢纤维图1-3普通钢纤维与表面改性钢纤维微观形貌[20](a)普通钢纤维(b)表面改性钢纤维图1-4普通钢纤维与表面改性钢纤维拔出后微观形貌[20]由于钢纤维—基体界面性能差，使得UHPC在受荷载作用下难以产生类似于掺加PVA等柔性纤维的混凝土多裂缝开裂的特征，纤维拔出过程中其强度利用率低。目前研究者们主要从两个方面对提高纤维—基体界面性能进行研究：一种是通过提高基体密实度来增强界面密实度，增大纤维在拔出过程中的摩阻力；另一种是对纤维进行改性，通过改变其端部或整体形状、提高界面粗糙度或者纳米改性使纤维表面附着一层具有火山灰活性的纳米材料来提高纤维在拔出过程中的耗能能力。
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