（固体力学专业论文）纤维增强呋喃树脂混凝土的力学性能研究.pdf

摘要 树脂混凝土是一种新型的高效多功能材料，由于它具有高强、高 抗渗、耐腐蚀、耐磨耗、电绝缘和快硬化等优点。因此，在建筑工 程、水利工程、道路工程等具有广阔的应用前景。由于它具有良好 的耐腐蚀性能，是目前国内外防腐蚀工程中使用效果较好的主要材 料之一。到目前为止，树脂混凝土已经在防腐蚀整体地面、设备沟 槽等工程中得到广泛的使用。但是，与普通水泥混凝土一样，树脂 混凝士的拉、压强度比比较低，研究采用有效的方法改善树脂混凝 土的抗拉性能具有重要的理论与实际意义。 本文首先应用应力传递理论、纤维间距理论和复合材料机理对 短纤维增强树脂混凝土的增强机理进行了初步分析；然后，在呋喃 树脂混凝土( 砂浆) 中加入杜拉纤维，对其力学性能进行了研究。 研究确定呋喃树脂混凝土的配方后，加入不同含量、不同长度的杜 拉纤维，通过对其力学性能( 抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度) 的测试，确定杜拉纤维的合适长度和最佳掺量；在呋喃树脂砂浆中 加入不同含量、同一长度的杜拉纤维，通过其力学性能的测试，确 定杜拉纤维的最佳掺量，探索了杜拉纤维增强呋喃树脂混凝土( 砂 浆) 的破坏机理。最后，为改善杜拉纤维与呋喃树脂砂浆的界面粘 结性能，采用杜拉纤维用不同的硅烷偶联荆处理后再加入到呋喃树 脂砂浆中，测试其力学性能。同时，对硅烷偶联剂的作用机理进行 了初步分析。结果表明：在呋喃树脂混凝土( 砂浆) 中加入杜拉纤 维，可提高其抗拉强度、抗折强度和冲击韧性；经硅烷偶联剂w d 6 0 处理后的杜拉纤维对其抗拉强度、抗折强度有大幅度提高。本课题 的研究对于提高树脂混凝土( 砂浆) 及其结构的力学性能和耐腐蚀 性能、拓展树脂混凝士的应用范围具有重要的理论与实际意义。 关键词：呋喃树脂混凝土，杜拉纤维，力学性能，增强机理，硅烷 偶联剂 a b s t r a c t p o l y m e r sc o n c r e t eh a sb e e ni d e n t i f i e da san e w l ym u l t i f u n e t i o n a l m a t e r i a ld u et oi t s h i g hs t r e n g t h ，h i g ha n t i - p e r m e a b i l i t y ，a n d a n t i - c o r r o s i o n ，n o n e o n d u e t i v e a n dh a r d e nf a s t p r o p e r t i e s i t h a s e x p a n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nc o n s t r u c te n g i n e e r i n g ，i r r i g a t i o n w o r k sa n dc i v i l e n g i n e e r i n g s i n c e i t s p r e d o m i n a n ta n t i e r o s i o n ， p o l y m e r c o n c r e t ei so n eo fe f f i c i e n t m a t e r i a l s ，w h i c h a r eu s e di n a n t i e r o s i o n e n g i n e e r i n g i na n do u to ft h e c o u n t r y u p t o n o w , p o l y m e r c o n c r e t eh a sb e e ni n c r e a s i n g l yu s e di ns o m ee n g i n e e r i n g ，s u c h a sa n t i e r o s i o nm o n o l i t h i cf l o o ra n de q u i p m e n tg r o o v e h o w e v e r ，a s s a m ea sp l a i nc o n c r e t e ，t h er a t i oo fp o l y m e rc o n c r e t e st e n s i l es t r e n g t h a n di t sc o m p r e s s i v es t r e n g t hi s v e r ys m a l l h e n c e ，i ti ss i g n i f i c a n ti n t h e o r ya n dp r a c t i c et or e s e a r c ha ne f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h et e n s i l e s t r e n g t ho fp o l y m e rc o n c r e t e i nt h i sp a p e r ，t h es t r e n g t h e nm e c h a n i s mo ff i b e rc h o pw a sf i r s t l y a n a l y z e d b a s e do ns t r e s st r a n s f e r t h e o r y ，f i b e rs p a c et h e o r y a n d c o m p o s i t e m e c h a n i s mo ff i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e rc o n c r e t ew a s s t u d i e d ， a nt h e nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep o l y m e rc o n c r e t ew a ss t u d i e d ， w h i c hw a sm i x e dw i t hd u r a f i b e r a f t e rd e t e r m i n e dt h ep r o p o r t i o no f f u r a nr e s i nc o n c r e t e ，i tm i x e dw i t hd u r a f i b e ro fv a r yc o n t e n ta n dv a r y l e n g t h ，t h e nt h em o s tf i t t i n gl e n g t ha n dp r o p o r t i o no fd u r a f i b e rw e r e d e t e r m i n e db yt e s t i n gi t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( c o m p r e s s i v es t r e n g t h ， t e n s i l e s t r e n g t h a n db e n d i n gs t r e n g t h ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f u r a np o l y m e rm o r t a rw e r et e s t e da l s o ，w h i c hi sm i x e dw i t hd u r a f i b e r o fc h a n g e l e s sl e n g t ha n dv a r yc o n t e n t ，a n dt h em o s tf i t t i n gc o n t e n to f d u r a f i b e rw a sd e t e r m i n e d a tl a s t i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e r f a c i a l b o n ds t r e n g t h ，d u r a f i b e rp r e t r e a t e db yv a r i a b l es i l a n ec o u p l i n ga g e n t s w e r em i x e di n t of u r a n p o l y m e rm o r t a r ，t h e n m a k ei t sm e c h a n i c p r o p e r t i e st e s t i n g t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n d r u p t u r e s t r e n g t ho ff u r a np o l y m e rc o n c r e t ew e r ei m p r o v e dw h e nt h ed u r a f i b e r w a su s e d ；a n dd u r a f i b e r p r e t r e a t e db yw d 一6 0s i l a n ec o u p l i n ga g e n t c a n e n h a n c et h es t r e n g t h s ( t h et e n s i l es t r e n g t h ，r u p t u r es t r e n g t ha n di m p a c t t o u g h n e s s ) g r e a t l y ，a l lo ft h i si ss i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c et o i m p r o v em e c h a n i ca n da n t i c o r r o s i o np r o p e r t i e so fp o l y m e rc o n c r e t e a n di t ss t r u c t u r e ，a n de x p a n di t su s er a n g e k e y w o r d s ：f u r a n r e s i nc o n c r e t e ，d u r a f i b e r ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， r e i n f o r c i n gm e c h a n i s m ， s i l a n ec o u p l i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 混凝士是一种人造石材，是当代用量最多、用途最广的建筑材 料之一，也是当今世界现代文明的重要支柱。尽管混凝土有许多优 点，例如有较高的抗压强度，较好的耐久性，较强的适应性及经济 性等，但也有其自身难于克服的缺点，如抗拉、抗折强度较低，脆 性大，柔性低，凝结硬化较缓慢，干缩量大，抗化学腐蚀能力不高 等。长期以来，人们一直在寻找对水泥混凝土进行改良的途径，诸 如通过改善水泥的性质、改变水泥混凝土的配合比、添加纤维材料、 掺加外加剂等措施来改良水泥混凝土的性能，使混凝土满足工程的 特殊需要。对混凝土的最基本的力学性能的改善即降低脆性、提高 柔性、减小抗压强度与抗折强度的比值，要借助于在混凝土中掺加 化学外掺剂，则聚合物混凝土应运而生。聚合物混凝土是由水泥混 凝土的制造方法与施工技术和近代迅速发展的高分子材料有效结合 而产生的一种新型材料的总称，是一种以有机的或有机与无机复合 的材料为胶结料，将粗细集料粘合在一起，从而形成一种性能比普 通混凝土好得多的多项复合材料。它体现了有机聚合物与无机胶凝 材料相结合的优点，与普通水泥混凝土相比，具有强度高，耐化学 腐蚀性、耐磨性、耐水性和耐冻性好，易于粘结，电绝缘性好等优 点，因此引起广泛重视，是国内外大力研究和发展的新型混凝士。 按照混凝土中胶结料的不同组成，聚合物混凝士有如下三种： ( 1 ) 聚合物水泥混凝土( 砂浆) 这种混凝土简称p c c ，以水泥、聚合物胶结料与骨料结合而成， 也就是在水泥混凝土的组成中添加了聚合物的混凝土。添加聚合物 的量比一般减水剂等外加剂的量多得多。 ( 2 ) 树脂混凝土( 砂浆) 这种混凝土简称p c ，仅以聚合物代替水泥作胶结料，与骨料结 合而成。 ( 3 ) 聚合物浸渍混凝土( 砂浆) 这种聚合物简称p i c ，就是将低粘度单体、预聚物、聚合物等浸 渍到已硬化了的混凝土的内部空隙中，经过聚合等步骤使水泥混凝 土与聚合物成为一个整体。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 聚合物混凝土的发展历史 很久以前人类就知道用天然的有机聚合物可以改善无机胶凝材 料的质量。1 9 2 3 年克利森( c r e s s o n ) 第一个申请了有关聚合物硬化 水泥体系的专利，在他的专利中把天然橡胶乳液作为填料加入道路 路面建筑材料中。里夫布尔( l e f e b u r e ) 在1 9 2 4 年申请了用天然橡 胶乳液使水泥砂浆及水泥混凝土改性的专利”3 ，他第一个提出了用聚 台物对水泥砂浆及混凝士进行改性的新概念。因此，他的专利具有 历史性的意义。2 0 世纪2 0 3 0 年代，天然橡胶乳改性水泥砂浆及水 泥混凝土得到了发展。1 9 3 2 年，邦德( b o n d ) 第一个提出了人造橡胶 改性水泥砂浆及水泥混凝土，并获得了专利。随后1 9 3 3 年罗德威尔 ( r o d w e l l ) 获得了用合成树脂进行改性的专利。2 0 世纪3 0 4 0 年 代，人们开始把改性材料的着眼点从天然聚合物转到人工合成聚合 物上来。从2 0 世纪4 0 年代以来，先后有人获得了用合成聚合物胶 乳进行改性的专利，所用合成胶乳有氯丁橡胶乳液、聚丙烯酸酯胶 乳等，并尝试把聚乙烯乙酸酯用于对水泥砂浆及水泥混凝土的改性。 5 0 年代以后，对聚合物用于水泥砂浆及水泥混凝土改性进行了研究， 并开始把部分研究成果在世纪工程中试用”3 。6 0 年代以树脂为胶结 料的树脂混凝土和聚合物浸渍混凝土崛起，美国、日本、西德和苏 联都相继开展了大量的研究工作“_ 5 1 。不仅是对各种聚合物的改性效 果进行较深入的研究，而且对改性机理、聚合物与水泥、水泥水化 生成物间的作用机理从理论上进行了深入分析，并有大量科研成果 出现“。1 。下面分别介绍一些国家的情况。 美国自5 0 年代开始采用聚合物混凝土材料方面的研究成果，6 0 年代有很多文献介绍聚合物浸渍混凝土p i c 。7 0 年代里聚合物浸渍 混凝土在地板、桥面和水工建筑上应用。1 9 7 1 年在美国混凝土协会 下面成立了5 4 8 聚合物混凝土委员会。它和美国塑料工业学会一同 从事聚合物混凝土材料方面的组织领导工作。5 4 8 委员会每隔2 3 年召开一次学术讨论会，并出版论文集，同时还出版一些技术说明 和使用指南，在每年的春秋两季组织一些自由参加的学术讨论会。 美国塑料工业协会也成立了聚合物混凝土委员会，一些公司和厂家 参加这个组织，他们的兴趣在于生产聚合物混凝土制品，这个组织 和5 4 8 委员会以及科研机构、政府部门及其它一些从事聚合物混凝 2 武汉理工大学硕士学位论文 土方面工作的单位及组织建立联系，鼓励人们在聚合物混凝土的学 术会议、技术刊物上发表文章。在美国也还有其他一些组织，也在 从事聚合物混凝土方面的工作，这些组织在新材料、新技术领域中 互相竞争，从而促进了这些领域的快速发展。 日本对新技术新材料吸收得快，发展也很快。在日本，聚合物 混凝土的研究开发，推广应用，工业化生产都已正规化。日本材料 科学协会中的聚合物混凝土( p i e ) 委员会和日本技术转让协会中的 p i c 委员会，在聚合物混凝土复合材料领域中起领导作用。其它机构 还有建筑技术学会中的塑料混凝土委员会、日本混凝土协会等。分 别由这些组织发表聚合物混凝土结构设计要求、聚合物混凝土使用 指南、聚合物浸渍混凝士标准规范、聚合物混凝土材料试验方法标 准规范。在日本已建立了聚合物浸渍混凝土和树脂混凝土的工业标 准、试验方法标准，另外在材料质量要求方面的标准化工作也已取 得很大进展。在聚合物混凝土材料研究领域中，n i h o n 大学士木工程 系大滨加彦教授，是很有影响的科学家，他在p i c 方面工作的动向 已引起世界各国同行学者的关注。近年来日本在树脂砂浆和树脂混 凝土方面研究及开发领域见表1 1 n 3 。 表1 1 树脂砂浆( 混凝土) 研究及开发领域 1 树脂砂浆( 混凝土)l _ 聚酯砂浆( 混凝土) 的配合比设计 的配合比设计2 聚甲基丙烯酸甲酯砂浆( 混凝土) 的配合 比设计 3 预混合聚酯混凝土的开发 2 纤维增强树脂砂浆1 钢纤维增强树脂混凝土 和树脂混凝土2 玻璃布增强树脂混凝土 3 湿骨料制备树脂混用含湿量为3 0 的掺硅烷偶联剂的湿骨 凝土料、吸湿剂和钢纤维等改进混凝土强度和冻 融耐久性 4 低温固化的树脂在o 一2 0 ( 2 低温下聚甲基丙烯酸甲酯混凝土 混凝土的固化 5 树脂砂浆( 混凝在水下聚酯砂浆( 混凝土) 的耐久性 土) 的耐久性 6 树脂砂浆( 混凝1 小直径盾构发开挖隧道采用快凝聚酯砂 武汉理工大学硕士学位论文 土) 的自动化应用系浆或硬质泡沫聚氨酯 统2 环氧砂浆喷射材料用于小直径盾构发开 挖隧道 7 人造大理石、瓷砖用聚合物灰浆和阻燃填料，如氨氧化铝、氢 和板氧化镁研制人造大理石和瓷砖 8 树脂砂浆( 混凝测定力学性能和热变形性能并试制机床 土) 用于机床设备结 构 前苏联在聚合物混凝土材料理论研究及实际应用方面都做了很 多工作，取得显著进展。为了推进研究工作及促进聚合物混凝土材 料的实际应用，1 9 7 8 年在苏联部长会议国家建设委员会协调会议委 员会组织中，专门设立了一个下属委员会。根据改工作组的倡议， 于1 9 7 9 年1 0 月召开了第一届全苏聚合物水泥材料制品及建筑物协 调会议，将这一领域的全体专家、工作人员联系在一起。此后，在 聚合物水泥材料的研究方面取得较大的进展。 在我国聚合物混凝土的研究起步于6 0 年代。我国从6 0 年代初 开始研究应用聚合物水泥混凝土。目前，聚合物水泥混凝土在我国 是以聚合物改性砂浆的形式用于修补、耐蚀防护材料为主，而很少 用聚合物改性水泥混凝土作为建筑结构材料。这是因为聚合物水泥 混凝土改性砂浆施工比较方便，新鲜砂浆具有比较好的工作性能， 与老混凝土或钢材表面粘结良好，便于与破损结构结合。形成致密 的抗渗保护修复层。从1 9 8 0 年起在混凝土修复、钢结构保护、水工 建筑耐水层、高速公路路面等十几个工程中，得到了成功的应用。 我国从1 9 7 3 年开始研究聚合物浸渍混凝土，先后用于化工地坪、 输气管道、耐盐卤腐蚀、防爆物件等工程，取得了较好效果。但是， 由于对混凝土物件进行完全浸渍的工艺比较复杂，又存在单体再利 用问题( 单体的重复使用问题可通过一定方法得到控制) ，及造价太 高和制件尺寸受浸渍容器限制等原因，使该完全浸渍工艺在我国的 应用十分有限。而表面浸渍工艺比较简单，成本低、能耗少，无剩 余单体的回收问题。同时，混凝土结构经表面浸渍后，其表面强度、 硬度、抗渗性、抗冻性、耐蚀性等都有显著改善，因此具有较大的 4 武汉理工大学硕士学位论文 应用前景。 1 2 树脂混凝土概况 由于聚合物浸渍混凝土工艺复杂，成本较高。而树脂混凝土由 于兼有p c c 和p i c 两者的优点，即性能改善较为明显，且生产工艺 比较简单，所以树脂混凝土成为近年来聚合物混凝土材料中发展最 快的一个品种。现在，聚合物胶结混凝土已成为各国研究人员关心 的重点。 树脂混凝土是指胶结材料只使用液态树脂时的高强、多功能的 建筑材料。使用不同的树脂和骨料，可制得不同性能的树脂混凝土。 世界各国对树脂混凝土的研究于1 9 5 0 年开始，无论基础研究还 是应用研究均取得显著进展。发展较快的国家是日本、德国和前苏 联，各国所采用的树脂品种不尽相同。目前最常用的胶结材料有环 氧树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂、脲醛树脂及甲基丙烯酸甲酯 单体、苯乙烯单体等。其中德国使用较多的是甲基丙烯酸甲酯：日 本以不饱和聚酯树脂为主；前苏联侧重于尿素树脂、脲醛和呋喃树 脂：美国着重于乙烯类树脂、环氧树脂：而英国以环氧树脂为主。 在这个领域中，德国除进行大量研究工作外，几乎全部机械设备的 设计是由德国进行的。表1 2 中列出了聚合物胶结混凝土制造中所 采用的胶结料种类。 表1 2 胶结料种类 热固性树脂焦油改性树脂乙烯型单体 不饱和聚酯树脂焦油环氧树脂 甲基丙烯酸甲酯 环氧树脂焦油氮基甲酸乙酯甘油甲基丙烯酸甲酯 呋喃( 糠酮等) 树苯乙烯 脂 聚氨酯 酚醛树脂 选择胶结材料时，应考虑以下几点： ( 1 ) 在满足使用要求的前提下，尽可能采用价格低的树脂 ( 2 ) 粘度要低并容易调整，便于同骨料混合； ( 3 ) 与骨料的粘结力要好； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 要有良好的耐水性和化学稳定性： ( 5 ) 耐候性、耐老化性要好，并有一定的耐热性，且不易燃烧： ( 6 ) 当掺入的硬化剂、促进剂、溶剂蒸发与空气中水分反应时， 不论加热与否均能硬化成固体； ( 7 ) 硬化时间可随意调节，硬化过程中不得产生有害物质；现 场的温度和湿度对硬化过程的影响要小；而且硬化收缩率要小。 粉料和骨料对树脂混凝土的性能有很大的影响；使用时应满足 以下要求： ( 1 ) 耐酸度应符合现行的规范规定； ( 2 ) 要干燥，含水量不应大于0 1 ； ( 3 ) 不含与树脂发生反应的杂质和不耐酸的有害物质： ( 4 ) 表面的吸附性能小，以减少树脂用量； ( 5 ) 粉料要有一定的细度，骨料要有一定的级配： ( 6 ) 骨料的强度较高。 树脂本身不会硬化，因此在制造树脂混凝土时，还需掺加适当 的硬化剂。树脂品种不同，对应的硬化剂亦不同，即使同一品种的 树脂，硬化剂也多种多样。选用时应根据制成品的使用要求及硬化 剂的性质区别对待。 有的树脂常温时粘度较大，不能满足工艺要求，所以使用时常 需添加稀释剂，以达到降低粘度，满足工艺的要求。常被使用的稀 释剂有丙酮、乙醇、二甲苯等。 树脂混凝土是一种新型的高效多功能材料，即便它目前成本较 高，但由于它具有高强、高抗渗、耐腐蚀、耐磨耗，电绝缘和快硬 化等优点。因此，在建筑工程、水利工程、道路工程等仍有广阔的 应用前景。在某些特殊工程如防腐蚀工程等的使用，还有十分显著 的技术经济效果，是目前国内外防腐蚀工程中使用效果较好的主要 材料。 树脂混凝土有良好的耐腐蚀性能，可以耐大多数的酸、碱、盐 及有机溶剂、石油制品等介质的腐蚀。所以几乎对冶金、化工、石 油、电子、机械、兵器、纺织等行业常用的生产介质都有相当良好 的耐蚀能力，有广泛的适用性。近年来树脂混凝士的品种不断增多， 性能逐步完善，施工方法日臻成熟，使用范围逐步扩大，特别是近 年来高韧性、低收缩的树脂品种不断涌现，使树脂混凝土的性能有 6 武汉理工大学硕士学位论文 了进一步的提高和改进，因而使用范围进一步扩大，使用效果更加 良好。到目前为止，树脂混凝土已经在防腐蚀整体地面、设备沟槽 等工程中得到广泛的应用，一般均获得了良好的使用效果。 下面主要介绍树脂混凝土( 砂浆) 在防腐蚀工程中的应用： ( 1 ) 在整体地面中的应用 工厂防腐蚀地面是建筑物的主要组成部分之一。它的功能是保 护基层不受腐蚀介质的破坏，并承受负荷和磨损等物理机械作用， 以保证生产的正常进行。防腐蚀地面不仅投资比重较大( 约占整个 厂房土建投资的2 0 3 0 ) ，而且还直接关系到厂房建筑结构的安全 使用。所以防腐蚀地面在有侵蚀性介质的工厂中占有重要地位。 树脂混凝土既有很高的强度、密实度、抗冲击性能和粘结强度， 又有良好的耐腐蚀性能，因此特别适宜做防腐蚀整体地面的面层材 料。工程应用实践表明，树脂混凝土整体地面不仅能满足生产要求， 而且经济效果也十分显著。树脂混凝士整体地面的主要特点是：耐 腐蚀性能好；机械强度高，能承受较大的冲击作用：较好的耐磨性 能和实际上的不透水性；构造简单，施工方便，进度快；经济效果 比较显著：整体无缝，便于清洗，有较好的装饰效果。 树脂混凝土整体地面所采用的胶结剂主要是环氧树脂和不饱和 聚酯树脂两大类。环氧树脂性能比较全面，既耐酸又耐碱，但价格 稍高；不饱和聚酯树脂价格便宜，有较好的耐氧化剂的能力，但不 耐碱，且收缩率较高。所以这两种树脂都有各自的使用范围和特点。 树脂混凝土整体地面基本上可分为树脂砂浆地面、树脂混凝土 ( 高骨料) 和树脂磨石地面等三类。其中砂浆主要用于有中等程度 冲击的工厂防腐蚀地面，而树脂混凝土和树脂磨石地面剡用于要承 受很大机械负荷的重型厂房防腐蚀地面。例如，树脂混凝土抗冲磨 面层已经在我国新安江发电厂、长江葛洲坝工程得到应用；又如， 树脂砂浆整体防腐蚀地面己在我国最大的钢铁基地一一宝山钢铁总 厂得到广泛应用。 ( 2 ) 在承重结构中的应用 树脂混凝土优良的物理力学性能、耐化学稳定性能和其它的良 好性能，使其有可能在耐化学腐蚀的建筑结构，或直接受各种腐蚀 介质强烈作用的构筑物中得到广泛应用。实践证明，在有侵蚀性工 业厂房中使用树脂混凝土或加筋树脂混凝土结构，表现出很高的化 武汉理工大学硕士学位论文 学稳定性，减少了日常的维修工作量，节省了劳力，提高了厂房的 使用寿命，同时也减少了腐蚀性介质的渗漏，避免了由此而引起的 对其它构筑物的损坏，提高了生产率并改善了劳动环境，也基本上 消除了杂散电流的泄漏，从而降低了能源消耗，具有较好的经济性。 例如：苏联曾在有色冶金工厂，用呋喃混凝土和加筋呋喃混凝士制 作高1 4 4 m 、截面为6 0 0 4 0 0 m m 的构架柱和电解槽的高架桥柱、设 备基础及电解槽。国际防腐蚀技术公司( 简称c t i ) 已用乙烯树脂制 造了整体式聚合物混凝土电解槽”3 ，且拥有专利。聚合物混凝土电解 槽是将各种材料混合浇铸成一个整体，因此没有组合件的连接和密 封问题。c t i 的整体聚合物混凝土电解槽是一种完全耐腐蚀的单一整 体材料，而且强度比传统的电解槽高，由于有这些优点，聚合物混 凝土电解槽在全世界电解厂受到重视。树脂混凝土制作耐洗槽和电 解槽在我国也有了初步的应用。例如，1 9 9 6 年以来，黄石汇波防腐 有限公司为冶金集团公司一轧钢厂生产的x l z 一2 型整体呋喃混凝土 酸洗槽，槽体使用状况良好“。 ( 3 ) 在公路路面、桥面修补中的应用 国外的高速公路路面、桥面由于大量使用食盐化冻而引起混凝 土的开裂和剥落。要想在繁重的运输条件下，最大限度地缩短交通 关闭时间，必须采用快硬高强材料来修补已经损坏的公路路面和桥 面。美国联邦公路局首先研制成功甲基丙烯酸甲酯混凝士，并成功 的用于公路路面，4 小时后便可恢复通车，效果十分喜人。 1 3 纤维混凝土的研究现状 现代混凝土除了要达到高抗压、高抗拉等要求外，还要容易施 工，并能长期保持高强、高韧性、高抗渗性等性能，这就导致了高 性能混凝土的出现。纤维混凝土是在对混凝土的改性过程中应运而 生的。 纤维混凝土或纤维增强混凝土是以混凝土为基体，和金属材料、 无机纤维或有机纤维等增强材料组成的一种复合材料。它是将短而 细、具有高抗拉强度、高极限延伸率等良好性能的纤维均匀地分散 在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。混凝土中的纤维抑制了 早期塑性裂缝的产生，限制了外力作用下混凝土基体中裂缝的扩展， 与普通混凝土相比，纤维混凝土具有较高的抗拉、抗弯拉、抗冲击、 武汉理工大学硕士学位论文 抗暴和韧性、延性好等性能，同时对混凝土抗渗、防水、抗冻等方 面也有很大的促进作用。目前常用的几种纤维混凝土有：钢纤维混 凝土、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土以及合成纤维混凝土。 钢纤维是发展最早的一种纤维。早在1 9 1 0 年美国的p o r t e r 就 提出了把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化材料的设想，1 9 6 3 年美 国r o m u l d 等发表了一系列研究成果从理论上阐述了钢纤维对混凝土 的增强机理。 尽管玻璃纤维已用于铺设混凝土路面，但是对玻璃纤维混凝土 的物理性能研究得较少，这是因为玻璃纤维混凝土在使用中也暴露 出很大的缺点，即玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间以后，其 强度和韧性会有大幅度下降，即由早期的高强度、高韧性向普通混 凝土退化，加之其耐碱性不过关，现多用于结构加固。 碳纤维是6 0 年代开发研制的一种高性能纤维，具有抗拉强度和 弹性模量很高，化学性质稳定、与混凝土粘结良好的优点。但由于 碳纤维生产成本较高，应用受到一定限制。 合成的聚合纤维来源于有机聚合物，在水泥混凝土中进行过试 验并使用的聚合纤维有聚丙烯、尼龙( 酰胺纤维) 、聚酯和聚乙烯等。 尼龙、聚乙烯、聚丙烯纤维的弹性模量均较低，属于低弹模纤维， 其加入混凝土后的研究主要集中于对混凝土的改性方面。 近年来以聚丙烯和尼龙为代表的合成纤维在混凝土中的应用取 得很大进展。从目前国内研究水平来看，主要集中于对纤维混凝土 的物理、力学性能的研究：一些学者1 ”已对低掺量聚丙烯等低弹 性模量纤维混凝土的阻裂、抗渗机理、抗冲击、抗疲劳、增强机理、 抗冻性以及聚丙烯纤维对混凝土的力学性能的影响等进行了一些初 步的试验，并得出了一些符合试验的结论。 在聚丙烯纤维应用方面，朱江”分析聚丙烯纤维混凝土的防水 机理，并介绍了广州新中国大厦以及广州南方实业大厦的地下室底 板中添加聚丙烯纤维的旌工情况。谷章昭“”等指出尼龙及聚丙烯纤 维混凝土具有较好的抗裂性，可提高混凝土的使用功能及耐久性， 并已成功地在上海8 万人体育场看台、地铁工程及东方明珠电视塔 等工程中推广应用。苏健波“”等较详细地介绍了自1 9 9 6 年开始，杜 拉纤维( 即束状单丝聚丙烯纤维) 在我国的广泛应用。 从国外研究近况来看，对聚丙烯纤维混凝土的研究在基本性能 9 武汉理工大学硕士学位论文 研究的基础上，己有一定延伸。s y d n e yf u r l a nj r “”等对十四根 梁做了抗剪试验，指出与紊混凝土梁相比，抗剪强度、刚度和韧性 都有提高，同时还研究了箍筋对纤维混凝土梁的影响。g d m a n o l i s “们 等试验了一系列纤维含量不同、支撑条件不用的聚丙烯纤维混凝土 板的抗冲击性能及自振周期，发现纤维的引入对混凝土板的抗冲击 性能随纤维含量的增加逐渐提高，但对自振周期基本无影响。 与水泥混凝土相比，通常的树脂混凝土有着如下特征”“：( 1 ) 压 缩强度、弯曲强度、拉伸强度都比较大；( 2 ) 固化时间容易控制选 定，且达到最终强度的时间短：( 3 ) 通过粘合剂的作用可形成组合 结构：( 4 ) 通过高强度的薄壁设计，可使重量减轻和降低运输成本； ( 5 ) 水密性良好，耐冻结熔融性也优良；( 6 ) 耐腐蚀性优良；( 7 ) 易用颜料着色；( 8 ) 电绝缘性大；( 9 ) 振动衰减性能好等。由于树 脂混凝土的优良特性，引起世界各国材料研究者们的重视姑2 - 2 ”。对 不同类型的树脂混凝土的力学性能”1 ( 包括弯曲性能、拉伸强度、 疲劳强度、温度对树脂混凝土的影响等) 进行了研究。为改善树脂 混凝土的拉伸强度，增加其韧性，采用了钢纤维、玻璃纤维，亦有 用碳纤维或玻璃纤维制成纤维增强聚合物棒作加筋材料b ”“3 。 p c 在我国的应用主要有两方面，其一，作为耐蚀、高强材料应 用予水工构筑物、坝闸、酸槽、机床工业等方面；其二，作为装饰 材料用于人造大理石的制造。我国的树脂混凝土复合材料的研制开 发由于受建筑造价和国情所限，应用数量和范围还相当有限，有待 进一步开拓开发。 1 4 课题的目的意义和研究内容 对于长期在腐蚀介质环境下工作的工程结构( 如电解槽等) ， 普通的钢筋混凝土已经不能满足使用要求，解决这一问题的方法之 一是在采用钢筋混凝土作为承力结构的同时，外包覆防腐蚀保护层 ( 如玻璃纤维增强塑料，即玻璃钢) 。由于在长期的工作中不可避 免地会与其他坚硬物体发生碰撞或摩擦，使玻璃钢保护层受到损伤 或破裂，从而导致腐蚀介质对钢筋混凝土的侵蚀破坏。为了提高结 构的使用寿命，对于电解槽这样的产品，近年来国内外逐步开始采 用树脂混凝土代替水泥混凝土，由于树腊混凝土材料本身具有较好 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的防腐功能，所以不需要再包覆防腐保护层，大大提高了使用寿命， 降低了维修费用，但是由于树脂混凝土同样存在抗拉强度较低的缺 陷，目前在一般的结构中仍然需要采用钢筋加强，因此一旦树脂混 凝土有微裂纹出现，腐蚀介质还是会渗透到槽体内部，使钢筋腐蚀 失效。为了从根本上解决结构的耐腐蚀问题，“无金属化”的设计 概念应运而生。要做到结构中完全避免使用金属材料，途径有两条： 一是采用其他材料( 如玻璃钢筋) 代替钢筋；二是对混凝土本身进 行增强增韧，提高抵抗开裂的能力，使其利用自身的性能，在无须 加筋的情况下足以满足结构的使用要求。本课题研究的目的就是沿 着第二条途径，以呋喃树脂混凝土为研究对象，以电解槽为应用背 景，以短切纤维为增强材料，开展纤维增强呋喃树脂混凝土的力学 性能研究。显然，本课题的研究对于提高树脂混凝土及其结构的力 学性能和耐腐蚀性能、拓展树脂混凝土的应用范围、简化电解槽等 防腐结构的生产工艺具有重要的理论与实际意义。 本文主要研究内容是： ( 1 ) 应用应力传递理论、纤维间距理论和复合材料机理对短纤 维增强树脂混凝土的增强机理进行初步分析。 ( 2 ) 根据在呋喃树脂混凝土中掺加两种不同长度、不同含量的 杜拉纤维，通过其力学性能( 抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度) 的测试，确定在呋喃树脂混凝土中掺加杜拉纤维的合适长度和最佳 掺量。 ( 3 ) 根据在呋喃树脂砂浆中掺加同一长度、不同含量的杜拉纤 维，通过其力学性能( 抗压强度、劈裂抗拉强度、轴向拉伸强度、 抗折强度) 的测试，确定在呋喃树腊砂浆中掺加杜拉纤维的最佳掺 量。 ( 4 ) 为改善杜拉纤维与树脂砂浆的界面粘结性能，对杜拉纤维 的表面用不同的硅烷偶联剂进行处理后，以同一掺量( 1 2 k g m 3 ) 加 入到呋哺树脂砂浆中，通过其力学性能( 抗压强度、劈裂抗拉强度、 轴向拉伸强度、抗折强度、冲击韧性) 的测试，确定最佳的表面处 理剂。 ( 5 ) 对硅烷偶联剂的作用机理进行了初步分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章纤维混凝土的增强机理 复合材料是由两种或两种以上的单一材料，用物理的或化学的 方法经人工复合而成的一种多相固体材料。复合材料通常包含了一 种或几种分散相和一种连续相，分散相镶嵌在连续相中，连续相为 基体。分散相的加入往往使复合材料的性能高于基体相，因此分散 相也称为增强相。复合材料的性质受组分的性质、分布及其相互作 用的影响。因此，在描述一个复合材料体系时，除了需要了解组分 材料及其性质外，还需要了解增强组分的几何条件( 包括形状、尺 寸等) 、增强组分的密集度、密集度分布和方向，以及基体和增强材 料的结合情况。 依据用途不同，复合材料可分为功能复合材料和结构复合材料。 功能复合材料是把复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要 用途的材料：而结构复合材料是利用复合材料的各种良好力学性能， 用于建造或制造结构的材料。对于纤维复合材料，根据纤维的长短 不同，又可将纤维增强复合材料分为长纤维增强复合材料和短纤维 增强复合材料。短纤维复合材料的性能与短纤维的分布、长径比有 密切关系。根据纤维的取向，短纤维增强复合材料又可细分为单向 短纤维增强复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。杂乱短纤维复合 材料中纤维呈杂乱随机分布，在三维空间对基体起增强作用。 对结构材料，材料复合的主要目的是改善材料的力学性能。由 于材料的复合，它不仅保留了原组成材料的特色，两且通过各组分 性能的互补和关联可以获得原组分所没有的优良性能，并具有可设 计性，如结构复合材料不仅可根据材料的使用要求进行选材设计， 更重要的是还可进行复合结构设计，即增强体的比例、分布、排列 和取向等的设计。 。 在短纤维增强复合材料中纤维长几毫米到几十毫米，纤维是不 连续的，所以在短纤维复合材料中荷载的传递过程比连续纤维复合 材料复杂得多，表现在纤维端头部分，在纤维、纤维一基体界面和 基体中存在着非常复杂的应力状态。一般而言，短纤维增强复合材 料在荷载传递中，基体所起作用明显增大，在纤维两端往往出现钱 币状的裂纹，以及纤维排列的不均匀和不规则所引起的问题等，导 致短纤维增强复合材料在强度、刚度和抗疲劳性能等方面，远不如 同类长纤维增强复合材料在纤维方向的性能。在垂直于纤维方向受 拉时，由于应力集中的原因，在拉应变和拉应力较大的那部分界面 上，可能产生脱粘和开裂。由于剪应力的作用，界面也可能产生脱 粘和开裂。因为这些原因，短纤维增强复合材料就很难达到很高的 强度和刚度，但因施工较方便，特别是有很好的阻裂效果，所以应 用较多。短纤维增强方式，按纤维的排列情况可分为： ( 1 ) 单向短纤维增强复合材料：短纤维平行地排列，沿纤维方 向看，可近似地认为是横向同性的： ( 2 ) 面内短纤维杂乱增强复合材料：短纤维在平面内杂乱地分 布，因此是面内各向同性的，从垂直于平面的方向看，是准横向同 性的： ( 3 ) 空间短纤维杂乱增强复合材料：短纤维在复合材料所占有 的空间中杂乱地分布，因此是准各向同性的。 不论哪一种短纤维增强复合材料，都存在着荷载从某根纤维的 一端通过赛面和基体传递到邻近纤维的过程，因此纤维末端效应明 显地影响其增强效果，纤维一基体界面的结构和性能对复合材料的 物理性能和力学性能起着主要作用，应力传递机理将有助于对短纤 维增强机理和短纤维复合材料力学性能的深入理解。 2 1 应力传递理论 一般当纤维长径比减少时，纤维与周围基体的应力、应变场因纤 维的不连续而发生了变化，纤维对基体的增强效果下降，短纤维端 部应力和分布对短纤维复合材料性能的作用逐渐显褥重要。 分析纤维端部应力分布，c o x ”运用剪切滞后法，考虑埋在基体 中的一根长度为l 的纤维( 图2 1 ) ，作用在基体上的荷载将通过界 面传递到纤维上。为了对荷载从基体向纤维的传递方式进行理论分 析，c o x 对界面作了如下假定： ( 1 ) 基体与纤维都保持在弹性范围内； ( 2 ) 界面厚度无限小； ( 3 ) 纤维与基体的界面为理想粘结，在轴向的位移一致； ( 4 ) 纤维周围材料的性能不受界面的影响； ( 5 ) 纤维呈有规则排列。 武汉理工大学硕士学位论文 在此基础上，可求出在基体上作用有平行于纤维荷载的情况下， 沿纤维长度方向坐标为z 处，纤维的拉应力盯，0 ) 和界面剪应力f ) 如下所示： y l ni 以 图2 1 纤维端部应力分布图 o 1 - b ) = 巧 r b ) = b 式中： 胙南 q ，2 l n | 詈i l 一纤维长度； r 一纤维的等效半径 r 一基体的等效半径 1 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 型睹 慨一滢 型| ； 二叭刊互叫 厂卢 武汉理工大学硕士学位论文 占一基体应变； e ，一纤维的弹性模量： g 一基体的剪切弹性模量。 由图2 1 可知，纤维拉应力在其端部( x = l 2 ) 为零，在中点 为最大：剪应力在纤维端部最大，而在中点几乎减小为零。这些结 果表明，由于纤维端部的某段长度内没有承担足够的荷载，使得在 同样的外载荷条件下长度为l 的纤维中的平均应力小于连续纤维中 的平均应力。纤维的增强效果随纤维长度的减小而下降，图2 2 为 不同长度纤维的拉应力分布图。 御圃一 巨鬲r 1 习习 ( c )1 l 。 图2 2 不同长度纤维拉应力分布图 在弹性变形范围内，纤维上的拉应力仃，= s = e ，随载荷的增加， 基体的应变s 。增大，因此o f 也随之增大a 只有当纤维长度至少等于 l 。时，纤维上的拉应力才能达到纤维的断裂强度盯_ i i ，因此l 。称为临 界纤维长度，它是使应力达到纤维断裂时的最短纤维长度，可定义 为在给定纤维长度范围内，引起拉伸失效而不是界面剪切失效的最 武汉理工大学硕士学位论文 短纤维长度当纤维上的拉应力达到纤维的断裂强度仃_ l i ，时， 作用在纤维上的拉力为：盯 2 ，4 ) 作用在界面上的剪力为：俐。1 2 由力平衡，即盯且汹2 4 ) = 饥讲。2 ，可求出l 晦界纤维长度 t = 盯 d 2 r ( 2 3 ) 式中d 一纤维的直径。对应于l 。，则l 。d 称为l 临界长径比。 可见，复合材料的荷载是在1 。2 靠界面剪切应力逐步传递给纤 维的，故称1 ；2 为荷载传递长度，要达到纤维的最大应力值，纤维 长度必须大于临界长度，且大于临界长度的纤维端部也没有充分受 载，其长度为l 。2 。纤维长度小于1 。时，复合材料破坏时纤维应力 达不到极限值，复合材料的破坏不是因为纤维被拉断，而是由于纤 维和基体之间的界面剪应力达到其粘结强度而发生纤维的拔出所 致，故不能充分发挥纤维的增强作用。只有当纤维长度l 1 。时，复 合材料中的纤维才有可能发生拉断破坏。由于荷载传递需要很强的 界面粘结，因此，增强效果主要依赖于界面的粘结强度。复合材料 增强效果还与纤维本身的强度有关，纤维强度是限制增强效果的另 一重要因素。 2 2 短纤维混凝土增强机理 纤维混凝土是一种复合材料，复合材料的性能除了成型工艺等 因素外，在很大程度上依赖于树脂基体、增强材料和粘结界面性能 的优劣。影响其力学性能的主要因素有三个：( 1 ) 增强纤维的强度 及模量；( 2 ) 树脂基体的强度及化学稳定性；( 3 ) 应力在界面间传 递时树脂与纤维间的粘结效能”。各种材料的纤维加入混凝土基体 中，理论上主要有以下三种作用：( 1 ) 提高基体的抗拉强度；( 2 ) 阻止基体中原有缺陷( 微裂缝) 的扩展并延缓新裂缝的出现；( 3 ) 提高基体的变形能力并从而改善其韧性与抗冲击性。混凝土中均匀 而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理，存在两种解释模型：美 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 国r o m u a l d i 提出的“纤维间距机理”和英国的s w a m y 、m a n g a t 等人 提出的“复合材料机理”。 ( 1 ) 纤维间距理论 这一理论由美国的r o m u a l d i 和b a t s o n ”町提出。根据线弹性断 裂力学来说明纤维对混凝土裂缝发生和发展的约束作用。对于混凝 土这类内部原来