纤维聚合物水泥基复合材料性能及机理研究

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1、摘要本文采用钢纤维、聚丙烯纤维以及碳纤维和丁苯乳液复掺的方法来获取高性能、高韧性的水泥基复合材料。研究了不同品种的纤维以及丁苯乳液在单掺、复掺情况下水泥基材料多方面的性能及作用机理，这些性能包括：抗收缩开裂性能、抗冲击磨耗性能、与基材之间界面粘结性能、宏观力学性能、纤维一水泥基界面不同增强方式下长期力学性能、三点弯曲断裂性能、微观结构特征及其与宏观力学性能、耐久性的关系。本文的研究工作得出了如下主要结论：1．纤维、聚合物水泥砂浆早期(O--一6h)的抗收缩开裂性能得到明显的改善，砂浆面板开裂时间延长、开裂

2、面积减小或不开裂。纤维聚合物砂浆与普通砂浆相比，28d龄期前的收缩变形有一定幅度的减小；2．纤维与聚合物复掺有效增加了复合材料与老砂浆板之间的界面粘结强度，并且改善了复合材料抗冲击、磨耗性能；3．以增益系数分析了不同品质纤维、聚合物在单掺、复掺情况下对复合材料抗折强度的作用，认为纤维、聚合物复掺对砂浆3d、28d龄期的抗折作用效果甚微，甚至降低了砂浆的抗折强度，但对砂浆90d龄期的作用效果较好，且随着纤维、聚合物掺量的增大，作用效果越好。提出了抗折强度的多因素回归模型，模型预测值与试验结果相关性较好；4．

3、研究了纤维聚合物混凝土3d、28d的劈裂强度，认为聚合物乳液存在最佳掺量，根据纤维品质及掺量不同，聚合物的最佳掺量为6％～9％左右。钢纤维聚合物混凝土的劈裂强度随着钢纤维掺量的增加而增加，而聚丙烯纤维聚合物混凝土的劈裂强度则随着聚丙烯纤维掺量的增加略有减小；5．通过三点弯曲试验测试得到了纤维、聚合物砂浆峰值荷载及相应变形量、裂缝嘴张开宽度，计算得到了砂浆的断裂能、有效裂纹长度、临界应力强度因子以及裂纹尖端张开位移等。测试与计算结果表明：聚合物、纤维单掺对改善砂浆的断裂性能具有一定的效果，而聚合物、纤维复掺

4、则对改善砂浆的断裂性能具有非常显著的效果，且钢纤维与聚合物复掺作用效果好于聚丙烯纤维；6．研究了钢纤维一水泥基界面不同增强方式对砂浆长期力学性能的影响，测试了硅灰增强钢纤维砂浆、聚合物改性钢纤维砂浆3d、28d、90d龄期的抗压、抗折强度，以扫描电镜图像和理论分析研究了不同增强方式下钢纤维、基体的受力与破坏特点，提出了刚性、柔性增强钢纤维一水泥基界面的概念，认为刚性增强钢纤维一水泥基界面增加了钢纤维桥接作用失效的机率，从而降低了纤维增强的效果。分析从质上揭示了不同增强方式对砂浆长期力学性能作用的差异性；7

5、．纤维、聚合物的掺入使砂浆的平均孔径、最可几孔径以及中值孔径有较大幅度的下降，同时也使砂浆20nm以下的孔隙数量有较大幅度的增加，50nm以上的孔隙有所减少，表明纤维、聚合物对水泥砂浆的孔隙具有细化功能。同时，聚合物的掺入使砂浆的开口孔隙率大幅度减小，且乳液掺量越大，开口孔隙率越小，耐久性也越好(以碳化深度、吸水率表征)；8．比较分析了砂浆宏观力学性能与微观结构之间的关系，认为孔隙的细化，有害、多害孔的减少以及闭口孔隙在总孔隙中所占比重的增多有助于宏观力学性能的改善；9．提出了砂浆密实度(表观密度与真密度

6、)、孔隙率(总孔隙率、开口孔隙率及闭口孔隙率)、吸水率、碳化深度与纤维、聚合物掺量及时间等多因素的预测模型，模型预测结果与试验实测值相关性较好，较好的反应了纤维、聚合物对砂浆密实度、孔隙率的影响，以及纤维、聚合物、时间等多因素对吸水率、碳化深度的影响。本文的创新点主要有：1．提出了刚性、柔性增强钢纤维一水泥基界面的概念，认为刚性增强钢纤维一水泥基界面增加了钢纤维桥接作用失效的机率，从而降低了纤维增强的效果；而柔性增强钢纤维一水泥基界面改善了砂浆的微观结构，改善了其长期力学性能；2．建立了砂浆密实度(表观密

7、度与真密度)、孔隙率(总孔隙率、开口孔隙率及闭口孔隙率)、吸水率、碳化深度与纤维、聚合物掺量及时间等多因素的预测模型；3．以断裂能、有效裂纹长度、临界应力强度因子以及裂纹尖端张开位移等断裂特征参数评价了纤维、聚合物对水泥基材料增强、增韧的机理。关键词：纤维；丁苯乳液；收缩开裂；增益系数；微观结构特征；界面柔性增强；预测模型；断裂特征。ⅡABSTRACTIIlthispaper,thehighstrengthandtoughhesscementbasecomposite甜cacqul∞dbythewayof

8、mixingintofiberandstyrene．butadienelatextogether，柚dthe矗befincludessteelfiber,polypropylenefiberandcarbonfiber．Manvtypesofperformancesandmechanismsarestudiedintheconditionthatdi虢rentfibefsarcmlxedintosolelyorfiberand