高韧性工程水泥基复合材料基本力学性能研究及微观分析.docx

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1、高韧性工程水泥基复合材料基本力学性能研究及微观分析传统混凝土材料由于脆性大,易开裂而难以充分满足目前城市轨道交通防裂渗漏方面的要求。PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)拥有高出混凝土材料两个数量级的超高韧性和优秀的裂缝控制能力。因此,用PVA-ECC取代传统混凝土可大幅提高现代混凝土结构的耐久性,提高使用寿命,降低使用阶段的维修成本。本文通过直接拉伸试验、抗压试验、薄板四点弯试验对PVA-ECC的宏观力学性能进行了研究,同时通过电镜扫描和CT扫描对断裂面纤维的状态,孔隙结构进行了分析,讨论了引起PVA-ECC宏观力学性能变化的微观机理,研究结果表明:(1

2、)矩形薄板试件可避免变截面导致的应力集中,比狗骨状试件更合适用来测试PVA-ECC的拉伸性能。粉煤灰和水胶比的提高都有利于提高拉伸应变,且前者比后者效果更明显,但都会降低拉伸强度。PVA-ECC的初裂应变基本不受水胶比和粉煤灰掺量的影响,在0.01%-0.08%之间。(2)增稠剂复合减水剂可提高搅拌时纤维在浆体中的分散性,进而提高PVA-ECC的拉伸性能的稳定性。(3)界面粘结强度与纤维物理、力学性质的匹配度控制着PVA纤维失效前在基体中滑移距离的大小,进而决定PVA-ECC拉伸性能的优劣。适中的界面粘结强度能保证PVA纤维在基体中充分滑移,提高ECC的拉伸应变以

3、及拉伸强度。本次研究制备的PVA-ECC中平均拉伸应变最大为4.46%,对应的平均拉伸强度为4.11%MPa,平均极限拉伸强度为4.81MPa,对应的平均拉伸应变为3.8%。(4)PVA纤维可提高复合材料的压缩韧性,PVA-ECC的峰值压应变数倍于普通混凝土材料,且应变软化阶段更平缓,试件达到峰值荷载破坏后整体性良好。(5)0.5%钢纤维或玄武岩纤维等体积取代PVA纤维对复合材料抗压强度的影响不明显,但钢纤维可提高材料的残余抗压强度,而5%硫酸钙的掺入则能明显提高PVA-ECC的抗压强度,增幅为52.3%。(6)钢纤维和玄武纤维掺入PVA-ECC后能提高其初裂强度

4、,其中玄武岩纤维作用明显,增幅为26.4%,但同时也使得拉伸应变大幅降低,降低的程度与抗拉强度和初裂强度的比值近似成线性相关。而掺入硫酸钙在提高拉伸强度的同时可保持原有PVA-ECC的高韧性,强度增幅为8.7%。(7)断面微观分析显表明,钢纤维在试件中为拔出失效,且在拔出过程中使周围基体严重破碎,进一步导致周边基体中的PVA纤维失去锚固而拔出,降低其桥接能力;玄武岩纤维则是在基体开裂后先于PVA纤维脆性断裂失去桥接作用,这部分应力继而附加在PVA纤维上,使得其承担的总应力超过了裂缝处PVA纤维的最大桥接应力,PVA纤维快速被拉断或拔出。(8)硫酸钙掺入到PVA-E

5、CC中增强保韧的机理为硫酸钙激发水泥水化和粉煤灰火山灰活性,从而生成大量钙矾石和水化产物,填充孔隙,增加界面粘结强度,同时基体中的钙矾石因为膨胀而产生更多的微裂缝,为基体开裂提供了更多的开裂源。(9)钢纤维和硫酸钙掺入PVA-ECC后,在弯曲荷载作用下能提高复合材料的抗弯强度和弯曲韧性,而玄武岩纤维在弯曲荷载作用下表现为弯曲强度和韧性的全面退化。ASTM的弯曲韧性评价方法受初裂点选取的影响较大,容易因初裂点的波动而产生误导。