支护用水泥基复合材料强韧化的研究

发布时间：2017-08-07 00:21

  本文关键词：支护用水泥基复合材料强韧化的研究

  更多相关文章： 巷道支护 水泥基材料 聚合物改性 纤维增强 正交试验 物理性能 力学性能 数值模拟

【摘要】：随着开挖深度的增加,巷道的正确支护已成为一项技术难题,其中,支护材料的研制日益重要,尤其是,高性能水泥基复合材料。水泥基材料脆性大、抗拉、抗折强度低,一般通过聚合物改性和纤维增强等方法对其进行性能改善,论文重点研究水泥基材料的强韧化,工作内容和研究成果如下：(1)聚合物改性剂的合成：查阅文献,利用种子乳液聚合技术,合成具有核壳结构的聚丁二烯接枝聚苯乙烯乳液(PB-g-PS),并进行表征；(2)聚合物改性,设计4因素4水平正交试验,考察聚胶比(A)、水胶比(B)、砂胶比(C)以及复合助剂掺量(D)的改性效果；分析显示,较优的配方组合是聚胶比10%,砂胶比0.37,复合助剂掺量1.2%,水胶比范围为0.3-0.35；(3)纤维增强工艺可以解决水泥基材料开裂、抗折、抗拉性能差的问题,论文通过对纤维增强机理的理解,设计了4因素3水平正交试验,重点考察了砂胶比(A)、灰胶比(B)、增强替代(C)以及纤维体积掺量(D)四个因素的影响效果,并对成型试件的抗压、抗折、劈拉强度以及弯曲韧性等做了分析,综合考虑,得到较优的配方组合为砂胶比1,灰胶比0.4,增强替代比0.05以及纤维体积掺量2.4%；(4)在纤维增强试验的基础上,通过考察纤维种类、纤维长径比以及纤维体积掺量因素的影响,对先期配方进行了进一步优化,通过试验确定了使用日本PVA纤维、纤维长度9 mm以及纤维体积掺量2.2%对水泥基材料的增强效果较好,并测定出各类纤维水泥基材料的弹性模量及泊松比；(5)利用FLAC3D仿真软件对优化配方下的纤维增强水泥基复合支护材料进行数值模拟,结果发现：纤维增强水泥基复合材料对巷道支护的效果有较大改进,能够抵抗较大的变形,释放围岩应力。
【关键词】：巷道支护 水泥基材料 聚合物改性 纤维增强 正交试验 物理性能 力学性能 数值模拟
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD350.4;TB33
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-19
• 1.1 课题研究背景及意义14-15
• 1.2 研究现状与发展趋势15-17
• 1.2.1 支护材料的国内外研究15-16
• 1.2.2 巷道支护技术16-17
• 1.3 本文研究的目的、技术方案和主要内容17-19
• 2 水泥基复合材料强韧化理论19-27
• 2.1 聚合物改性水泥基复合材料19-22
• 2.1.1 国内外研究进程19-20
• 2.1.2 聚合物的应用形式20-21
• 2.1.3 聚合物改性机理21-22
• 2.2 纤维增强水泥基复合材料22-24
• 2.2.1 研究现状22-23
• 2.2.2 纤维增强理论23-24
• 2.2.3 超高韧纤维增强材料24
• 2.3 外加剂24-26
• 2.3.1 减水剂24-26
• 2.3.2 速凝剂26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 实验材料及方案设计27-37
• 3.1 实验原料27-29
• 3.1.1 水泥27
• 3.1.2 砂石27
• 3.1.3 粉煤灰27
• 3.1.4 硅灰27-28
• 3.1.5 化学外加剂28
• 3.1.6 纤维28-29
• 3.1.7 聚合物29
• 3.1.8 水29
• 3.2 方案设计29-32
• 3.2.1 试验仪器设备29-30
• 3.2.2 配方设计30-32
• 3.3 试验方法32-36
• 3.3.1 试件的成型与养护32-33
• 3.3.2 拌合物物理性能33-34
• 3.3.3 力学性能34-35
• 3.3.4 微观机理35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 水泥基材料强韧化试验及分析37-73
• 4.1 聚合物改性37-52
• 4.1.1 PB-g-PS改性剂的合成及表征37-40
• 4.1.2 新拌合物物理性能40-42
• 4.1.3 试件力学性能42-49
• 4.1.4 聚合物改性材料的微观形貌49-50
• 4.1.5 小结50-52
• 4.2 纤维增强水泥基复合材料52-62
• 4.2.1 拌合物物理性能52
• 4.2.2 抗压强度52-55
• 4.2.3 抗折强度55-57
• 4.2.4 劈裂抗拉强度57-58
• 4.2.5 压折比58-60
• 4.2.6 弯曲韧性60-61
• 4.2.7 小结61-62
• 4.3 局部优化设计62-71
• 4.3.1 纤维种类的影响62-64
• 4.3.2 纤维长径比的影响64-67
• 4.3.3 纤维体积掺量的影响67-70
• 4.3.4 弹性模量70-71
• 4.3.5 小结71
• 4.4 本章小结71-73
• 5 材料支护效果数值模拟73-84
• 5.1 Flac~(3D)简介73-74
• 5.2 模型的建立74-78
• 5.2.1 几何模型74-75
• 5.2.2 数值模型75
• 5.2.3 破坏准则的选取75-77
• 5.2.4 边界条件77
• 5.2.5 初始应力设置77
• 5.2.6 计算参数的选取77-78
• 5.3 数值模拟结果分析78-83
• 5.3.1 初始状态78-79
• 5.3.2 巷道开挖未支护状态79-80
• 5.3.3 开挖支护状态80-83
• 5.4 本章小结83-84
• 6 结束语84-86
• 6.1 全文总结84-85
• 6.2 研究不足与展望85-86
• 致谢86-87
• 参考文献87-92
• 附录92

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