玄武岩纤维增强水泥基材料及其复合梁高性能化研究

发布时间：2020-09-01 12:18

　　传统的钢筋混凝土结构在长期使用之后或在高寒地区、海洋、岛礁等极端环境下,由于混凝土的开裂,极易发生钢筋锈蚀等现象,严重影响结构的使用性和耐久性。纤维增强复合材料筋(FRP筋)具有轻质、高强、耐腐蚀以及弹性自恢复等诸多优点,能够有效解决筋材腐蚀问题,提升结构耐久性及实现结构长寿命。FRP筋在土木工程领域已经得到了越来越多的应用。为解决FRP筋混凝土结构承受荷载时裂缝过宽、挠度过大等问题,改善水泥基材料的性能是手段之一。水泥基材料是世界上使用最广泛的材料之一,利用纤维进行复合化设计是增强水泥基材料性能的核心思想。将纤维增强水泥基材料和FRP筋相结合,可以形成具有良好抗裂性能的复合梁。为系统探究与玄武岩纤维增强复合材料筋(BFRP筋)同源的材料——短切玄武岩纤维对水泥基材料力学性能及其复合梁的影响,本文开展了玄武岩纤维增强水泥基材料力学性能试验、粘结滑移试验和复合梁抗弯试验等,并对复合梁的抗弯计算理论进行了系统性归纳。主要研究如下:(1)通过不同纤维掺量、纤维长度和水灰比等参数下玄武岩纤维增强水泥基材料抗压、抗折、抗拉性能试验研究,对玄武岩纤维的增强效果进行了综合评价。试验发现,纤维的掺入会减小材料的抗压强度,但能较大幅度提高抗折强度与抗拉强度。掺入纤维后的材料最大拉应变为0.03%左右,提高效果不明显,不同长度的纤维会影响材料的拉伸弹性模量。(2)对玄武岩纤维增强水泥基材料-BFRP筋粘结性能进行研究。试验发现,玄武岩纤维增强水泥基材料-BFRP筋的粘结强度达20MPa左右,和混凝土相当。达到峰值粘结应力时筋材在玄武岩纤维增强水泥基材料中的滑移量较混凝土更大。在滑移过程中,筋材表面被玄武岩纤维增强水泥基材料磨损的程度更小,粘结滑移曲线中达到峰值粘结应力后的残余段波峰、波谷循环衰减的趋势更慢,筋材力学性能的保留显著。(3)以玄武岩纤维增强水泥基材料替换BFRP筋梁受拉区部分混凝土,发现复合梁沿梁高方向满足平截面假定,界面协调变形性良好。复合梁的荷载位移曲线较对比组相差不大,裂缝开展条数增多,裂缝宽度略有减小。以试验为基础建立了BFRP筋复合梁的应力计算理论,通过试算发现,若以具有延性的材料替代受拉区部分混凝土,可增大梁的刚度和抗弯极限承载力。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

短切纤维

几种纤维为例进行介绍。以不同掺量、乱向分布的钢纤维加入高强混凝土中得到的钢纤维混凝土，大量实验表明混凝土的抗压强度及延性能够得到有效改善[8]，但由于短切纤维长细比等因素的影响，目前钢纤维增强 ECC 的拉应变最大仅能达到 0.5%[9]。钢纤维混凝土发展迅速，目前由于力学性能优良、技术成熟，已经在土木工程领域得到了广泛应用。美国、日本和我国都已编制了钢纤维混凝土相关技术规范，但钢纤维过硬，会影响拌合物稠度，带来搅拌困难的问题，而且钢纤维密度大，在水泥基体中可能下沉，影响拌合物质量。(a) 石棉纤维 (b) 玻璃纤维 (c) 碳纤维

微观形貌,纤维砂浆,硬化水泥浆体,微观形貌

维强度保留率达到 90%，玄武岩纤维在碱性环境中性能退化较明显，但相比玻璃纤维和碳纤维，耐高温性能优异。廉杰[25]、潘慧敏[26]等人制作了大批玄武岩纤维混凝土试块，通过与未掺入纤维的对照组对比，发现短切玄武岩纤维被掺入基体后，确实能有效提高混凝土的强度，且对基体的增强效果与短切纤维体积掺量、长细比的范围等诸多因素有较大关系。在主要影响因素中，发现纤维体积掺量对试块强度影响的重要性程度要高于长细比。此外还发现，玄武岩纤维混凝土14d 强度可达 28d 强度的 80 %甚至 90 %以上，说明短切纤维增强对提高混凝土早期强度具有较为显著的意义。P.Iyer 等人[27]研究了多种短切长度（12mm，36mm，50mm）在不同掺量下混凝土试块的力学性能，结果发现掺量为 8kg/m3下 36mm 长度试块具有综合最优的抗压强度和抗折强度。吴钊贤等人[28]提出了将玄武岩纤维用水泥净浆包裹，再与混凝土搅拌制作纤维混凝土的工艺，SEM 照片显示，经过净浆包裹工艺处理后，纤维与水泥石界面的联结效果比较好，基体内孔洞明显减少，混凝土的孔隙率降低。

玄武岩纤维,短切

短切玄武岩纤维

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