芳纶纤维对水泥砂浆力学性能的影响研究

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唐山学院毕业设计设计题目：芳纶纤维对水泥砂浆力学性能的影响研究系别：环境与化学工程系班级：08无机非金属材料(2)班姓　　名：冯晨辉指导教师：郝斌2012年6月10日 芳纶纤维对水泥砂浆力学性能的影响研究摘要水泥砂浆有抗折与抗压强度低、抗冲击性差和抗渗性差等缺点，本试验采用掺加不同体积分数1%，1.5%，2%，2.5%的芳纶纤维来改善水泥砂浆的力学性能。主要研究在纤维长度不变的情况下，调整纤维的含量，最终通过测定水泥砂浆试样的抗折、抗压强度，通过对比来找到芳纶纤维的最佳掺入量。并研究了掺入纤维后的水泥砂浆流动度和凝结时间。试验结果表明：在纤维长度一定的前提下，芳纶纤维的含量为1.5%时强度提高的效果最明显；掺入纤维后流动度变差，凝结时间变短。关键词：芳纶纤维水泥砂浆力学性能体积分数 StudyonAramidFiberontheMechanicalPropertiesofCementMortarAbstractCementmortarhasasignificantdrawbackforexample,flexuralandcompressivestrength,lowresistanceandimpermeability.thisexperimentadoptsmixedwithdifferentvolumefractionsof1%,1.5%,2%,2.5%ofthearamidfibertoimprovethemechanicalpropertiesofcementmortar.Researchonfiberlengthunchanged,adjustthefibercontent,throughthedeterminationofcementmortarspecimenflexural,compressivestrength,bycontrasttofindaramidfiberisthebestdosage.Andstudiedtheincorporationoffibercementmortarfluidityandsettingtime.Theexperimentalresultsshowthatthefiberlength:inacertaincontext,aramidfibercontentis1.5%whenimprovethestrengthoftheeffectismostpronounced;fiberstooshort,toolongnottocementmortarstrengthincreases,incorporatingfiberfluidityvariation,thesettingtimeisshorter.Keywords:aramidfiber;cementmortar;mechanicalproperties 目录1引言11.1芳纶纤维简介11.1.1芳纶纤维的发展历史11.1.2芳纶纤维的分类与形态11.1.3对位芳纶纤维的特点21.1.4对位芳纶纤维的制造技术21.1.5我国对位芳纶纤维的发展前景21.2芳纶纤维用途31.2.1航空航天工业31.2.2IT(信息技术)产业41.2.3国防工业41.2.4汽车工业41.2.5耐热及防护服装41.2.6制作丝绳41.2.7增强混凝土及复合材料41.2.8代替石棉51.2.9运动器材51.3芳纶纤维增强水泥砂浆的意义51.3.1水泥砂浆的特点51.3.2芳纶纤维在水泥砂浆中的作用61.3.3芳纶纤维增强水泥砂浆的增强机理62试验的准备72.1试验的原料72.2试验设备92.3试验方案的确定103试验113.1纤维混合方法的确定113.2纤维加入量的换算123.3试验过程123.3.1水泥砂浆抗折强度与抗压强度测定123.3.2水泥胶砂流动度的测定13 3.3.3水泥试体凝结时间的测定143.4试验结果153.4.1试体抗折与抗折强度结果153.4.2水泥胶砂流动度的结果记录183.4.3水泥凝结时间的结果记录183.5试验结果分析183.5.1纤维的混合方式对水泥砂浆试块性能的影响183.5.2纤维的掺入量对水泥砂浆试体抗折强度的影响183.5.3纤维的掺入量对水泥砂浆试体抗压强度的影响193.5.4纤维的掺入量对水泥胶砂流动度的影响193.5.5纤维的掺入量对水泥砂浆凝结时间的影响193.6试验结果讨论204结论21谢辞22参考文献23外文资料24 唐山学院毕业设计1引言1.1芳纶纤维简介1.1.1芳纶纤维的发展历史芳纶纤维诞生于20世纪60年代，最早作为宇宙开发材料和重要的战略物资颇为神秘。冷战后，芳纶作为高科技的纤维材料大量用于民生行业，才逐渐露出庐山真面目。芳纶最早由美国杜邦公司研制成功并实现工业化生产，并将间位芳纶注册为Nomex(诺美g斯)，对位芳纶注册为Kevlar(凯芙拉)，两者分别在世界间位、对位芳纶领域占据着主导地位。间位芳纶纤维是一种柔软洁白、纤细蓬松、富有光泽的纤维，外观与其他普通化纤并无二致，却集众长处于一身，拥有超乎寻常的“特异功能”。几乎和间位芳纶纤维的发明同步，美国杜邦公司在20世纪60年代末研制出另一种高性能合成纤维-防弹纤维芳纶1414即对位芳纶纤维，其商品于1972年首次问世，被定名为Kevlar(凯芙拉)。对位芳纶纤维外观为金黄色，看似闪亮的金属丝线，实际上则是由刚性长分子构成的液晶态的聚合物。由于它的分子链沿长度方向高度取向，并且具有极强的链间结合力，从而赋予了该纤维空前的高强度、高模量和耐高温性能。对位芳纶纤维的发现被认为是在材料界发展史上的一个的重要里程碑。对位芳纶纤维具有极高的强度，大于28g/旦，是优质钢材的5-6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/5。(对位芳纶纤维的的强韧性同样也使其裁切与加工异常困难，需要昂贵的专用工具)。长期以来，由于投资成本高、技术难度较大，世界上仅美国、日本和前苏联有能力进行该纤维的生产，工艺技术属于绝密，产品被视为战略物资而严加管制。目前，全球芳纶市场主要由美国杜邦公司、日本帝人公司以及烟台氨纶股份有限公司三大芳纶供应商来瓜分[1]。1.1.2芳纶纤维的分类与形态芳纶纤维根据化学结构的不同，可以分为两种主要类型：一类是以耐热性、难燃性为特性的间位芳纶，全称为聚对间苯二甲酰间苯二胺，英文缩写为PMTA，美国商品名为Nomex，在我国称为芳纶1313；一类是以高强度、高弹性模量、耐热性为特性的对位芳纶，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，英文缩写为PPTA，商品名美国为Kevlar，日本为Technora，荷兰为Twaron，俄罗斯为Tevlon[2]，在我国称为芳纶1414。1414纤维为亮黄色，1313纤维为亮白色。分别具有短纤维(或长丝)和浆粕纤维(或称沉析纤维)两种纤维形态。本试验使用的纤维为对位芳纶纤维。　　30 唐山学院毕业设计1.1.3对位芳纶纤维的特点对位芳纶纤维最突出的性能特点是它有高强度和高弹性模量。对位芳纶纤维的强度为钢材的3倍；为强度较高的涤纶丝的4倍；它的初始模量，为涤纶丝的4-10倍；为聚酞胺纤维的10倍还多。对位芳纶纤维的稳定性非常好，在150℃下收缩率为几乎零。并高温下仍能保持比较高的强度，比如在260℃温度下仍可保持原来强度的65%。它对橡胶粘的附性较好，是较理想的帘子线纤维；它还具有低密度，优良减展性，耐磨，耐冲击，耐疲劳，低膨胀，低传热，不燃，不熔等突出的热性能以及良好的介电性能。1.1.4对位芳纶纤维的制造技术芳纶1414由聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纺丝制成，主要商品有Kevlar、Twaron等。杜邦公司采用低温溶液缩聚法生产芳纶1414：首先将适量的对苯二胺(PPD)在缩聚溶剂中溶解，在氮气的保护下冷却到-15℃，然后伴随着搅拌添加对苯二甲酰氯(TPC)。反应物静置放置一夜，同时温度逐渐升至室温。将此反应物在混合器中用水洗去溶剂和HCl，过滤收集聚合物。采用浓硫酸作溶剂制备纺丝溶液，溶解温度在80℃，溶液浓度为14%-20%，采用这些条件是为了获取具有各向异性的液晶纺丝原液。采用干喷湿纺法纺丝，干喷湿纺的作用之一是将喷丝板和低温凝固水浴隔开，以使喷丝板保温，保持纺丝溶液的液晶态。另外，干喷湿纺的的空气层有利于纺丝溶液的拉伸。喷头拉伸比对初生纤维强度有很重要的影响，一般大于3。纺丝时预先将纺丝原液加热到70-90℃，纺出喷丝孔后，再经过约0.5-10mm厚的空气层，然后进入温度小于4℃、硫酸含量小于10%的凝固浴中。由于纺丝溶液具有液晶性质，通过喷丝孔时已经高度取向，初生纤维不必进行拉伸就能获得比较高的力学性能，经过水洗干燥就可以得到标准级的芳纶了。为了得到更高模量的芳纶，还需要在氮气流的保护下，进行约550℃的热处理。高模量Kevlar49就是标准级Kevlar29通过热处理得到的。湿纤维1414的初生纤维在高温下的热处理对于提高模量很有效，但对强度的影响不大[3]。通过纤维成型技术改善芳纶1414力学性能的途径有：减小喷丝孔和纤维的直径、增加喷丝孔的长径比、增加纺丝张力和纺丝速度、对初生纤维进行浸渍后热处理、冷冻固态下的高压纺丝、聚合物渗透[4]技术等，此类技术基本上是从减少纤维1414的结构缺陷，提高结晶取向程度来考虑的。1.1.5我国对位芳纶纤维的发展前景经20世纪70、80年代全国各部门的协同攻关和本世纪初的产业化开发，对位芳纶纤维的工艺研究已经成熟，产业化的关键技术，如连续溶解和脱泡技术、双螺杆连续缩聚技术、30 唐山学院毕业设计多部位干湿法纺丝技术等取得了重大突破。上海艾麦达、仪征化纤和烟台氨纶百吨级中试生产线相继通过鉴定，纤维性能达到或接近国外同类产品水平。经过长达数十年的应用开发，对位芳纶纤维在我国已经成功应用于航空、航天、高速列车、汽车，以及防弹衣、防刺衣、防弹头盔、装甲为代表的各种防护制品，光缆补强材料、橡胶增强材料、混凝土结构物增强材料、摩擦与制动材料、代替石棉材料、工业机械和体育用品等各个领域。而且，随着我国国民经济和国防现代化建设的快速发展，国内对位芳纶的需求量与日俱增。据统计，我国每年芳纶进口额高达数亿元，缺口在6千吨左右，市场潜力极大[5]。在国务院、发改委发布的关于《技术改造投资方向》、《纺织工业“十一五”发展纲要》、《化纤工业“十一五”发展指导意见》、《产业用纺织品行业“十一五”发展规划》等一系列重大发展规划当中，全都明确提出了发展高新技术纤维产业化及应用的战略目标。为了应对当前严峻的国际经融危机，国家又出台了更为具体的《纺织工业调整和振兴规划》。该规划明确提出，要促进产业用纺织品的应用，推进高新技术纤维产业化，提高纺织装备自主化水平，培养具有国际影响力的自主知名品牌。由此可见，以芳纶为代表的高性能纤维材料在我国的发展前景将是非常广阔的。目前我国正在进行对位芳纶产业化建设的企业有：常熟兆达特种纤维有限公司一期工程产能为500t/a，己基本建成；烟台氨纶股份有限公司产能为1kt/a，总投资2.5亿元，已于2010年投产；中石化仪征化纤股份公司产能为3kt/a，计划投资12亿元，预计2012年建成投产，目前已通过环境评估报告，正在中石化内部寻求中间体的配套；中蓝晨光化工研究院产能为1kt/a，计划投资4亿元，已于2011年建成；此外，河北硅谷化工公司和中国平煤神马集团早在2006年就开始致力于对位芳纶的产业化，产能分别为1k/a和500t/a，后者的对位芳纶项目——赛尔纤维项目于2009年1月被纳入国家“863”计划[5]。综上所述，当前，我国对位芳纶产业化技术已基本成熟。而且，一旦产业化，则将迎来一个高速发展期。可以预期，中国将成为继美、日之后世界第三大对位芳纶生产国和消费国。1.2芳纶纤维用途1.2.1航空航天工业早在20世纪70年代初，Kevlar49(对位芳纶中的1个品种)就因为其密度低，耐烧蚀性能好，用于制造导弹的固体火箭发动机壳体，后来又用于30 唐山学院毕业设计制造先进的飞机，航天器的机身，主翼，尾翼等。有关企业曾以芳纶环氧无纬布和薄铝板交叠铺层，经热压后而成的ARAL超混复合层板，其比强度(抗拉强度与相对密度之比)，比模量(弹性模量与相对密度之比)都比优等铝合金板高，疲劳寿命是铝合金的100-1000倍[6]。1.2.2IT(信息技术)产业由于IT技术的发展，光纤铺设量猛增，全球光纤总长度由2001年的1.6亿km,预计到2003年将增至2.0亿km[6]。对位芳纶可用作光纤中的“张力构件(Fensionmember)(或称芯捍)，有了这种具有高模量性能的强力构件，可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力不致伸长，从而不使光纤传输性能受到损坏。目前用于此强力构件的对位芳纶约3000-4000t，但据业者预测，其实际短缺量约4000-5000t。1.2.3国防工业芳纶纤维可用于制作防弹制品，如芳纶与金属制成的复合装甲板，芳纶与陶瓷制成的复合装甲板已广泛用于防弹装甲车，防弹运钞车，防弹头盔上。高档防弹芳纶的无纬布与高性能的聚乙烯薄膜制成的软质防弹背心，比相对分子质量超高的聚乙烯纤维的防弹性能和耐热性能更好[6]。1.2.4汽车工业由于对位芳纶纤维的相对密度小，对橡胶有良好的粘附性，可供制造高速行驶或超重负载的汽车和飞机的轮胎帘子线。这种轮胎重量较轻，轮胎胎层薄，热量容易发散，轮胎使用寿命可以延长。芳纶纤维还可用于制作汽车上的挡泥板，保险杠，刹车片，离合器，减振缓冲器和各类软管，可大大降低车身自重，减少油料消耗[6]。1.2.5耐热及防护服装间位和对位两种芳纶都可用于制作宇航服，原子能工业防护服，防火和消防工作服，具有色彩各异能见度高的阻燃防护工作服，以满足巡路人员和营救人员的特殊需要。宇航员舱外服装要经受巨大温差(受阳光照射时为120℃，不受阳光照射时为-273℃)的考验和宇宙尘埃的袭击，芳纶纤维是选作宇航服的材料之一[6]。1.2.6制作丝绳芳纶可用于制作高档的丝绳，如航空航大降落伞绳，海上油田用的支撑绳等。用芳纶制作的丝绳在海洋上使用时，不仅经得起海浪的冲刷，而且藻类、贝类等海洋生物也难以在丝绳上寄生。1.2.7增强混凝土及复合材料混凝土经芳纶纤维增强后，除了强度高，重量轻的优点30 唐山学院毕业设计以外，还能耐盐类腐蚀，可延长建筑物寿命。芳纶的复合材料能承受高强拉力，用它制作桥墩构件，大型浮体构件和石油井平台等，有耐海水浸泡，不生锈，无须涂抹防锈漆的优点。1.2.8代替石棉因为石棉对环境有严重影响，有关部门早就在寻求石棉的替代品，目前芳纶可成功地代替石棉使用。可将芳纶长丝切断，磨碎，制成“浆料(pulp)”，即可制成汽车上的制动器的衬垫和垫圈，以代替石棉制品。1.2.9运动器材充分利用芳纶耐高温、耐热、耐疲劳等特性，来制作运动条件要求非常高的拳击手套，登山鞋靴，赛车车体，赛马头盔等[6]。还可用于制作网球拍，滑雪板，滑雪捍雪橇，弓箭，弓弦[7]，钓鱼杆，风筝骨架和高尔夫球棍等。1.3芳纶纤维增强水泥砂浆的意义1.3.1水泥砂浆的特点水泥是建筑工业三大基本材料之一，使用广，用量大，素有建筑工业的粮食之称[8]。水泥有很多的优点，水泥砂浆具有很好的可塑性能，与砂石搅拌后仍能使混合物具有必要的和异性，并且可浇筑成不同形状尺寸的构件；适应性很强可以用于海上、地下、深水或者严寒、干燥的地区，以及耐侵蚀、防辐射、核电站等一些特殊的工程的不同需求。与普通钢铁相比，水泥制品不会生锈，也没有木质材料易于腐朽的缺点，更没有塑料材料因年久易于老化的问题，维修量少，因此水泥大量用于民生和工业建筑、交通、水利等工程。因此，水泥行业的发展对保证国家安全、人民生活水平的提高都具有十分重要的作用。并且由于水泥的原材料易得而廉价，所以水泥的价格还比较便宜。同钢材相比，同等荷载下，水泥混凝土的自重比较大。也就是说强度偏低，水泥实际强度远远低于其理论强度，究其原因，主要是混凝土中必然存在裂缝，裂缝的成因有温度造成的裂缝、干缩裂缝等，这都是由于水泥本身性质造成的，不可避免的；耐久性比较差，硅酸盐水泥配制的混凝土易受到氯盐、硫酸盐等盐的侵蚀，造成混凝土的性能劣化，这是由于硫酸盐可以与水泥水化产物反应的原因。还有其它的有害物侵蚀，如碱集料反应、混凝土碳化等；使用有限制，在寒冷的季节和地区，硅酸盐水泥的凝结时间变长，并且水结冰后难与水泥反应。所以在新疆等苦寒地带，冬季是不宜施工的；高能耗，生产每吨普通硅酸盐水泥，整个过程耗能折合标准煤100公斤左右。资源消耗也很高，生产每吨水泥的原料总重约1.4吨；不能回收和利用，水泥的水化反应是不可逆的，旧建筑拆除后，会产生大量的建筑垃圾。30 唐山学院毕业设计水泥有它的优点也有自己的缺点，但水泥砂浆的致命弱点是它的脆性。水泥的致命弱点就是它的脆性[9]。脆性一般是指水泥破坏过程中能量的消耗值，是和韧性相对应的指标。其实质是断裂临界点以前水泥内部积累起来的最大弹性能快速地的转化为主要裂纹断裂表面能的能量转化过程。断裂表面能起着抵抗裂纹扩展、抑制材料断裂的作用，是材料脆性大小的量度，其值取决于材料的组成、结构等特性参数[10]。因此，降低水泥的脆性，应从提高水泥的断裂能入手。1.3.2芳纶纤维在水泥砂浆中的作用在水泥砂浆中掺加芳纶纤维能提高水泥砂浆基体的抗拉强度；阻止水泥砂浆基体中原有微裂缝的扩展并且延缓新裂缝的产生[11]；提高基体的变形性能从而大幅度提高基体的韧性与抗冲击性。目前针对芳纶纤维增强水泥砂浆的研究，大部分集中在将芳纶纤维片材贴覆于建筑构件表面，以提高结构承载能力等方面[12]，传统的连续纤维片材或板材在纤维方向上有较好的增强效果，但在垂直纤维方向却很弱,在结构加固和修复方面有良好的表现，但有些情况下试样承受的应力状态是无法预测的，可能同时在多个方向上承受应力，这时使用连续纤维的增强效果就会受到制约，水泥试样不能得到有效的增强，纤维的利用率也会较低。在水泥砂浆试样中直接掺入短切纤维，由于纤维在试样中是随机均匀分布的，同时纤维的数量很多，可以对来自不同方向上的应力进行有效地分担[13]，从而能够最大限度地增强试样，同时也极大地提高了纤维的利用率。本文将研究短切的芳纶纤维掺入后对水泥砂浆扛着与抗压强度的影响。1.3.3芳纶纤维增强水泥砂浆的增强机理水泥砂浆中纤维的增强机理可归结为两种，即纤维间距机理和复合材料混合机理。纤维增强的水泥砂浆断裂时，裂缝扩展过程中可以遇到下列物理效应：第一，裂缝尖端遇到纤维时会引起纤维与基体结合的解离，从而能减缓裂缝尖端的应力集中，甚至终止纤维裂缝的扩展[14]；第二，引起纤维的断裂；第三，使纤维从基体中拔出。这些过程都增强了水泥基体的性能。芳纶纤维增强的砂浆将存在明显的塑性变形，水泥砂浆中加入芳纶纤维改善了水泥砂浆的抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗冲击、抗疲劳以及断裂韧性，使水泥砂浆的力学性能明显增强[15]。30 唐山学院毕业设计2试验的准备2.1试验的原料(1)本试验使用的水泥为冀东启新水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥。它的技术标准有：烧失量普通水泥中烧失量不能大于5.0%。氧化镁水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。三氧化硫水泥熟料在粉磨过程中，必须加入适量的石膏起到缓凝的作用。石膏与C3A反应形成钙矾石包裹在C3A表面，阻止了其快速水化和闪凝。钙矾石的形成吸收了大量结晶水，如果水泥中含有过量的三氧化硫，水泥水化后发生该反应，则在硬化的水泥体中形成针棒状的钙矾石晶体造成水泥石的膨胀，引起水泥安定性不良。所以，水泥中的三氧化硫的含量按标准不得超过3.5%。细度水泥细度就是水泥的分散度，也就是指水泥颗粒的粗细程度，是水泥厂用来控制水泥产量与质量的重要参数。普通水泥过0.08mm方孔筛筛余不能超过10.0%.凝结时间水泥浆体的凝结时间对于工程施工具有重要意义。在水化的诱导期，水泥浆的可塑性基本不变；然后逐渐失去流动能力，开始凝结，到达“初凝”。接着就进入凝结阶段，继续变硬，待完全失去可塑性，有一定结构强度，及为“终凝”。从和水开始到失去流动性即从可塑状态发展到固体状态所需要的时间称为的凝结时间。凝结时间又分为初凝时间和终凝时间。初凝是指从加水拌和到浆体达到人为规定的某一可塑状态所需的时间。初凝表示浆开始失去可塑性并凝聚成块，此时不具有机械强度。终凝是指从加水拌和到浆完全失去可塑性、达到人为规定的某一较致密的固体状态所需的时间。它表示胶体进一步紧密并失去其可塑性，产生了机械强度，并能抵抗一定的外力[16]。我国标准规定，凝结时间用规定的凝结时间测定仪进行测定。初凝时间过短，往往来不及施工；反之，终凝时间太长，又会妨碍工程进展，造成实际工作中的困难。因此，各国标准都规定了水泥凝结时间。我国国家标准GB201-81规定。初凝时间不得早于45min，终凝时间普通硅酸盐水泥不得迟于10h。安定性在水泥凝结硬化过程中或多或少会发生体积变化。如这种变化发生在硬化之前或者即使发生在硬化过程中，但不很明显，则对建筑物不会有很大影响如果在硬化过程中产生剧烈而不均匀的体积变化，即安定性不良，为了避免安定性不良标准规定熟料氧化镁含量不得超过5.0%，只有蒸压安定性试验30 唐山学院毕业设计合格才允许放宽到6.0%，并且控制游离氧化钙的含量。强度水泥的强度是评价水泥质量的重要指标，是划分强度等级的依据。各主要国家都有各自的水泥强度测定方法。我国的国家标准规定，将水泥与标准砂以1：2.5的比例配成砂浆，按严格规定进行测试。另外，也常用非标准的方法，例如采用水泥净浆或者尺寸较小的试体，在一定范围内进行对比试验。但是，不同测试方法所得到的强度值不能直接相比。同时，由于水泥的强度是逐渐增长的，所以在说明强度时，还须指明测试时的养护龄期。强度是指胶砂硬化试体所能承受外力破坏的能力，用MPa(兆帕)表示。它是重要的物理力学性能之一。根据受力形式的不同，水泥强度通常分为抗压强度、抗折强度和抗拉强度三种。水泥胶砂硬化试体承受压缩破坏时的最大应力，称为水泥的抗压强度；水泥胶砂硬化试体承受弯曲破坏时的最大应力，称为水泥的抗折强度；水泥胶砂硬化试体承受拉伸破坏时的最大应力，称为水泥的抗拉强度。由于试验条件的限制，本试验只测定水泥砂浆试体的抗压和抗折强度。掺入纤维后，水泥砂浆的流动度，凝结时间也会受到一定的影响，所以测定其凝结时间和流动度的变化也很有必要。(2)上文已介绍过的对位芳纶纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，能提高水泥砂浆的抗折、抗压、柔韧性、连续性、耐久性等性能，是很好的增强材料。(3)标准砂是统一检验水泥强度用的材料，水泥强度试验用标准砂，ISO水泥强度试验用标准砂是根据GB/T17671-1999，ISO679:1989生产，用于检验水泥胶砂强度的基准物质。ISO标准砂采用二氧化硅含量不低于98%的天然圆形硅质砂作原料，从原料开采、粗加工、半成品加工、精加工到级配包装，一系列生产过程都在严格的质量控制下完成。在ISO标准砂的各项物理化学控制指标中，如果有一项不合格，最终产品即按报废处理。几年来，产品的合格率始终保持在100%，与德国基准砂的强度比对D值均在2%以内(ISO标准要求5%即可)。ISO标准砂采用小袋包装，每袋净含量为1350g±5g，每15小袋再用软材料包成一大袋。标准砂作为流动性标准的样品，其准确性、均匀性和稳定性是非常重要的，因此国内外对它的管理都非常重视，尤其是在中国，标准砂作为检验水泥强度的基准材料之一，一直受到国家主管部门的重视。但由于中国的水泥企业众多各单位管理水平参差不齐，又加上一些不法分子在利益驱动下，违反国家政策，制售不合格标准砂，严重影响了水泥的检验质量。因此，加强标准砂的生产、销售和监督的管理，对保证水泥强度试验数据的准确性和可比性，满足水泥生产、科学研究以及质量监督的需要具有重要的意义。30 唐山学院毕业设计2.2试验设备表2-1试验所用主要仪器仪器名称规格型号生产厂家电动抗折试验机DKZ-6000无锡建材仪器机械有限公司水泥胶砂搅拌机JJ-5北京市盛世通精密试验仪器厂标准恒温恒湿养护箱ZXH-H北京市盛世通精密试验仪器厂不锈钢水泥养护箱YSC-306北京市盛世通精密试验仪器厂架盘天平HC-TP-12天津市天平实业公司标准检验筛0.08mm浙江上虞市江南纱筛厂电子天平上海精密科学仪器有限公司压力试压机NYL300中国建筑装配总公司无锡市建筑材料仪器机械厂主要仪器的介绍(1)振动台又称振动激励器或振动发生器。它是一种利用电动、电液压、压电或其他原理获得机械振动的装置。其原理是将激励信号输入一个置于磁场中的线圈，来驱动和线圈相联的工作台。电动式振动台主要用10Hz以上的振动测量，最大可激发200N的压力。在20Hz以下的频率范围，常使用电液压式振动台，这时振劝信号的性质由电伺服系统控制。液压驱动系统可以给出较大的位移和冲击力。振动台可以用于加速度计的校准，也可用于电声器件的振动性能测和其耸的振动试验。对于不同的测试物和技术指标，应注意选用不同结构和激励范围的振动台。(2)小型压力试验机压力试验机也称电子压力试验机，主要适用于橡胶、塑料板材、管材、异型材，塑料薄膜、电线电缆、防水卷材、金属丝等材料的各种物理机械性能测试。压力试验机的拉伸试验:拉伸试验(应力－应变试验)一般是将材料试样两端分别夹在两个间隔一定距离的夹具上，两夹具以一定的速度分离并拉伸试样，测定试样上的应力变化，直到试样破坏为止。拉力机拉伸试验30 唐山学院毕业设计是研究材料力学强度最广泛使用的方法之一，需要使用恒速运动的。按载荷测定方式的不同，大体可以分为电脑式万能拉力试验机和电子拉力试验机两类，目前使用较多的是电子拉力试验机。2.3试验方案的确定上文中已提到目前针对芳纶纤维增强水泥砂浆的研究，大部分集中在将芳纶纤维片材贴覆于建筑构件表面，这种方案的缺点是有些情况下试样承受的应力状态是无法预测的，可能同时在多个方向上承受应力，这时使用连续纤维的增强效果就会受到制约，水泥试样不能得到有效的增强，纤维的利用率也会较低。所以本试验选择的试验方案是在水泥砂浆试样中直接掺入短切纤维，由于纤维在试样中是随机均匀分布的，同时纤维的数量很多，可以对来自不同方向上的应力进行有效地分担[17]，从而能够最大限度地增强试样，同时也极大地提高了纤维的利用率。将切短的纤维加入水泥砂浆中就涉及到掺加的纤维长度及掺加的含量，纤维的掺加含量经过查阅大量的资料以及试验的实际情况最终确定掺加的含量为1.0%，1.5%，2.0%，2.5%以及空白样五组含量.而纤维的长度则选择1-1.5cm。另外，掺加纤维后的水泥试体干缩性，作为辅助试验，也有必要进行测试；水泥胶砂的凝结时间作为实际施工中必不可少的使用相，测试其掺入纤维后的凝结时间对实际生产也具有指导作用，测试也不可避免。30 唐山学院毕业设计3试验3.1纤维混合方法的确定经过查阅大量资料查看以往试验的经验中纤维的混合方法用的比较多的有干拌法和湿拌法两种。干拌法是将纤维与水泥标准砂先放入砂浆搅拌锅中手动充分混合，再放在胶砂搅拌机中搅拌加水；湿拌法是将纤维先混在水中，充分分散后倒进装有水泥和标准砂的砂浆搅拌锅中。这两种方法都可用来混合芳纶纤维，但哪种混合效果更好，还要通过试验来验证。这一试验为对比试验，准备两份450g水泥，两袋1350g标准砂，两份225ml水，称取两份相同质量的1g左右的芳纶纤维。具体试验过程为：(1)先将试模擦净，模板与底座接触面处涂黄干油，内壁均匀涂一薄层机油。紧密装置。(2)每组成型三条式体：水泥试样450g，灰砂比为1:3，拌合水量水灰比为0.5，湿拌法时将称量好的水泥与标准砂倒入搅拌锅内，将称好的纤维加入量好的水中，进行充分的混合，开动搅拌机干拌水泥和标准砂过5s后徐徐加入加有纤维的水，25s内加完。自开动机器搅拌180s停车。将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌锅；干拌法时，将标准砂铺一层在搅拌锅中,再在上面铺一层芳纶纤维,再铺一层标准砂、一层芳纶纤维,这样反复操作,直到全部倒入。用砂浆搅拌机将以上混合物搅拌均匀，再加入水泥将混合料充分搅拌，再加入水后继续搅拌180s停车。将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌锅。(3)将搅拌好的胶砂全部尽量均匀地装入卡紧的试模中，然后将试模放上振动台，震动120s。(4)震动完毕，取下试模，轻轻刮去高出试模的胶砂并抹平。然后编号。(5)将编号后的试体放入养护箱内，经24h脱模。(6)脱模后的试体放入水槽中养护，试体间应有间隙，水面至少高出试体2厘米。养护水每两周更换一次。(7)这一试验只需测定其三天强度来确定使用哪种混合方法即可，试验前从水中取出试体用湿布盖上。试验时擦去试体表面水分与沙粒，放入夹具内，应使侧面与圆柱接触。(8)当采用电动抗折试验机进行试验时，试体放入前应使杠杆处于平衡位置，试体放入后，调整夹具，使试体在折断时，杠杆尽可能接近平衡位置。试块养护三天后测试其抗折强度，干拌法掺加纤维制得的试块抗折强度平均值为2246.5N，湿拌法掺加纤维制得的试块抗折强度平均值为为2210.3N。根据数据可知使用干拌法可使纤维分布更均匀，并且通过肉眼观察试块的断裂面30 唐山学院毕业设计也可观察到干拌法试块分散得更均匀，没有纤维团聚的现象，而湿拌法则分散不均匀，有团聚现象的出现，综上所述，干拌法更适合芳纶纤维的分散，所以本试验采用干拌法掺入芳纶纤维。3.2纤维加入量的换算试验中纤维的加入量1%，1.5%等都是体积掺加量，而我们实际操作中掺入的纤维要以质量计，所以要将体积掺加量转换成质量掺加量。3.3试验过程3.3.1水泥砂浆抗折强度与抗压强度测定使用的主要仪器有试验筛：金属丝网试验筛应符合GB/T6003要求；搅拌机：搅拌机属行星式，应符合JC/T681要求；试模：试模由三个水平的模槽组成，可同时成型三条截面为40mm×40mm，长160mm的棱形试体，其材质和制造尺寸应符合JC/T726要求；振实台：振实台应符合JC/T682要求；抗折强度试验机；抗压强度试验机；抗压强度试验机用夹具。将试验用水泥过0.08mm方孔筛，筛下水泥留做试验用。足够的切好的芳纶纤维备用，除空白样只需制三个试块外，其他掺加纤维的试块需制九块，三个试模，以便每个龄期测试三个试块取平均值来增加其准确性。(1)先将试模擦净，模板与底座接触面处涂黄干油，内壁均匀涂一薄层机油。紧密装置。(2)每组成型三条式体：水泥试样450g，灰砂比为1:3，拌合水量水灰比为0.5。将标准砂铺一层在搅拌锅中,再在上面铺一层芳纶纤维,再铺一层标准砂、一层芳纶纤维,这样反复操作,直到全部倒入。用砂浆搅拌机将以上混合物搅拌均匀，再加入水泥将混合料充分搅拌，再加入水后继续搅拌180s停车。将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌锅。(3)将搅拌好的胶砂全部尽量均匀地装入卡紧的试模中，然后将试模放上振动台，震动120s。(4)震动完毕，取下试模，轻轻刮去高出试模的胶砂并抹平。然后编号，30 唐山学院毕业设计如需测三个龄期，则将一个试模里的三块试体分别编入三个不同龄期，在三个龄期时分别测定。(5)将编号后的试体放入养护箱内，经24h候脱模。(6)脱模后的试体放入水槽中养护，试体间应有间隙，水面至少高出试体2厘米。养护水每两周更换一次。(7)各龄期试体必须在规定的时间内破型。每龄期三条试体先做抗折试验。试验前从水中取出试体用湿布盖上。试验时擦去试体表面水分与沙粒，放入夹具内，应使侧面与圆柱接触。(8)当采用电动抗折试验机进行试验时，试体放入前应使杠杆处于平衡位置，试体放入后，调整夹具，使试体在折断时，杠杆尽可能接近平衡位置。3.3.2水泥胶砂流动度的测定这一试验我们平时接触较少它的主要原理是通过测定一定配比的水泥胶砂在规定状态下的扩展范围来衡量其流动度。使用的主要仪器有(1)水泥胶砂流动度测定仪；(2)水泥胶砂搅拌机：应符合JC/T681规定；(3)试模：由截锥圆模和模套组成，圆模尺寸：高度60mm±0.5mm；上口内径70mm±0.5mm；下口内径100mm±0.5mm；下口外径100mm；模壁厚大于5mm。(4)捣棒：金属材料制成，直径为20mm±0.5mm;长度约为200mm。(5)卡尺：量程不小于300mm，分度不大于0.5mm。(6)小刀：长度大于80mm。(7)天平：量程不小于1000mm，分度不大于1g。试验过程(1)如跳桌在24h内未被使用，先空跳一个周期25次；(2)胶砂制备按照GB/T17671有关规定进行。同时，用湿抹布擦拭跳桌台面，试模内壁，捣棒以及与胶砂接触的用具，并将试模至于台面中央，以湿抹布覆盖。(3)将拌好的胶砂分两层迅速装入试模，第一层装至距圆模三分之二处，用小刀在相互垂直的方向各划5次，用捣棒由边缘至中心均匀插捣15次；随后，装第二层胶砂，装至高出截锥圆模约20mm，用小刀在相互垂直的方向各划5次，再捣棒由边缘至中心均匀插捣10次，捣压后胶砂略高于试模，捣压深度，第一层捣压至胶砂高度的二分之一，第二层插捣至第一次的结合面。装胶砂时扶稳试模，不要使其移动。(4)30 唐山学院毕业设计捣压完毕，取下试模，用小刀抹去高于试模的胶砂，并擦去落在桌面上的胶砂，将截锥模垂直提起，立即开动跳桌，以每s一次的频率，在25±1s内完成25次跳动。(5)从胶砂加水开始至测定扩散直径结束，应在6min内完成[17]。图3-1第一层插捣示意图试验做两次，一次测试单纯水泥砂浆的流动度，另一次测定产加入1g左右的芳纶纤维的水泥砂浆的流动度。图3-2第二层插捣示意图3.3.3水泥试体凝结时间的测定使用的主要仪器有水泥净浆搅拌机：符合JC/T729的要求；标准法维卡仪。试验步骤(1)测定前准备工作：调整凝结时间测定仪的试针接触玻璃板时，指针对准零点。(2)试件的制备：以标准稠度用水量制成标准稠度净浆一次装满试模，振动数次刮平，立即放入湿气养护箱中。记录水泥全部加入水中的时间作为凝结时间的起始时间。(3)初凝时间的测定：试件在养护箱中养护至加水后30min后进行第一次测定。测定时，将从养护箱中取出的试模放到试针下，降低试针使其30 唐山学院毕业设计与水泥净浆表面接触。拧紧螺丝后，突然的放松，试针垂直自由地落入水泥净浆之中。观察试针停止下沉时指针的读数。当试针沉至距底板4mm±1mm时，为水泥达到初凝状态；由水泥全部加入水后至初凝状态的时间为水泥的初凝时间，单位用“min”表示。试验时测定一次不掺加纤维的水泥砂浆初凝时间，再测试一次掺加1g左右纤维的水泥砂浆的初凝时间。(4)终凝时间的测定：为了准确观测试针沉入水泥的状况，将水泥净浆放入养护箱中继续养护，临近终凝时间时每隔15min测定一次，当试针沉入试体0.5mm时，为水泥达到终凝状态，由水泥全部加入水后至终凝状态的时间为水泥的终凝时间，单位用“min”表示。与初凝时间测试相同，分别测试加入纤维和未加入纤维的水泥砂浆的终凝时间。初凝时间与终凝时间纤维的掺加含量尽量相同。(5)定时应注意，在最初测定的操作时应轻轻扶持金属柱，使其徐徐下降，以防止试针撞弯，但结果以自由下落为准；在整个测试过程中试针沉入的位置至少要距试模内壁10mm。临近初凝时，每隔5min测定一次，临近终凝时每隔15min测定一次，到达初凝或终凝时应立即重复测一次，当两次结论相同时才能定为到达初凝或终凝状态。每次测定不能让试针落入原针孔，每次测试完毕须将试针擦净并将试模放回湿气养护箱内，整个测试过程要防止试模受振[18]。3.4试验结果3.4.1试体抗折与抗折强度结果养护3d后做抗折强度，计算公式为：-----抗压强度(Pa)；M-------在破坏荷重P处产生的最大弯矩；W-------截面矩量，截面为矩形截面时；P-------作用于试体的破坏荷重(N)；L-------抗折夹具两支撑圆柱的中心距(m)，L=0.1m；b-------试体宽度(m)，b=0.04m；h-------试体高度(m)，h=0.04m；水泥砂浆试件的劈裂抗拉强度值的确定应符合下列规定：a.该组试件的强度值为三个试件测值的算术平均值，精确到0.10MPa；b.30 唐山学院毕业设计三个测量值的最大值或者最小值中如果只有一个与中间值的差值超过中间值的10%时，应把其舍去后，再平均作为抗折强度试验结果；养护3d后做抗压强度，计算公式为：-----抗压强度(Pa)；P-------破坏荷重(N)；F-------受压面积m2(长×宽=4cm×4cm)。a.该组试件的强度值为三个试件测值的算术平均值，精确到0.10MPa；b.三个测量值的最大值或者最小值中如果只有一个与中间值的差值超过中间值的10%时，应把其舍去后，再平均作为抗折强度试验结果；不同试体的3d抗折、抗压破坏载荷如表3-1表3-1不同试体的3d抗折、抗压破坏载荷试样纤维掺入量(%)抗压数据(KN)抗折数据(N)F0037.62219.2F1137.82250.0F21.538.42376.5F32.038.12300.2F42.538.02225.8不同试体的3d抗折、抗压强度如表3-2表3-2不同试体的3d抗折、抗压强度(Mpa)试样纤维掺入量(%)抗压强度抗折强度F0023.55.20F1123.65.27F21.524.05.57F32.023.85.39F42.523.75.21不同试体的7d抗折、抗压破坏载荷如表3-3表3-3不同试体的7d抗折、抗压破坏载荷试样纤维掺入量(%)抗折数据(N)抗压数据(KN)F003121.875.0F113129.975.3F21.53170.476.4F32.03139.875.330 唐山学院毕业设计F42.53132.075.1和3d强度一样的方法处理数据不同试体的3d抗折、抗压强度如表3-4表3-4不同试体的7d抗折、抗压强度(Mpa)试样纤维掺入量(%)抗折强度抗压强度F007.3246.9F117.3447.1F21.57.4347.8F32.07.3647.1F42.57.3446.9不同试体的28d抗折、抗压破坏载荷如表3-5表3-5不同试体的28d抗折、抗压破坏载荷试样纤维掺入量(%)抗折数据(N)抗压数据(KN)F003731.380.0F113739.281.4F21.53768.082.3F32.03750.481.5F42.53741.281.3和3d强度一样的方法处理数据不同试体的28d抗折、抗压强度如表3-6表3-6不同试体的28d抗折、抗压强度(Mpa)试样纤维掺入量(%)抗折强度抗压强度F008.7450.0F118.7650.9F21.58.8351.4F32.08.7950.9F42.58.7750.830 唐山学院毕业设计图3-1掺入纤维后的试块断面3.4.2水泥胶砂流动度的结果记录未加入纤维的水泥胶砂流动度为扩大直径117mm，加入纤维的水泥胶砂流动度为扩大直径115mm。3.4.3水泥凝结时间的结果记录未加入纤维的水泥凝结时间为3h20min，加入纤维后水泥的凝结时间为3h9min。3.5试验结果分析3.5.1纤维的混合方式对水泥砂浆试块性能的影响当纤维以湿拌法的方式掺入水泥砂浆试体时根据抗折强度的数据2210.3N显示比以干拌法的方式掺入水泥砂浆试体时的抗折强度的数据2246.5N小，另外，用肉眼观察干拌法时的试体中纤维比湿拌法时纤维分散好。如果有条件往试体中加入一定量的合适的掺加剂，能对纤维的分散起到更好的作用，但由于本试验条件有限，没能掺加合适的掺加剂，只能选择比较合适的掺加方式来提高纤维与水泥砂浆的混合效果。3.5.2纤维的掺入量对水泥砂浆试体抗折强度的影响根据抗折强度的3d、7d和28d的试验结果可知，水泥砂浆中从不加纤维，到加入1%的芳纶纤维，再到加入1.5%的芳纶纤维，试体的抗折强度是逐渐增加的，到纤维掺加量到1.5%时达到最大值，当纤维加入2%和2.5%时试体的抗折强度又逐渐减小了，由此可知，纤维的掺加量在1.5%时，试体的抗折强度最大，这一掺加量在使用中是最合适的。30 唐山学院毕业设计图3-2不同纤维掺入量试体的抗压强度3.5.3纤维的掺入量对水泥砂浆试体抗压强度的影响根据抗压强度的3d、7d和28d的试验结果，水泥砂浆试体中从不加入纤维，到加入1%的芳纶纤维，再到加入1.5%的芳纶纤维，试体的抗压强度是逐渐加强的，在纤维掺加量到1.5%时抗压强度达到最大值，当纤维加入2%和2.5%时试体的抗压图3-3不同纤维掺入量试体的抗压强度强度又逐渐变小了，由此可知，与抗折强度相同纤维的掺加量在1.5%时，试体的抗压强度最大，这一掺加量在实际使用过程中是最合适的。3.5.4纤维的掺入量对水泥胶砂流动度的影响从试验结果可知未掺加纤维的胶砂流动度扩大直径为117mm,掺入纤维的水泥胶砂流动度扩大直径为115mm，纤维的掺入使水泥的流动度变小，说明纤维对水泥砂浆有固定水分的作用。3.5.5纤维的掺入量对水泥砂浆凝结时间的影响30 唐山学院毕业设计未加入纤维的水泥凝结时间为3h20min，加入纤维后水泥的凝结时间为3h9min。加入纤维后水泥的凝结时间变短了，这里纤维的作用与在水泥胶砂流动度的试验中的作用相同，固定了水分，使水泥砂浆快凝。3.6试验结果讨论总体试验虽很成功，但在试验中也发现了一些有待改进的问题，首先，在试验过程中有极个别的试块脱模后气孔较多(如图3-2所示)，测其强度还不如空白样的强度高，断裂面也随处可见气泡，尤其是纤维与水泥的结合面，从这点可以看出，水泥砂浆和芳纶纤维的界面结合不太好，可能由于震压不实，如果条件允许，添加有关的外加剂来促进两界面的结合，效果会更好；还有，即使本试验采用了分散效果较好的干拌法，但在搅拌锅中加水搅拌时，容器内壁会沾上很厚的纤维，这些纤维被搅拌出来，还得手动刮下去，以免影响测试结果，在实际生产中要找出更好的搅拌方法来避免这种情况的发生。图3-4断面处可见大气泡30 唐山学院毕业设计4结论(1)通过在水泥砂浆中掺入芳纶纤维短切丝,可有效提高水泥砂浆的抗折强度,芳纶纤维体积率为1.5%时强度提高的效果最好,掺加1.5%的纤维试体强度比空白样3d强度提高了1.33%，7d强度提高了1.88%，28d强度提高了2.72%。但是纤维也不是掺得越多越好,纤维掺加量达到2.0%和2.5%时的强度较与1.5%的纤维掺加量试体强度有所下降。(2)同样添加10-15mm的芳纶纤维后,水泥砂浆的抗压强度得到了一定的提高,同样是在纤维掺加量在1.5%时强度提高的效果最好，比空白样3d抗压强度提高了2.1%，7d抗压强度提高了1.88%，28d抗压强度提高了2.72%。(3)水泥砂浆加入纤维后流动度变差，凝结时间变短。30 唐山学院毕业设计谢辞本论文是在我的指导老师郝斌老师的亲切关怀和细心指导下完成的，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地打动和激励着我。从课题的选择到论文的最终完成，郝老师始终给予我认真的指导和不懈的支持，郝老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我无微不至的关怀，四年来我不断成长，一点点进步，一步步提升，使自己渐渐变强，逐渐长大。在此向郝老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在这里我还要感谢无机非金属教研组的所有老师的指导与鼓励，在这四年中是这些老师教会我知识，鼓励我上进，教会我工作和生活中的态度。时光荏苒，岁月如梭，美好的大学生活即将结束，从此将要踏上新的征程，开创新的生活。回忆四年的大学生活，有兴奋，也有失落；有目标，也有彷徨；有激情，也有惆怅；有欢笑，也有泪水。即将走上工作岗位的我们也会学习和继承各位师长认真负责，谨记您们的教诲，虽要走出校门，但人生中处处都是课堂，可以学做人，可以学知识，我会在人生道路上一直学下去。还有，我要感谢无机本专业08级所有同学，感谢他们在大学四年里给我很多美好的回忆和真挚的友情，感谢他们在我的课题研究和论文写作期间给予我很多宝贵的意见和建议，如果没有他们的积极配合和努力工作，我不可能如此顺利地完成论文的研究任务，我衷心祝愿他们将来无论是继续读研还是走向工作岗位都能拥有自己一片蔚蓝的天空。最后，衷心感谢所有给予我帮助、关怀和指导的老师、亲人、朋友们，祝你们在以后的日子里工作顺利，幸福安康。30 唐山学院毕业设计参考文献[1]余艳娥,谭艳君.新型高性能纤维——芳纶[J].高科技纤维与应用,2004,(5):13-15[2]李金宝,张美云,吴养育等.间位与对位芳纶纤维造纸性能比较[J].纸和造纸,2005,(5):69-72[2]沃丁柱等.芳纶纤维,复合材料大全[M].2000,北京,化工出版社:102一106[3]俞波.对位芳纶生产和应用技术进展[J].合成技术及应用,2005,(2):25-31[4]俞波.对位芳纶的生产和应用技术[J].中国橡胶工业协会骨架材料专业委员会暨2006年度会员大会中外技术论坛,2006,(6):104-117[5]李晔.对位芳纶的发展现状、技术分析及展望[J].合成纤维,2009,(9):1-3[6]黄兴山.芳纶的性能、应用和生产[J].化工时刊,2002,(12):1-5[7]袁金慧,江棂,马家举等.芳纶的应用和发展[J].高科技纤维与应用,2005,(04):29-33[8]沈威.水泥工艺学[M],武汉:武汉理工大学出版社.2010[9]梅迎军,王培铭,梁乃兴等.纤维增强聚合物水泥砂浆耐磨损及抗冲击性能的试验研究[J].重庆交通学院学报,2006,1(3):4-6[10]汪日灯,袁静波,王选仓.高抗折强度路面混凝土脆性研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,(6):23-27[11]贺玲凤,潘桂梅.芳纶纤维约束混凝土的力学性能研究[J].试验力学,2003,18(4):538-542[12]熊杰,萧庆亮,唐菊,等.纤维表面处理对FRP水泥砂浆抗弯性能的影响[J].建筑材料学报,2004,3(2):6-8[13]胡海涛,李妮,熊杰.短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料的力学性能研究[J].浙江理工大学学报,2001,(4):21-23[14]刘丽,张翔,黄玉东,张志谦.芳纶表面及界面改性技术的研究现状及发展趋势[M].高科技纤维与应用,2002,27(4):12-13[15]沈荣熹,王璋水,崔玉忠等.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京:化学工业出版社,2005,(3):3-9.[16]田颖,赵帅,李国忠.芳纶纤维改性水泥砂浆的性能研究[J].江苏建材,2008,(1):2-5[17]崔素萍,于海洋,王亚丽等.矿渣-PC-CSA复合水泥性能研究[J].华北地区硅酸盐学会第八届学术技术交流会论文集,2005,(6):10-13[17]李凌.关于水泥胶砂流动度检测的意义及检测中注意的问题[J].广东建材,2009年第08期:49-51[18]中华人民共和国国家标准[J].江苏建材,2001,(4):52-55外文资料30 唐山学院毕业设计Fiberreinforcedconcrete1.introductionConcretemadewithportlandcementhascertaincharacteristics:itisrelativelystrongincompressionbutweakintensionandtendstobebrittle.Theweaknessintensioncanbeovercomebytheuseofconventionalrodreinforcementandtosomeextentbytheinclusionofasufficientvolumeofcertainfibers.Theuseoffibersalsoaltersthebehaviourofthefiber-matrixcompositeafterithascracked,therebyimprovingitstoughness.Thisleafletaimstoprovideinformationonthepropertiesofthemorecommonlyavailablefibersandtheirusestoproduceconcretewithcertaincharacteristics.Somenewdevelopmentsarediscussed.2.theconceptoftoughnessToughnessisdefinedastheareaunderaload-deflection(orstress-strain)curve.Addingfiberstoconcretegreatlyincreasesthetoughnessofthematerial.Thatis,fiber-reinforcedconcreteisabletosustainloadatdeflectionsorstrainsmuchgreaterthanthoseatwhichcrackingfirstappearsinthematrix.3.theuseoffibersFortheeffectiveuseoffibersinhardenedconcrete:•Fibersshouldbesignificantlystifferthanthematrix,i.e.haveahighermodulusofelasticitythanthematrix.•Fibercontentbyvolumemustbeadequate.•Theremustbeagoodfiber-matrixbond.•Fiberlengthmustbesufficient.•Fibersmusthaveahighaspectratio,i.e.theymustbelongrelativetotheirdiameter.Itshouldbenotedthatpublishedinformationtendstodealwithhighvolumeconcentrationsoffiber.However,foreconomicreasons,thecurrenttrendinpracticeistominimisefibervolume,inwhichcaseimprovementsinpropertiesmaybemarginal.Forthequantitiesoffiberstypicallyused(lessthan1%byvolumeforsteelandabout0,1%byvolumeforpolypropylene)thefiberswillnothavesignificanteffectonthestrengthormodulusofelasticityofthecomposite.Itisthusimportanttoevaluatepublishedtestdataandmanufacturer’sclaimscarefully.Itmustalsobenotedthathighvolumeconcentrationsofcertainfibersmaymaketheplasticconcreteunworkable.4.typesoffiberInthissectioneachofthemostcommonlyusedfibertypesisdiscussed,givinginformationonthemanufactureofthefiber,itsproperties,fibercontentinapplications30 唐山学院毕业设计andtheeffectsofthefibertypeonconcretesandmortars.4.1.GlassIntheformfirstused,glassfiberswerefoundtobealkalireactiveandproductsinwhichtheywereuseddeterioratedrapidly.Alkali-resistantglasscontaining16%zirconiawassuccessfullyformulatedinthe1960'sandby1971wasincommercialproductionintheUK.Othersourcesofalkali-resistantglassweredevelopedduringthe1970'sand1980'sinotherpartsoftheworld,withhigherzirconiacontents.Alkali-resistantglassfiberisusedinthemanufactureofglass-reinforcedcement(GRC)products,whichhaveawiderangeofapplications.Glassfiberisavailableincontinuousorchoppedlengths.Fiberlengthsofupto35-mmareusedinsprayapplicationsand25-mmlengthsareusedinpremixapplications.Glassfiberhashightensilestrength(2–4GPa)andelasticmodulus(70–80GPa)buthasbrittlestress-straincharacteristics(2,5–4,8%elongationatbreak)andlowcreepatroomtemperature.Claimshavebeenmadethatupto5%glassfiberbyvolumehasbeenusedsuccessfullyinsand-cementmortarwithoutballing.Glass-fiberproductsexposedtooutdoorenvironmenthaveshownalossofstrengthandductility.Thereasonsforthisarenotclearanditisspeculatedthatalkaliattackorfiberembrittlementarepossiblecauses.Becauseofthelackofdataonlong-termdurability,GRChasbeenconfinedtonon-structuraluseswhereithaswideapplications.Itissuitableforuseindirectspraytechniquesandpremixprocessesandhasbeenusedasareplacementforasbestosfiberinflatsheet,pipesandavarietyofprecastproducts.GRCproductsareusedextensivelyinagriculture;forarchitecturalcladdingandcomponents;andforsmallcontainers.4.2.SteelSteelfibershavebeenusedinconcretesincetheearly1900s.Theearlyfiberswereroundandsmoothandthewirewascutorchoppedtotherequiredlengths.Theuseofstraight,smoothfibershaslargelydisappearedandmodernfibershaveeitherroughsurfaces,hookedendsorarecrimpedorundulatedthroughtheirlength.Moderncommerciallyavailablesteelfibersaremanufacturedfromdrawnsteelwire,fromslitsheetsteelorbythemelt-extractionprocesswhichproducesfibersthathaveacrescent-shapedcrosssection.Typicallysteelfibershaveequivalentdiameters(basedoncrosssectionalarea)offrom0,15mmto2mmandlengthsfrom7to75mm.Aspectratiosgenerallyrangefrom20to100.(Aspectratioisdefinedastheratiobetweenfiberlengthanditsequivalentdiameter,whichisthediameterofacirclewithanareaequalto30 唐山学院毕业设计thecross-sectionalareaofthefiber).Carbonsteelsaremostcommonlyusedtoproducefibersbutfibersmadefromcorrosion-resistantalloysareavailable.Stainlesssteelfibershavebeenusedforhigh-temperatureapplications.Somefibersarecollatedintobundlesusingwater-solublegluetofacilitatehandlingandmixing.Steelfibershavehightensilestrength(0,5–2GPa)andmodulusofelasticity(200GPa),aductile/plasticstress-straincharacteristicandlowcreep.Steelfibershavebeenusedinconventionalconcretemixes,shotcreteandslurry-infiltratedfiberconcrete.Typically,contentofsteelfiberrangesfrom0,25%to2,0%byvolume.Fibercontentsinexcessof2%byvolumegenerallyresultinpoorworkabilityandfiberdistribution,butcanbeusedsuccessfullywherethepastecontentofthemixisincreasedandthesizeofcoarseaggregateisnotlargerthanabout10mm.Steel-fiber-reinforcedconcretecontainingupto1,5%fiberbyvolumehasbeenpumpedsuccessfullyusingpipelinesof125to150mmdiameter.Steelfibercontentsupto2%byvolumehavebeenusedinshotcreteapplicationsusingboththewetanddryprocesses.Steelfibercontentsofupto25%byvolumehavebeenobtainedinslurry-infiltratedfiberconcrete.Concretescontainingsteelfiberhavebeenshowntohavesubstantiallyimprovedresistancetoimpactandgreaterductilityoffailureincompression,flexureandtorsion.Similarly,itisreportedthattheelasticmodulusincompressionandmodulusofrigidityintorsionarenodifferentbeforecrackingwhencomparedwithplainconcretetestedundersimilarconditions.Ithasbeenreportedthatsteel-fiber-reinforcedconcrete,becauseoftheimprovedductility,couldfindapplicationswhereimpactresistanceisimportant.Fatigueresistanceoftheconcreteisreportedtobeincreasedbyupto70%.Itisthoughtthattheinclusionofsteelfiberassupplementaryreinforcementinconcretecouldassistinthereductionofspallingduetothermalshockandthermalgradients.Thelackofcorrosionresistanceofnormalsteelfiberscouldbeadisadvantageinexposedconcretesituationswherespallingandsurfacestainingarelikelytooccur.4.3.SyntheticfibersSyntheticfibersareman-madefibersresultingfromresearchanddevelopmentinthepetrochemicalandtextileindustries.Therearetwodifferentphysicalfiberforms:monofilamentfibers,andfibersproducedfromfibrillatedtape.Currentlytherearetwodifferentsyntheticfibervolumesusedinapplication,namelylow-volumepercentage(0,1to0,3%byvolume)andhigh-volumepercentage(0,4to0,8%byvolume).Mostsyntheticfiberapplicationsareatthe0,1%byvolumelevel.Atthislevel,thestrengthof30 唐山学院毕业设计theconcreteisconsideredunaffectedandcrackcontrolcharacteristicsaresought.Fibertypesthathavebeentriedincementconcretematricesinclude:acrylic,aramid,carbon,nylon,polyester,polyethyleneandpolypropylene.4.3.1.AramidAramidfibersaretwoandahalftimesasstrongasglassfibersandfivetimesasstrongassteelfibers,perunitmass.Duetotherelativelyhighcostofthesefibers,aramid-fiber-reinforcedconcretehasbeenprimarilyusedasanasbestoscementreplacementincertainhigh-strengthapplications.4.4.FabricandcompositefiberreinforcementSouthAfricanmanufacturershavebeenextremelyinnovativeindevelopingversionsoffiberforusewithconcrete.Toovercomethebondandelasticmodulusproblemofpolypropylenefibers,onedevelopmenthasbeenthatofacompositeofacorefiber(whichcanbepolypropyleneorastiffermaterialsuchasacrylic,Kevlar,glassorcarbonfibers)aroundwhichisspunafluffycoatingofpolypropyleneorcellulose.Thecoatingcanbebondedtothecoreatintervalstoenhancethecompositebehaviour.4.5NewDevelopmentsAdevelopmentofthelastfewdecadeshasbeensignificantresearchactivityandincreasingapplicationofhigh-performancefiber-reinforcedcement-basedcomposites(HPFRCC).ThishasledtodesignrecommendationsbeingproposedforthesematerialsrecentlyinJapan.Particularclassesareultrahighperformance(UHPFRC)andstrain-hardening(SHCC)fiber-reinforcedcement-basedcomposites.Thesecompositesaredesignedforparticularapplicationsvaryingfromtherequirementofhighstrengthtothatofhighductility.ForinstanceUHPFRChavebeendesignedforandappliedinthinbridgedecksorbridgedeckoverlays,withcompressivestrengthsintherange120to180Mpaandflexuralstrengthsintherange20to40MPa.Ontheotherhand,therequirementofenergydissipationinearthquake-resistantbuildingshasledtotheuseofhighlyductileSHCCincouplingbeamsofcoresofhighrisereinforcedconcretebuildingsinJapan.OtherusesofSHCCincludedirectexploitationofitstensiledeformabilityinbridgedeckmovementjointreplacement,andprotectionofreinforcedconcretestructuresbyitsmultiple,finecrackingnature,whichsignificantlyretardstheingressofmoisture,gasandchlorides.AnexampleofthisapplicationisathinSHCCoverlayofanexistingdamface.纤维增强混凝土1介绍30 唐山学院毕业设计用波特兰水泥制成的混凝土具有一定的特点：它有比较强的压缩性能，但张力不够，往往是脆性的。在水泥中加入传统的杆、绳和加入一些纤维可以g服其张力弱的缺点。使用纤维改变了纤维及复合材料的裂解性能。这篇文章旨在提供常用的纤维的性质和用途，示出具体的一些特征。对一些新的发展进行讨论。2韧性的概念韧性定义为负载变形(或应力应变)曲线下面积。混凝土中添加纤维，大大提高了材料的韧性，也就是说，纤维增强混凝土能够承受的形变或应变远远好于首先出现裂纹的基体。3纤维的利用为有效利用纤维硬化混凝土：纤维的硬度应明显高于基体，即有比基体高的弹性模量。纤维的体积含量一定要充足。必须有一个很好的纤维和基体的粘结。纤维长度必须是足够的。纤维必须有一个长径比，即它们必须是长度比直径长。应该指出，公布的信息都倾向于处理高体积浓度的纤维。然而，由于经济的原因，目前在实践中的趋势是减少纤维的体积，这种情况提高性能可能是轻微的。(小于1%的用钢量和体积分数约0.1%的聚丙烯)，纤维不会对复合材料的强度和弹性模量有显著影响。因此，这是对公布的测试数据和生产商的谨慎说法的重要评估。还必须指出的是，某些纤维的高体积分数可能对于塑性混凝土不可行。4纤维的种类在这一部分每一种常使用的纤维被讨论，提供了纤维在制造、性能实际使用中的纤维含量和纤维类型对混凝土和基体的影响信息。4.1玻璃纤维首次使用形式，玻璃纤维在耐碱反应和其产品中中被发现，在这些中·玻璃纤维很快被腐蚀。耐碱玻璃纤维被成功加入16%的氧化锆是在20世纪60年代，并在1971年在英国商业化生产。其他耐碱玻璃纤维的发展是20世纪70年代到80年代在世界的其他地区，高氧化锆含量的耐碱玻璃纤维用于制造玻璃纤维增强水泥的产品，它有很宽的应用范围。玻璃纤维连续的或切碎的长度均可用。纤维长度大于35mm的用于喷涂应用，25mm的用于预混料中。玻璃纤维具有较高的抗拉强度(2-4GPa)弹性模量(70-80GPa)，但有脆应力应变特性(2.5-4.8%的断裂伸长率)30 唐山学院毕业设计和在室温的低蠕变。声明说高于5%的体积分数的纤维已经无球化的成功应用于砂水泥砂浆中。暴露在室外的玻璃纤维产品都表现出了强度和韧性的损失。这种情况的原因尚不清楚，据推测，碱攻击或纤维的脆化是可能的原因。由于缺乏长期耐久性的数据，有广泛用途的GRC已经仅限于非结构性的用途。它适用于直接喷射技术的使用和预混料进程，并已经在平板上代替石棉纤维和各种预制产品。GRC产品被广泛应用于农业，建筑包覆和小容器中。4.2钢材早在20世纪初钢纤维已经使用在混凝土中。早期的纤维呈圆形，光滑，整条线被切或剁成需要的长度。原来的直的光滑的纤维已经消失了现在的纤维要么表面粗糙，或者是抑制或通过其长度的波动。现代市售的钢纤维是钢板或有熔体萃取过程中产生的，这样的纤维有一个月牙形的横截面。通常钢纤维等效直径(基于横截面积)从0.15毫米至2毫米，长度从7毫米至75毫米。长宽比一般从20到100不等(长宽比定义为纤维长度和他的等效直径之间的比率她是一个圆的直径面积相当于纤维的横截面积)。碳钢是最常见的用来生产纤维的材料，但耐腐蚀合金制成的纤维是可用的，不锈钢纤维已用于高温应用。一些纤维整理成束使用水溶性胶水，以方便处理和混合纤维。钢纤维的有较高的抗拉强度(0,5-2GPA)和弹性模量(200GPa)，韧性的应力应变特性和低蠕变性。钢纤维已用于传统混凝土混合料，喷射混凝土和泥浆渗透量2%以上的纤维混凝土。通常情况下，包含0.25%到2.0%体积分数的钢纤维。纤维含量超过2%体积通常会导致较差的可操作性和纤维分布，但可以成功地用于增加混合的内容和粗骨料的大小不大于10毫米左右。钢纤维增强含有高达1.5%纤维体积混凝土，使用125至150毫米直径的管道能抽水成功。钢纤维含量达到2%，已用于喷射混凝土使用的湿法和干法工艺，泥浆渗透纤维混凝土已获得通过量高达25%钢纤维含量。含有钢纤维的混凝土被证明耐冲击性大大好转，压缩失效的延展性、弯曲和扭转性能更好。同样，据报道，在相同的条件下压缩弹性模量和扭转刚度弹性模量和之前的普通混凝土相比没有任何不同。已报道，钢纤维钢筋混凝土，由于提高了它的延展性，可以发现耐冲击性的应用是很重要的。据悉混凝土的抗疲劳性能将提高70%。据认为，钢纤维作为补充加固加入到混凝土中可以帮助减少因热冲击和热梯度的剥落由于普通的纤维缺乏耐腐蚀性的缺点，表面染色和剥落多是有可能发生的具体情况。4.3合成纤维30 唐山学院毕业设计合成纤维是石化和纺织等行业研究和发展的人造纤维。有两种不同的物理纤维生成：单丝纤维和从纤胶带生产的纤维。目前，合成纤维在应用中有两种不同的使用量，即低含量的百分比(0.1到0.3%体积)和高含量的百分比(0.4至0.8%体积)。大多数合成纤维应用在0.1%的体积含量水平。这个水平，被认为是混凝土强度不受影响和能裂缝控制的特性，试图加入到混凝土中的纤维种类包括：腈纶，芳纶，碳，尼龙，聚酯，聚乙烯和聚丙烯。4.3.1芳纶纤维芳纶纤维每单位质量的强度是玻璃纤维的两倍半，是钢纤维的五倍。由于这些纤维成本相对较高，芳纶纤维钢筋混凝土主要用于在高强度的应用中替代石棉水泥。4.4面料和复合纤维加固在纤维增强混凝土的使用中南非的制造商已经非常创新。为了g服键和聚丙烯纤维的弹性模量问题，一个发展复合材料的核心(可以是聚丙烯或更硬的材料如腈纶，芳纶，玻璃或碳纤维)周围编织出一个蓬松的聚丙烯或纤维素涂料，该涂料以键合的时间间隔为核心，来提高复合材料的性能。4.5新的发展过去几十年的发展是重大的研究活动和越来越多的关于高性能纤维增强水泥基复合材料的应用。这导致了最近在日本对这些材料的设计提出了建议。特定类别的超高性能(UHPFRC)和应变硬化(小肝癌)纤维增强水泥基复合材料，这些复合材料的设计是为了对于不同高强度到高韧性的特别的应用。实力UHPFRC已经设计并应用在超薄桥面或桥面覆盖，抗弯强度范围在120到180兆帕，抗压强度范围是20到40兆帕。另一方面，在日本抗震建筑上能源耗散的要求在已经导致高韧性的SHCC钢筋混凝土芯梁在高层建筑上的应用。小肝癌的其他用途包括直接利用其拉伸变形桥面运动关节置换，钢筋混凝土结构的多重保护，细裂缝性质，这极大地阻碍了水分，气体和氯化物的进入。此应用一个例子是现有薄的SHCC覆盖坝面。窗体顶端30