（材料学专业论文）高延性纤维增强水泥基复合材料的制备与性能研究.pdf

摘要 摘要 常用的水泥基材料具有脆性、抗拉强度低，韧性差、易开裂等缺点。控制水泥基材料裂缝的发 生和发展，提高材料的耐久性一直是水泥混凝土界普遍关注的问题。在水泥基复合材料中掺入p v a 纤维来提高水泥基复合材料的延性得到该领域研究者广泛的认同。 本文参考了e c c ( e n g i n e e r e dc e m e n t i t o u sc o m p o s i t e s ) 的设计思路，采用r e c 1 5 型p v a 纤维、 大掺量粉煤灰、选矿尾砂和聚羧酸类的高效减水剂成功地配制了高延性纤维增强水泥基复合材料 ( h i g hd u c t i l ef i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s 简称h d f r c c ) 。重点研究了r e c 1 5 型p v a 纤维增强水泥基复合材料的各项性能。本文对纤维掺量、不同骨料粒径、不同水胶比等因素对其延 性系数、平均裂缝间距、平均裂缝宽度的影响进行了试验研究。并对采用尾砂、不同纤维掺量的水 泥基复合材料的收缩变形、圆环开裂性能、碳化性能，及抗氯离子渗透等性能进行了研究。 试验结果表明，r e c 1 5 型p v a 纤维能够显著的提高抗弯强度、弯曲韧性，各项性能基本随纤 维掺量的增加成线性的增长。对于本文重点考察的延性性能，粒径的大小。基体水胶比、纤维掺量 都不同程度上影响其延性系数大小和平均裂缝宽度及间距。在相同条件下，使用尾砂和r e c - 1 5 纤 维掺量为2 的水泥基复合材料在薄板弯曲试验中展现了良好的应变硬化和多缝开裂性能。 本文同时进行了自由收缩和限制圆环开裂性能试验。结果表明，纤维掺量对材料的自由干燥收 缩变形影响不大，但是可以有效的控制限制圆环收缩裂缝，掺量为0 5 n 时其最大裂缝宽度只有 0 0 5 m r 掺量为1 5 时，裂缝宽度仅为0 0 2 m m 。 本文还对h d f r c c 的抗碳化性能、抗氯离子渗透能力、抗水压渗透性能进行了试验研究。试验 结果表明，p v a 纤维的掺入对 玎) f r c c 的耐久性能有所改善。 在力学性能测试和限制收缩试验中，h d f r c c 都表现出了良好的多点开裂和应变硬化特性。其 多点开裂的性能对于裂缝的贯穿和发展有良好的控制能力，所以阳) f r c c 是具有应用前景的一种水 泥基复合材料。 关键词：聚乙烯醇纤维；尾砂；高延性；多缝开裂；应变硬化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r e 嘶s o n d e f e e l so fn o r m a le e m e n t i t i o t t sm a t e r i a l s 。s u c ha sb r i t t l e n e s s ，l o w e rt e n s i o ns t r e n g t h ， l o w e rk ) l l g h n e $ $ a n de a s yt oc r a c ka n ds oo n h o wc a l lw ef i n dw a y st oc o n t r o lt h eg e n e r a t i o na n d d e v e l o p m e n to fc r a c k st oe n h a n e et h ed u r a b i l i t yo fm a t e r i a l s ? i th a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l d o f c e m e n t a n de o l l c r e t er e s e a r c h f o ra l o n g t i m e t h ed u c t i f i t yo f c o m p o s i t e sc a n b e i m p r o v e d w h e na d o p t s p v af i b e r s a n di th a sb e e ni d e n t i f l e di nt h i sf i e n a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ld e s i g no fe c c ( e n g i n n e r e de e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s ) ，t h i st e x tc h o o s e r e c 1 5f i b e r s 、r a i l i n g s 、l a r g ea d d i t i o no ff l ya s ht om a d eo u th d f r c c ( h i g hd u c t i l ef i b e rr e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s ) s u c c e s s f u l l y a l l t h ek i n d so f p e r f o r m a n c eo f p v a f i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e sa r er e s e a r c b e d t h e i n f l u e n c eo f t h ev o l u 北f r a c t i o n o f f i b e r 、d i f f e r e n t d i a m e t e rs a n d d i f i e r e f i t w a t e r - b i n d e rr a t i oo nt h ec h a n g eo fd u c t i l i t y , a v e r a g ec r a c ks p a c e ，a v e r a g ew i d t ho fc r a c ki ss t u d i e d t h e s h r i n k a g ed e f o r m a t i o n , r i n gr e s t r a i n e d , c a r b o n a t i o n , c h l o r i d ep e r m e a b i f i t yo ft h ee e m e n t i t o u sc o m p o s i t e s w h i c ha d o p tt a i l i n g sa n dd i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o nf i b e r 黜a l s or e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tp v af i b e rc a l le f f i c i e n t l ye n h a n c et h ee e m e n t i t i o u sm a t e r i a l so f b e n d i n g s 雠s s ，t o u g h l l e s s ，e a c hp e r f o r m a n c ei sg r o w i n ga l o n gw i t ht h ei l c r e a s eo ff i b e rv o l u m e 1 kd i a m e t e ro f f i n ea g g i _ e g a t c ，m a t r i xw a t e r - b i n d e rr a t i o ，f i b e rv o l u m eh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo i lt h ed u c t i l i t yc o e f f i c i e n t a n da v e r a g ew i d t ha n ds p a c eo fc r a c k s t h ee e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e sw h i c ha d o p tt a i l i n g sa n d2 p v a f i b e r ss h o w ss t r a i n - h a r d e n i n ga n dm u l t i p l e - c r a c k i n g t h er e s u l t so ff r e ed r y i n gs h r i n k a g et e s ts h o wt h a tt h ei w af i b e rh a sl i t t l ei n f l u e n c eo i lt h ed r y s h r i n k a g e d e f o r m a t i o n o f i - i d f r c c b u t t h e f i b e r c a n e f f i c i e n t l y c o n 扛o l t h eg e n e r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f c r a c k sw h e nr e s t r a i n e dc h - y i n gs h r i n k a g eo c c u r r e d w h e nt h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o ni so 5 t h em a x i m u m c r a c kw i d t hi so n l yo 0 5 m m w h e nt h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o ni s1 5 t h em a x i m u mc r a c kw i d t hi so n l y 0 0 2 r a m t h i st e x ta l s os t u d i e dc a r b o n a t i o n , c h l o r i d ep e r m e a b i l i t yo ft h eh d f r c c t h ee x p e r i m e n ts h o w st h e v o l u m eo f t h ef i b e r sh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ed u r a b i f i t y d u r i n gt h em e c h a n i ce x l ) e r i m e n ta n dr e s t r a i ns h r i n k a g ee x p e r i m e n t , t h ei t d f r c cs h o w sm u l d p l e - c r a c k i n g a n ds t r a i n - h a r d e n i n g t h em u l t i p l e - c r a c k i n ge s p e c i a l l yc a l lc o n t r o lf i l e p e n e t r a t i o na n d d e v e l o p m e n t o f c r a c k , s o i t d f r c c i sa g o o d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t e e m e n t i t o u s m a t e r i a l k e y w o r d s ：p o l y v i n y la l c o h o lf i b e r ；t a i l i l a g s ；h i g l ld u c t i l i t y ；m u l t i p l e - - c r a e k i n g ；s t r a i n - h a r d e n i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 混凝土由于脆性而容易产生裂缝，影响其实用性能及耐久性，当混凝土强度等级超过c 4 5 时， 其抗拉强度与抗压强度之比仅为6 ，延性明显下降l l 】。这不仅限制了它在大跨受弯结构中的应用， 并且使其在远低于极限设计荷载的时候就已开裂，缩短了结构的使用寿命，高强材料的优越性得不 到充分利用。 同样在全球范围内，混凝土基础设施耐久性正处于紧迫状态。当试着解决这个问题时，脆性材 料的低耐久性就成了必须解决的问题。着重点不是用脆性的水泥基复合材料对脆性混凝土进行无休 止地修复，而是通过采用延性好的新型材料，从根本上解决问题。延性好就能解决混凝土面临的很 多由于延性差所带来的耐久性问题。 延性r e ! 是指材料、构件或结构在荷载作用下，进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下 的变形能力。对于常见的钢筋混凝土结构和钢结构，好的延性一方面可以保证结构在发生破坏前时 有能力吸收一定的能量，使其在遭受意外冲击或动力荷载，例如强烈地震时，不会因过大的能量输 入而使结构突然丧失承载能力：另一方面，可以使结构在破坏前有较明显的变形征兆，防止超载而 造成的突然破坏。因此，延性是反映这些结构安全性的一个重要性能指标，制各高延性材料同样也 是结构安全的重中之重。 水泥基材料中加入纤维被认为是增韧改脆的最有效的方法。本文从改变水泥基复合材料脆性和 制各高延性水泥基复合材料的角度出发，采用低掺量的聚乙烯醇纤维进行了高延性纤维增强水泥基 复合材料( 皿f r c c ) 的研制与性能研究。 高延性水泥基复合材料应具备以下最基本的两个条件： ( 1 ) 应力应变硬化属性 水泥基材料因为收缩变形在约束条件下受到抑制，从而产生内部初始微裂纹，这些裂纹在经过 环境、荷载的作用而发展成为宏观贯穿裂缝。其根本原因在于水泥基材料是脆性较强的材料，抗压 而不抗拉。抗拉强度不到抗压强度的十分之一，极限延伸率也很小，不到千分之一。这样的材料很 难抵抗由于收缩而产生的应力应变要求，开裂也就不可避免。应力应变硬化特性保证了在初始裂纹 发生之后，裂纹发展的过程中也能够有足够的强度，抑制裂缝发展，阻止贯穿裂缝出现。 ( 2 ) 多重开裂形式 、 多重裂纹的好处在于使应力均匀分布，避免在整个结构中出现严重的应力集中现象：并且将应 变化整为零，单一的大裂纹由数条乃至数十条微小裂纹取代，原来毫米量级的裂缝降至低于1 0 0 m ， 这和水泥凝胶的颗粒尺寸已经很近似了。减小裂缝宽度也就提高了其材料的耐久性。 1 2 延性纤维增强水泥基复合材料的的特性和应用 1 2 1 延性纤维增强水泥基复合材料的特性 长期以来，f r c 中纤维的掺量一般都不大( 也) ，而纤维的掺入也主要是用来改善收缩”、提高 断裂韧性和抗冲击能力、减小裂缝宽度川习以及辅助抗剪等。直至9 0 年代高性能纤维增强水泥基复 合材料( h i 曲p e d o r m a n c ef i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，h p f r c ) 问世情况才有所改观。延性纤维增强 一1 东南大学硕士学位论文 水泥基复合材料( d u c t i l ef i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t i f i o u sc o m p o s i t e s ，d f r c c ) 与h p f r c 类似，但一般认 为它比h p f r c 范围更广一些，同时包括了只在受弯时具有多裂缝发展特性的复合材料。 h p f r c 包括s i f c o n ( 渍浆纤维混凝土) ，纤维增强d s p ( 强化微颗粒体系) ，c r c ( 密实增强复合 材料) ，s i f c a ( 适用于特殊工程的渍浆纤维混凝土) ，s i m c o n ( 渍浆纤维网片混凝土) ，r p c c ( 活性粉 末混凝土复合材料) 。这些材料都具有很好的强度，延展性以及能量吸收能力，并具有应变增韧和多 缝开裂的特点。h p f r c 用增大纤维掺量的方法赋予材料高延性，在单轴拉伸和弯曲时都表现出多裂 缝开展特性和应变硬化性能1 6 1 ，这使材料在结构多个方面的应用上都具有独特的优点，例如抵抗破 坏、能量吸收和变形适应性等。 纤维掺量的增大不仅使混合物拌和变得更为困难，同时也增加了工程的造价。二十世纪9 0 年代 早期美国密歇根大学的u ”1 主持研究了设计纤维增强水泥基复合材料( e n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e 。e c c ) ， e c c 同属于是h p f r c c 中的一种同样是主要以水泥浆或砂浆为基体，以纤维为 增强材料的复合材料，与其它的h p f r c c 不同之处在于，其特点是在纤维掺量不高的情况下，有较 高的应变硬化能力和多缝开裂开展特性，拉伸应变达到3 5 ，是普通混凝土的3 0 0 5 0 0 倍。 饱和状态下裂缝之间的间距小于3 n m l ；e c c 同时也提高了材料的工作性，可以自密实州，可以泵送 9 1 ，也可以喷射“0 j ，这使e 【1 c 有了更为广阔的应用空间。并使纤维增强水泥基复合材料又达到了 一个新的高度。 e c c 的研究是从细观力学理论出发研究出具有低纤维掺量( 通常小于2 ) 和超高韧性的材料。 e c c 最早是研究聚乙烯纤维增强水泥基复合材料( p o t y e t h y l e a e e n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e 。p e - e c c ) ，1 9 9 8 年u 和k a n d a “1 等开始对p v a - e c c 的应用进行了系列研究并取得了一定 的成果。2 0 0 0 年，发展了自密实p v a - e c c 。 图1 1 是普通混凝土( p c ：) 、维增强混凝土( f r c ) 和p v a - - e c c 的轴拉荷载下应力应变关系比 较图。 图1 1p c 、f r c 和e c c 在拉伸作用下应力应变关系比较图 由图1 1 可以看出，普通混凝土( p c ) 在到达极限强度以后，应力应变曲线急剧下降，结构迅 速失去承载能力。普通混凝土的拉伸极限应变一般在0 2 左右。f r c 的拉伸极限应变一般也都小于 1 。而且以往的纤维混凝土基本上依旧是单一裂纹破坏。纤维增强混凝土和普通混凝土一样均具有 应变软化特性( 即当应力达到混凝土抗拉强度正后，应力应变。一6 曲线渐次下降。o 一6 图的下降 段为应变软化线，应力随6 愈大而愈减小) 虽然下降相对缓慢一些，但是仍然表现为单裂纹破坏， 呈应变软化态势。而工程用聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料( p v a - - e c c ) 则表现出应变硬化和 多点开裂的良好性能。 2 苎二兰丝堡 下面以表格的形式对f r c 、现有的h p f r c 和e c c 三种材料从设计方法、施工工艺等方面做了 比较全面的对比。 表1 2f r c 、h p f r c 、e c c 的比较 附注：表中g 和t 分别表示化学粘结力和摩擦粘结力 1 2 2 延性纤维增强水泥基复合材料的应用 高韧性的注浆纤维增强混凝土( s l u r r y i n f i l t r a t e d f i b e r c o n c r e l e ，缩写为s 1 f c o n ) ，s i f c o n 具有极 高的强度与韧性。但因造价昂贵，目前仅用于以下一些领域”j ：( 1 ) 地下导弹发射室：( 2 ) 防爆炸、防 钻洞与防火的贵重物品保险库：( 3 ) 贮存易爆品的容器；( 4 ) 受力构件的修补；( 5 ) 桥梁面层的修复：( 6 ) 路面的修复；f 7 ) 堆场的耐磨面层：( 8 ) 抗震建筑的梁、柱接合部位；( 9 ) 用于快速抢修的预制件。 在二十世纪末法国人研制的超高性能r p c 兼具高强度、高韧性、高密实性与高耐久性，对工程 界有很大的吸引力，其超高的强度，可使结构构件的断面减小。高抗弯拉强度的r p c 具有高抗剪强度， 使其构件直接承受剪切荷载而不需要附加抗剪钢筋，但其价格较为昂贵。 现在的f v a - e c c 主要应用在提高结构传力的整体性、混凝土结构的修补、制作混凝土路面收缩 变形补偿段、制作桥粱盖板连接段等方面。桥梁膨胀结点的维护和维修是现实中很重要的问题。这 些结点要承受较大的温度应力，经常出现破坏和渗漏的情况。2 0 0 5 年7 月，在美国密歇根州南部的 公路桥上成功的应用了这种连接板，并且取得了很好的效果。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 高延性纤维增强水泥基复合材料的国内外研究现状 1 3 1 高延性纤维增强水泥基复合材料的理论研究 e c c 理论研究初期提出为实现材料的应变硬化特性，需要确定纤维体积率、纤维长径比的选取 和纤维、基体和界面的合理组合以及原材料的选用情况等等。研究方法包括微观机理研究和基于性 能的设计方法【i 剐等。研究综合运用了断裂力学、细观力学和统计学的数学分析工具；断裂力学主要 从微观层面分析基体裂缝的扩展特性及纤垂隹，基体界面的断裂脱粘过程：细观力学则主要用于分析开 裂处纤维的桥接力学作用，获得应力裂缝张开宽度关系；统计学主要用于描述预先存在裂缝及纤维位 置和取向的随机性“。这些研究推进了i s m d ( i n t e g r a t e ds t r u c t u r e sa n dm a t e r i a l sd e s i g n ) 方法l l “， 创造了材料优化和系统处理的分析工具，实现了低掺量纤维材料的高性能与大变形。 1 9 9 2 年l j 和l e u i n g t ”1 提出了乱向短纤维增强水泥基复合材料( r a n d o ms h o r tf i b e rr e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e 。简称r s f r c c ) 的纤维桥接法，认为纤维产生的开裂桥接应力以在理论上可 以表示为纤维特性、基体特性、纤维，基体的界面特性以及裂缝张开位移6 的函数，即 以- - f u ( 6 ；纤维特性；基体特性；纤量匡，基体界面特性) ( 1 一1 ) 纤维桥接法成为e c c 研究的理论基础，指导了满足应变一硬化特性条件的材料的创造。以是 联系纤维、基体与界面三相的桥梁，它从材料工程的角度为e ( 的整体受力过程的微观分析提供了 出发点，认为e c c 整体力学性能的实现与开裂处纤维桥接应力的传递密切相关。素混凝土开裂后产 生的是应变一软化效应，而按照r s f e c c 的纤维桥接法，纤维的掺入( 或者取代其中的配筋) 联结了开 裂处的基体，使材料整体不致发生分离，仍能承受外部荷载( 主要是拉应力) 产生拉应变，进一步提高 结构承载力，增大材料的整体变形能力。并且纤维的桥接作用避免了开裂处裂缝的急剧增大，把开 裂区向受力较小的区域扩散。纤维的三维乱向分布提高了结构整体承载力，避免了应变- 软化中裂缝 的明显扩展。纤维桥接法的提出引发了复合材料界面特性、多点开裂、纤维的取向角、破坏容许极 限等方面的深入研究。 u 等【”1 提出了改进的纤维理论体积掺量的条件，如式l 一2 所示： p 垆= 面再1 2 j c 丽( 1 - - 2 ) 式中j e 一裂纹尖端韧度；g - - 纤维拔出时末端负压影响系数；瓯= 勘2i e d ，( 1 + ，7 ) 】是最 大桥接应力对应的开裂应变，f 是摩擦力；，7 2 巧e i ，瓦，k 和e m 分别是基体的体积率和弹 性模量。 这个掺量的提出对复合材料的设计是很重要的。对微观参数进行处理可以有效的降低这个掺量， 从而能够以最小纤维掺量实现复合材料的应变硬化效应。 对聚乙烯( p e ) 纤维、聚乙烯醇( p v a ) 纤维制备e c c 的研究，已经取得相当多的成果。从这 些结果中可以得出共同的结论，那就是把控制应力应变硬化性能和多重裂纹模态作为研究的方向是 正确的，对于解决实际问题是有效的。当然，两种纤维研究得到的结果其差异性也是相当的明显的， 比如p e 纤维抗拉强度高，但是纤维与基材的粘结强度低，则提高粘结强度可以提高应变硬化性能。 而p v a 纤维的自身强度相对只居中等水平。不过粘结强度较p e 纤维高，设计的时候反而要考虑如 何降低粘结强度。 第一章绪论 研究中建立的各种分析模型推进了进一步的理论研究。z h a n g 等【ls 1 建立了纤维增强水泥基复合 材料中纤维取向角对其断裂荷载影响的分析模型。分析了各种参数( 包括纤维和基体的弹性模量、 纤维与基体界面的粘结强度及基体中纤维的取向) 对纤维表观强度( 纤维横截面积上的断裂荷载) 的影响，即纤维取向角增大，纤维表观强度降低；并且纤维和基体弹性模量、纤维与基体界面的粘 结强度也会影响纤维表观强度。该理论模型对碳纤维进行了验证。 m a a l e j 等| 1 9 1 建立了一个细观力学的分析模型，研究乱向分布短纤维增强脆性基体开裂后纤维断 裂对拉伸特性的影响。该模型以概率统计为基础，并假定界面摩擦粘结应力为常数，预测了复合材 料的拉伸强度和断裂能，给出了复合材料桥接应力与裂缝张开位移的关系( 与试验数据的吻合性较 好) ，其中考虑了纤维的拔出和拉伸断裂及局部摩擦的影响，但没有考虑纤维的弯曲断裂和斜向纤维 从基体中拔出时可能引起的剥蚀影响。 1 3 2 高延性纤维增强水泥基复合材料的试验研究 ( 1 ) p v a 纤维界面特性的研究 大量的理论分析和试验研究表明，复合材料特别是纤维增强水泥基复合材料性能的离散性很大 程度源自界面相的不同。对于p v a - e c c 而言，界面是纤维与基体的粘接处，它的好坏直接影响复合 材料的性质；其次界面相的厚薄以及力学性能对复合材料的性能均有影响，因此必须对界面进行充 分的研究。 k a n d a 和i j 等1 7 0 1 通过试验发现p v a - e c c 中p v a 纤维具有较强的化学粘结力这使纤维弯曲时 容易发生纤坌隹，基体界面的断裂，从而限制了硬化e c c 混凝土拉应变能力。r e d o n 等人发现p v a 纤 维拔出时滑移硬化效应明显，该效应使纤维受到剪切应力发生剥蚀。为了克服以上两个不利因素， u 等于2 0 0 2 年提出了一种控制p v a 纤维界面粘结和滑移一硬化特性的界面处理方法在纤维表面 覆盖一层油剂，并对不同油剂含量对界面特性和材料复合体性能的影响进行了试验研究。结果表明 油剂处理使p v a - e c c 的拉伸应变值大于4 ，实现了材料的拉伸应变一硬化。 2 0 c 0 年p e l e d l 2 1 i 等和2 0 0 1 年r e d o n t 2 2 1 等提出了基体中掺加粉煤灰会影响材料的界面特性。 r e d o u 等人2 2 1 通过单丝p v a 纤维拔出试验测定了e c c 基体中界面特性的试验值，同时研究了 油剂对界面特性的影响。研究发现，尽管p v a 纤维的锚固长度较短。纤维拔出过程中仍发生断裂现象。 该研究给出了界面试验参数的计算公式。对p v a 纤维进行油剂处理后t 0 降低了3 3 3 5 ，而g d 降低了3 0 3 3 。因此对纤维进行油剂处理是能够在一定限度范围内降低界面脱粘能，并且具有 把依赖滑移的摩擦应力与模拟界面滑移硬化产生的纤维断裂影响相结合的重要意义。 王德怀等人1 研究了少量聚乙烯醇溶液( 醇解度为8 8 ) 对p v a 纤维增强水泥材料的增强效果。 试验发现化学性质和组分都相同的聚乙烯醇溶液掺加的综合效果提高了断裂韧性、弯曲强度，但对 弯曲模量的影响不显著。 陈婷1 ：2 4 1 等在高强高弹p v 纤维水泥基材料研制中对i v a 纤维水泥基材料进行了材料性能研究。 选用了凹凸棒土改善p v a 纤维与基体的界面性能，并取得良好的效果，但其研制的纤维增强水泥基 材料并未具有高延性和多缝开裂的特性。 ( 2 ) 拉伸试验 拉伸试验可以非常好地体现p v a - e c c 的应变硬化效应，因此得到了较为广泛的采用。 l j 等进行了p v a e c c 单轴拉伸试验。比较了对纤维采用不同油剂处理的情况。该试验结果体 现了p v a - e c c 的应变硬化效应，当v f 为2 o 时。极限拉应变大于4 ：采用0 5 和0 8 油剂处理 ，5 东南大学硕士学位论文 的纤维性能优于0 3 的油剂处理，大部分试件极限应变是2 ，但有2 个试件的应变值达到3 1 和 4 o 。虽然试验表明0 3 油剂处理的p v a e c c 具有超高韧性，但极限应交的离散性较大。 t a k a s h i m a 等通过直接拉伸试验研究了挤压成型p v a - e c c 的基体的刚度对断裂特性的影响。 研究结果表明基体刚度由水灰比( w 圮) 和灰浆与水泥的比值( p u l p c ) 控制。w c 给定时，p u l p c 的降 低有利于防止纤维断裂，提高材料强度和极限拉应变：w c 增大时，极限拉应变提高，极限拉伸强 度降低。因此通过优化w c 和p u l p c 的组合可以实现材料的增强、增韧，同时保持成型的稳定性， 而适当的粘稠性是提高断裂特性的先决条件。 国内张君瞄1 等对6 个配比的聚乙烯醇纤维增强水泥集复合材料单轴拉伸试验，研究表明其拉伸 极限应变的最大值达1 7 。 ( 3 ) 拉，压周期循环试验 f u k u y a m a 等o ”对p v a - e c c 材料和6 根粱构件进行了拉，压周期循环试验。研究表明纤维体积掺 量达到1 5 时，实现拉伸应变硬化，应变值达到1 5 ；f v a - e c c 梁试件显示了极佳韧性，偏转角 达到5 ，开裂宽度小于o 2 m m ( 耐久性的最大限值) 。因此p v a - e c c 取代混凝土具有提高结构性能 和构件破坏容许值的可能性，可以避免普通混凝土梁中的脆性破坏( 如剪切破坏、粘结劈裂破坏) ，可 用作防止剪切和粘结劈裂的增强材料，限制梁屈服后的混凝土膨胀。 ( 4 ) 静载试验和疲劳试验 m a t s u m o t o 、s u t h i w a r a p i r a k 和k a n d a l 2 8 j 通过静载试验和疲劳试验研究了p v a e c c 与p e - e c c 的 弯曲疲劳特性。静载试验结果表明p e - e c c 比p v a e c c 具有更高的强度和变形值，而且后者的微裂 缝数量比前者更少。作者认为p e - e c c 的强度更高是在较小裂缝间距下裂缝开展数目增多的结果。 动载试验结果表明：虽然e c c 在静载试验和疲劳试验中都呈现多点开裂现象，但在低应力疲劳水 平下并没有呈现大规模的多点开裂。与p b e c c 相比，p v a e c c 的最后破坏弯矩更大，变形能力 更高，这与静载试验绝然相反。作者认为p e - e c c 变形能力在静，动载下的差异取决于裂缝开展的特 性，即随着循环次数的增大，裂缝张开位移稳定增长。但是p v a - e c c 比p e e c c 裂缝张开幅度更大， 这就导致动载下p v a - e c c 的变形加剧。两者的断裂机理不同。在疲劳荷载作用下，纤维断裂与拔 出数目的比值p v a e c c 中为1 6 ：5 而p e - e c c 中为1 3 ：2 2 ，p v a 纤维发生严重断裂，而在相似配 合比中p e 纤维同时发生断裂和拔出。 z h a n g 和“捌对用于梁构件罩面层的p v a - e c c 进行了静载和疲劳弯曲试验研究及理论分析。 试验比较了纤维体积掺量为2 时p v a - e c c 作为罩面层的混凝土组合粱与素混凝土罩面层组合粱。 研究结果表明当e c c 作为基层混凝土罩面层时，组合梁在弯曲作用下承载力和峰值葡载下的跨中变 形都明显高于素混凝土粱的情况；弯曲作用下e c c 罩面梁的疲劳寿命不受罩面层与原来混凝土基层 问界面特性的影响，但在静载和周期荷载作用下的梁跨中变形能力受界面特性影响，表面浇筑光滑 的试件变形更大；为达到罩面层所需的变形水平，e c c 罩面和原来混凝土基层分界面上需要一定长 度的无粘结区；由于素混凝土材料的阻裂能力更低以及拉伸时的一条主裂缝的特性，界面特性将不 影响素混凝土罩面层组合梁的变形能力。该研究表明采用p v a - e c c 做罩面层可以减少路面的开裂破 坏现象。 p v a e c c 试验研究表明，通过分析p v a 纤维在基体中易于断裂的现象，研究了界面特性，得 出了相应的界面参数及计算表达式，提出了对纤维断裂的处理措施，这些措施使p v a 纤维在e c c 中更好地发挥了增强增韧效果。拉伸试验、拉，压试验和静载试验和疲劳试验中，p v a - e c c 都呈现了 极好的韧性，有良好的吸收能量作用，平均应变值都大于2 ，而经过微观结构处理( 如油剂涂膜处 一6 第一章绪论 理) 的材料实现了超高韧性，应变可达4 以上，材料出现多点开裂，裂缝宽度明显小于脆性材料， 材料断裂容许值也得到提高，出现了应变硬化效应。p v a e c c 做粱罩面层的研究表明：采用p v a e c c 材料作为路面罩面层，有利于路面劣化现状的改善。p v a - e c c 的剪力试验则表明：该材料具有优良 的抗剪性能，这对于材科在抗震领域的应用提供了巨大的应用前景。 1 4 目前研究中存在的问题 h p f r c c 包括s i f c o n ( 渍浆纤维混凝土) ，纤维增强d s p ( 强化微颗粒体系) ，c r c ( 密实增强复 合材料) ，s i f c a ( 适用于特殊工程的渍浆纤维混凝) ，s l m c o n ( 溃浆纤维网片混凝土) ，r p c c ( 活性 粉末混凝土复合材料) 。这些材料都具有很好的强度，延展性以及能量吸收能力，并具有应变硬化 和多缝开裂的特点。但是钢纤维掺量较高( 5 左右) ，通常需要高频振捣 6 1 。纤维掺量的增大不仅 使混合物拌和变得更为困难，同时也增加了工程的造价并且其应用主要限制用于一些特殊的工程。 目前e c c 在国外的研究较为成熟，e c c 有着优良的使用性能其拉伸极限应变可达3 5 ， 在应变硬化阶段的裂缝宽度小于1 0 0 微米。但是目前p v a - e c c 对于结构不同性能的要求及由此对相 应的材料性质优化结构性能的研究特别是如何在实现裂纹稳态扩展和多点开裂的基础上控制和减小 裂纹宽度，基材的参数如砂灰比，砂子细度、水灰比对p v a - e c c 力学性能和开裂性能有何影响还有 待深入。同时，考虑到环保问题和材料的可持续发展，还应将p v a - e c c 与节能和环保结合起来研究， 开发绿色高性能水泥基复合材料。 国内大多是从较低掺量( 一般小于1 ) 增强抗裂的角度对p v a 纤维增强水泥基复合材料进行 研究，对其增韧、应变硬化研究的较少，由于国产合成纤维在稍微高掺量的情况下( 1 5 左右) 分 散也还存在一定的问题。现有的一些国内e c c 研究仅是一些试探性研究，所以本文希望在材料制备 技术上能有所拓展，系统的研究基体、纤维、界面等参数对纤维增强水泥基复合材料性能的影响。 1 5 本文研究的内容和思路 1 5 1 研究内容 孙伟课题组e c c 项目成员一笔者与姜国庆博士在傲了大量的前期调研和资料分析基础上，认为 本研究借鉴于国内外高延性纤维增强水泥基复合材料的研究，但更应该结合国内的实际情况，突出 采用普通的原材料，制各出高性价比的高延性纤维增强水泥基复合材料( 肪f r c c ) ，具有多点开裂、 应变硬化等高性能。在本文中研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 进行高延性纤维增强水泥基复合材料的制备研究，主要包括以下几个方面 乱胶凝材料与高效减水剂的相容性试验，选出与胶凝材料相容性较好的减水剂。根据) f r c c 制备原理，选用适合配制h d f r c c 的地方材料。 b 在基准配合比的基础上，改变水胶比、减水剂掺量等参数对其性能影响，设计出适合本地材 料的配合比。 c 确定阿) f r c c 合理的制备工艺和养护方法。 ( 2 ) 研究纤维掺量、不同细骨料粒径等对高延性纤维增强水泥基复合材料的工作性能影响。 ( 3 ) 进行高延性纤维增强水泥基复合材料的力学性能试验研究，测定了其抗压强度、抗弯强度 挠度曲线、单轴抗拉强度和韧性指数。 ( 4 ) 初步研究了高延性纤维增强水泥基复合材料干燥收缩变形性能、干燥收缩开裂性能、碳化 东南大学硕士学位论文 等耐久性方面的性能。 ( 5 ) 应用扫描电子显徼镜等测试手段观测分析h d f r c c 的微观结构。 1 5 2 研究思路 本文制备的i - - i d f r c c 应具有多缝开裂和应变硬化性能而纤维、基体、界面三个方面的共同 作用影响着其开裂特性，所以h d f r c c 通过以下几个方面入手： ( i ) 去除粗骨料，提高匀质性并选择合适的细骨料和优化细骨料颗粒级配与最大粒径； ( 2 ) 掺入合适掺量的纤维以提高延性，比较不同纤维品种的不同力学性能； ( 3 ) 改善界面区基体的结构，减小界面区的缺陷，提高界面区的均匀性。 8 第二章高延性纤维增强水泥基复合材料的制备技术 第二章高延性纤维增强水泥基复合材料的制备技术 h d f r c c 作为一种由多种组分组成的复合材料，其组成材料的品种及性能必然对i - i d f r c c 的 性能产生极大的影响。因此制备出i - i d f r c c 需要从原材料的选用，配合比设计、制备工艺等方面对 其进行研究。 2 1h d f r c c 的制备原理 i - i d f r c c 是通过合理选用原材料，优化颗粒级配，选取适当纤维掺量和品种，建立在微观力学 基础上，实现应变硬化特性，基本原则包括以下几点： ( 1 ) 不含粗骨辩，提高材料的均匀性，主要体现在以下三个方面 a 粗骨料剔除后，骨料自身存在缺陷的几率减小，整个基体的缺陷也减少。 b 当粗骨料存在时，它和水泥浆体的过渡区范围很大，是整个结构中最为薄弱的部分，其特征 是富集粗大的孔隙。从微观的角度看，在过渡区范围内，骨料表面聚集着与其垂直的板状或层状的 氢氧化钙定向结晶，还分布着钙钒石的粗大结晶及少量的c s - h ，形成了一个粗糙的结构，强度低， 抗渗性和耐久性也不好。 c 混凝土中存在骨科对水泥石变形的约束作用。众所周知，水泥石的收缩要比混凝土收缩大4 1 0 倍。由于收缩在骨料面上产生的拉应力和剪应力随着骨料粒径的增大而增大，如果它们超过水泥 石和骨料的粘结强度，则生成细小的裂缝。这些裂缝在受到荷载时会扩展到砂浆内部，但更主要的 是在粗骨料与砂浆界面上出现。 制备i - i d f r c c 的首要是消除上述不利影响，取消租骨科，提高材料的均匀性，成为 ) f r c c 的设计原则之一。 ( 2 ) 加入纤维提高延性 实现抗拉伸应力应变的应变硬化，由已有的高性能纤维增强水泥基复合材料研究表明，纤维是 必不可少的材料组成，早期高性能纤维增强水泥基复合材料是掺以5 的钢纤维掺量来实现应变硬 化，本文预期通过2 的聚合物纤维实现应变硬化阶段。 ( 3 ) 制备工艺尽可能简单 为了保证 玎) f r c c 能在土木工程中得到广泛的应用，h d f r c c 的制备工艺力求简单和低能耗， 其搅拌工艺易行。其养护制度也无特殊要求。 根据以上原则在本研究中将采取以下技术措施： ( 1 ) 优选高效减水剂： 对两种高效减水剂进行试验分析，从中选出减水率大并能与胶凝材料具有良好相容性的超塑化 剂； ( 2 ) 保证胶凝材料用量： i - i d f r c c 配制时胶凝材料用量比较多，一般可达到1 1 9 9 k g ，d ；由于本文选用的聚合物纤维直 径较小，需较多的胶凝材料用量来包裹住纤维，并使之均匀分散。 ( 3 ) 控制水胶比： 为了配制高强 ) f r c c ，本文将水胶比固定在0 2 3 0 4 0 之间，在水胶比较低的条件下同样能制 9 东南大学硕士学位论文 的出流动性好的h d f r c c 。 ( 4 ) 纤维分散技术 由于h d f r c c 主要以聚合物纤维为主，其纤维直径较小，纤维根数较多，对两种纤维掺法进行 试验研究，选出效果好的纤维施工工艺。 2 2 原材料的优选与质量控制 h d f r c c 所用材料与普通混凝土有所不同，其组成材料主要包括以下几种：( 1 ) 水泥；( 2 ) 粉煤 灰；( 3 ) 细砂；( 4 ) 纤维；( 5 ) 高效减水剂。 ( 1 ) 水泥 h d f r c c 的特点之一是低水灰比，为了保证其流动性，必须掺入高效减水剂。因此，须选择适 宜于低水灰比特性的水泥，其中一方面是细度及粒子的组成，另一方