（材料学专业论文）纤维增强水泥基复合材料抗裂与耐撞磨性能研究.pdf

摘要 摘要 普通混凝土是土木t 程中用量最大的结构工程材料，具有良好的工作性、抗压强度、长 期性能和经济性，能够很好地与建筑钢材复合成钢筋混凝士和预应力混凝士。近年来，随着 混凝士材料的发展和泵送技术的提高，大流动性混凝土出现了收缩增大和抗裂性交差的状 况，因此，研究限缩、抗裂和耐久性的混凝土材料成为当务之急。在改性混凝土的研究与应 用中，纤维混凝土的地位越来越重要，目前t 程应用中采用最多的有钢纤维、聚丙烯纤维和 尼龙纤维等，聚乙烯醇纤维以其抗拉强度高、弹性模量高、耐酸、耐碱等特点逐渐受到人们 的重视。 本文结合京杭运河“皂河三线”船闸工程的建设，在解决聚乙烯醇纤维在水泥基材料中 分散性差的基础上，以“三掺技术”( 掺i 级粉煤灰、纤维和聚羧酸类超塑化剂) 为指导， 采用在同一基准配合比上变换纤维品种和掺量的方法，系统研究了掺量对掺p v a 纤维、p p 纤维和钢纤维的混凝土工作性，力学性能，收缩与抗裂性能，耐撞磨、抗冲击性能以及耐久 性的规律。 对出厂半成品p v a 纤维分别采用水，c m c 溶液，乙醇，纤维分散剂及粉煤灰载体等措 施进行预处理，并用“水洗法”评价纤维的分散性，试验结果表明，经预处理的p v a 纤维 在水泥基材料中的分散性得到了改善，其中采用纤维分散剂处理的纤维分散性已经接近或者 达到实用标准。 对掺纤维的混凝土的t 作性能进行研究，发现随着纤维掺量增大，混凝土流动度下降， 含气量提高；对硬化混凝土进行了抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量进行了试 验研究，发现纤维对混凝士强度和弹性模量改善不明显，对混凝土增韧效果显著，混凝土动 弹性模量与龄期近似符合) ，= 泖向+ 6 偷+ 圳。 对大流动性混凝土的塑性开裂进行了研究，试验结果表明：控制合理的砂率，使用养护 剂养护、表面布撒纤维、粗骨料用界面剂处理等措施能有效抑制混凝士塑性开裂；通过对纤 维混凝士的塑性开裂、自由干缩和限制干缩性能试验研究，比对了各类纤维不同掺量时对抑 制混凝土塑性开裂、自由干缩和限制干缩影响的大小，并对其规律进行了总结和机理分析。 采用改进的洛杉矶磨耗法对纤维混凝十耐撞磨性能进行了测定和评价，分析了纤维掺量 对混凝土耐撞磨性能的影响规律，并对试验结果进行拟合，分析了纤维掺量对撞磨质量损失 率速率的影响规律；采用“落锤法”对纤维混凝土抗冲击性能进行了研究，对各组纤维混凝 土不同纤维掺量时的抗冲击性能规律进行了总结，并采用能晕转换的观点，建立混凝土冲击 模型，对不同纤维不同掺量对混凝十抗冲击性能的机理进行分析。 对各组纤维混凝土不同掺量时的抗渗性、抗氯离子渗透性能、氯离子扩散系数、抗冻性 能、抗碳化性能以及裂缝状态下，裂缝宽度对混凝土抗碳化、抗氯离子渗透进行了研究。采 用压汞法对各组纤维混凝土的孔结构进行了分析，总结了纤维掺量对混凝土耐久性的影响规 律。 关键词：耐撞磨性，p v a 纤维，抗裂性，p v a 纤维分散性，抗冲击性，高性能混凝土 i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o r m a lc o n c r e t ei st h el a r g e s ta m o u n to f c o n s t r u c t i o nm a t e d a li nt h ec i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t , w h i c hh a sg o o dw o r k a b i l i t y , c o m p r e s s i v es t r e n g t h , l o n gd u r a b i l i t ya n de c o n o m y c o m b i n e dw i t h s t e e l ，i tc a r lb em a d ei n t or e i n f o r e e dc o n c r e t ea n dp r e s t r e s s e dc o n c r e t e r e c e n t l y , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o n c r e t em a t e r i a l sa n dp u m p i n gt e c h n o l o g y , t h ep h e n o m e n o nt h a tt h eg r o w t ho f s h r i n k a g ea n dv a r i a t i o no fa n t i - c r a c k i n ga p p e a r si nt h ec o n c r e t ew i t hh i g hf l u i d i t yi sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yc o m m o n p l a c e t h e r e u p o n , t h es t u d yo fc o n c r e t e 谢t h9 0 0 dd u r a b i l i t y , a n t i - c r a c k i n g a n ds h r i n k a g el i m i t es h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r s f i b e rc o n c r e t eb e c o m e sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n ti nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm o d i f i e dc o n c r e t e a tp r e s e n t , t h es t e e if i b e r , p o l y p r o p y l e n ef i b e ra n dn y l o nf i b e ra r ew i d e l yu s e di np r a c t i c e s t h ep o l y v i n y la l c o h o lf i b e r w h i c hh a sh i g ht e n s i l es t r e n g t h , h i g he l a s t i cm o d u l u sa n dr e s i s t a n c et oa c i d , a l k a l i ，h a sb e e nu s e d a san e wr e i n f o r c e dm a t e r i a li nc o n c r e t e t h er u l eo fw o r k a b i l i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t y , a n t i c r a c k i n gr e s i s t a n c e i m p a e t i n g & a b r a s i o n r e s i s t a n c ea n dd u r a b i l i t yo fc o n c r e t em i x e dw i t hp pf i b e r , p 、，af i b e ra n ds t e e lf i b e rs o l e l y , w h i c h w e r ei n f l u e n c e db vv o l u m eo ff i b e ri sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e e to f z a o h er i v e rt h r e e 1 i n el o c ko nt h ej i n g h a n gc a n a l l e db yt h r e e m i x t u r et e c h n o l o g y , n a m e l y t h ei n t r o d u c t i o no fg r a d eif l ya s h p o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v ea n df i b e r , t h i sr e s e a r c ha p p l yt h e m e t h o do fv a r y i n gt h ev a r i e t ya n dq u a n t i t yo ff i b e r , b a s e do ns o l v i n gt h ep r o b l e mo fp v cf i b e r s d i s p e r s i v i t yi nc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l s s e v e r a ld i s p e r s a n t si n c l u d i n gw a t e r , c m cs o l u t i o n ，e t h a n o l ，f l ya s ha n df i b e rd i s p e r s a n t w g t eu s e dt op r e t r e a t m e n tt h ep 溺f i b e rs e m i f i n i s h e dp r o d u c t so ff a c t o r y , a n dt h e v a s h i n g m e t h o d w a st a k e nt oe v a l u a t et h ed i s p e r s i o no ff i b e r t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed i s p e r s i o no f t h e t r e a t e dp v af i b e r si nc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l sh a db e e ni m p r o v e d a n dt h ed i s p e r s i o no ft h ef i b e r w h i c hw a st r e a t e db yu s i n gf i b e rd i s p e r s a n ti sc l o s et oo rh a sr e a c h e dt h ep r a c t i c a ls t a n d a r d t h ew o r k a b i l i t yo ff r e s hf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew a ss t u d i e d , a n di ti n d i c a t e dt h a tt h e c o n c r e t ec o n s i s t e n c ea n da i rc o n t e n tw e r ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n to ff i b e rv o l u m eg r a d u a l l y t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t h ，t e n s i l es p l i r i n g s t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u so f h a r d e n e dc o n c r e t ew e r es t u d i e d , a n di ti n d i c a t e dt h a tt h ei m p r o v e m e n to fc o m p r e s s i v es t r e n g t h a n de l a s t i cm o d u l u sw h i c hw e r ee f f e c t e db vf i b e rv o l u m ew e r en o to b v i o u s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sa n da g eo fc o n c r e t ew e r ea p p r o x i m a t et ot h ef u n c t i o n y 2 e x p f a b 憾七c ) ) t h ep l a s t i cs h r i n k a g ea n dc r a c k i n gr e s i s t a n c eo ff l o w i n gc o n c r e t ew a ss t u d i e d , a n dt h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h em e a s u r e ss u c ha sc o n t r o l l i n gr e a s o n a b l es a n dr a t i o ，u s i n gc u r i n ga g e n tw h e n c u r e d , s p r e a d i n gf i b e ro nt h es u r f a c e ，t r e a t i n gc o a r s ea g g r e g a t ew i t hs u r f a c ea g e n ta n ds oo nc a n e r i e e t i v e l yi n h i b i tp l a s t i cc r a c k i n go fc o n c r e t e ：i n v e s t i g a t i o no nt h ep l a s t i cc r a c k i n g , f r e ed r y i n g s h r i n k a g ea n dr e s t r a i n e dd r y i n gs h r i n k a g eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew a sc a r r i e do u tt oc o m p a r e t h ei m p a c to ft h ec a t e g o r ya n dv o l u m eo ff i b e ro nt h ep l a s t i cs h r i n k a g ea n dc r a c k i n gr e s i s t a n c e ， f r e ed r y i n gs h r i n k a g ea n dr e s t r a i n e dd r y i n gs h r i n k a g e a n dt h er u l ew a ss u m m a r i z e da n dt h e m e c h a n i s mw a sa n a l y z e d l o sa n g e l e sa b r a s i o nt e s tm e t h o dw a si n t r o d u c e dt od e t e r m i n ea n de v a l u a t et h ei m p a c t i n g & a b r a s i o nr e s i s t a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e t h ee f f e c to ff i b e rc a t e g o r ya n dc o n t e n to n i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew a sa n a l y z e d a n dr e s u l tw a sf i t t e d t oa n a l y z et h ee f f e c to ff i b e rc o n t e n to nt h er a t eo fm a s sl o s sr a t ea f t e ri m p a c te f f e c t & a b r a s i o no f f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e d r o pw e i g h tm e t h o dw a si n t r o d u c e dt os t u d yt h es h o c kr e s i s t a n c eo f f i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t e t h ee f f e c to ff i b e rc a t e g o r ya n dc o n t e n to ns h o c kr e s i s t a n c eo fc o n c r e t e w i t l ld i f f e r e n tf i b e rc o n t e n tw a ss u m m a r i z e d a n dt h ei m p u l s i v em o d e lw a se s t a b l i s h e dt oa n a l y z e t h em e c h a n i s mo fs h o c kr e s i s t a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n tf i b e rc o n t e n t , b y u s i n gt h ec o n c e p to fc o n s e r v a t i o no fe n e r g y t h ee f f e c to ff i b e rc o n t e n to nd u r a b i l i t yi n c l u d i n gp e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c e c h l o r i d ei o n r e s i s t a n c e c h l o r i d ed i f f u s i o no d e 塌c i e n t , f r e e z e - t h a wr e s i s t a n c ea n dc a r b o n a t i o nr e s i s t a n c ew a s s t u d i e d , a n dt h ee f f e c to fc r a c k so nc o n c r e t e sd u r a b i l i t ys u c hi n c l u d i n gc a r b o n a t i o nr e s i s t a n c ea n d c h l o r i d ei o nr e s i s t a n c ew a sa l s or e s e a r c h e d a n dm e r c u r yi n t r u s i o nm e t h o dw a si n t r o d u c e dt o i i a b s t r a c t a n a l y z et h ep o r es t r u c t u r eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew i t l ld i f f e r e n tc a t e g o r ya n dv o l u m ef i b e r , a n dt h ee f f e c to ff i b e rc o n t e n to nd u r a b i l i t yo fc o n c r e t ew a ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e ，p v af i b e r , a n t i - c r a c k i n gp e r f o r m a n c e ， d i s p e r s i b i l i t yo fp v af i b e r , s h o c kr e s i s t a n c e , h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e i i i 东南大学硕士学位论文 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：幽丛 e l期：丝望：当笪 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。 衍 研究生签名噻幽导师签名：；7 复丛：蛀日期：2 12 ：兰 第一章绪论 1 1 课题背景与研究目的 第一章绪论 船闸是利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的 集中水位落差的厢形通航建筑物。由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成。船只上行 时，先将闸室泄水，待室内水位与下游水位齐平，开启下游闸门让船只进入闸室，随即戈 闭下游闸门，向同室灌水，待闸室水面与上游水位相齐平时，打开上游闸门，船只驶出闸室， 进入上游航道。下行时月9 相反。船闸的主要功能是保证船舶的通航。其所用的原理是水的浮 力和连通作用，圈卜i 为船舶通过船闸示意阿。 出豳凸 蝴却龋函艟 辫麓暴煞器一一一 堪b 一赢豳 一“自m 目，t m 曲o 删 图i - 1 船闸通航示意幽图1 - 2 二峡三线五级船闸 近几年，随着我国基础建设步伐的加快，水利工程的建设如火如荼，如著名的长江三蛱 下程、南水北调工程、京杭运河扩容工程等在这些重大j 二稃中大量的船闸工程得到建设。 罔i 2 为目前世界上届太的船闸t 程三峡三线五级船闸。京杭运河是国家水运主通道， 南北水运人动脉，在中国内河航运中i 有极为重要的地位，其中在江荠境内六百六卜九公里， 是京杭运河水运最繁忙、效益最显着的区段，年货运量这二亿吨。近年来，随着经济的发展， 返域增妊迅猛，京杭返# 船中j 通过能力明显不足，成为制约水上运输的瓶颈，特别是每遇船 闸a 修，特闸船舶数咀千计，阻塞严重。为此，江苏省政府将京杭返# 扩容t 程州为该省“ 大交通觇略工程之一。 京杭运河扩容_ l = 程在宿迁就有四座人型二线船闸t 程，其t 程总造价逃8 亿多元。其中 “宿迁三线”船闸工程和“皂河三线”船闸工程已经正式通航，“拥揖 三线”船闸工程和“刘 老涧二线”船闸工程也相继开工。这四鹰三线船闸建成通航后将会 大改善鞋个苏北运河的 船闸通过能力，使苏北运河成为名副其实的“水上高速公路”。 “皂河三线”船闸溜凝十结构复杂、体积丈，易产生备类裂缝，井会受到船只和水流的 磨损、撞击，易产生并类裂缝裂缝的存在会影响闸室墙的外观质量，还会严重降低闸室墙 混凝上的抗渗性能。此外闸室墙混凝十由于处于潮湿的水位变动区域，会受到干湿交替和 诛融循环作用，碳化以及钢筋锈蚀作用，从而影响到闸室墙混凝土的耐久性能。 东南大学硕士学位论文 在船闸工程建设中，混凝土作为主要建筑材料得到了大量的使用，在船闸主体部位采用 抗裂、耐撞磨高性能混凝土，提高其结构的安全性和耐久性，具有重要意义，并且对于码头、 机场等对抗裂性、耐撞磨性能有特殊要求混凝土建筑物具有一定的参考价值。本文在已经完 成满足工程要求的闸室墙混凝十配合比设计及其诸项性能测试，并且论证了用改进的“洛杉 矾磨耗法”评价闸室墙混凝十耐撞磨性能的合理性和适用性的基础上，深入研究不同纤维( 聚 乙烯醇纤维、聚丙烯纤维和钢纤维) 对水泥混凝士的增强增韧、限缩、阻裂和耐撞磨性能影 响规律，完善水泥基复合材料的配制技术、试验方法，提升和优化水泥基复合材料性能，使 之满足船闸闸室墙抗裂、耐撞磨性能和长期耐久性能。 1 2 纤维增强水泥基复合材料特点及增强机理 1 2 1 纤维增强水泥基复合材料及其特点 水泥仍是当今人类社会用量最大、应用范围最广泛的建筑材料。1 9 8 0 年美国国家材料顾 问委员会( n m a b ) 首先提出“水泥基复合材料”( c e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e d a l s ) 这一 名词，它包括一切以水泥为基材的复合材料。水泥基材料( 水泥净浆、砂浆与混凝土) 纵然 具有很高的抗压强度，但存在抗拉强度低、抗裂性差和脆性大等特点。其抗拉强度仅是抗压 强度的1 1 0 - - 一1 7 ，受拉的极限延伸率只有0 0 1 - - 0 0 6 ，在较低的拉伸变形时即易发生开 裂。其断裂能为2 0 - - - - , 8 0 j m 2 ，随着水泥基材料抗压强度的大幅度提高，其收缩与脆性问题也 更为突出【1 1 。 中国工程院院士吴中伟教授1 2 1 认为复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，复合化的 技术思路一超叠加效应对材料的高性能化有重要的意义，可用公式1 + 2 3 表示，纤维增强 是核心。其中的纤维增强水泥基复合材料是以水泥、水、集料形成的混合物为基体，以各种 有机、无机或金属的不连续短切纤维为增强体组成的材料，即纤维增强混凝土或砂浆。 现阶段混凝土的应用已向着高抗压、高抗拉、大流动度方向发展，同时要求建筑物在建 造时容易施工，并能长期保持高强、高韧性、高抗渗性等性能，即高性能混凝土。由于水泥 石、砂浆或混凝十的抗拉强度低、极限延伸率小、性脆，拌合物在日照风吹的情况下，没有 足够的时间形成抗拉强度以抵抗由于快速蒸发产生的毛细孔收缩应力，容易产生塑性收缩开 裂。特别是高强混凝士的抗拉强度与抗压强度之比仅为6 左右，脆性显著，塑性明显卜降， 因为脆性破坏会随时发生，高强混凝土结构的跨度不能增幅太大。当构件受弯时，荷载等于 破坏荷载的1 5 - - 2 0 时就开始产生裂缝( 这时钢筋的应力远小于屈服极限) ，随着裂缝扩 展会造成结构物抗渗性能的降低，以致使用寿命缩短：在结构设计时因裂缝宽度的限制，高 强建筑材料的优越性得不到充分应用。因此，混凝十性能的提高显得十分重要。 掺入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维作为增强体，可以克服上述缺点。在 纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合 材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。因此，近年来纤维混凝十得到很大重视，其 在建筑材料中的应用规模也逐渐扩大。在美国、英国、日本和西欧等地对于某些应用领域已 作过相应规模的现场试验，其中包括船闸闸窒墙混凝土、桥面和路面( 公路和机场跑道) 的 罩面层、采矿和隧道j 二程的各种应用，边坡的固定、防火设施、混凝土修补、t 业地面以及 各种预制混凝土产品等，以上应用均获得了一定的成功。此外，水运- t 程建筑物在施工和运 行期间经常受到冲刷、撞击和磨损作用，导致混凝士建筑物损坏。因此，水工混凝士应具有 一定抗冲磨的能力，如果混凝十表面易被冲磨，这样势必会导致混凝十结构的破坏，影响其 长期耐久性和寿命。 1 2 2 纤维对水泥基复合材料的增强作用和增强机理 随着混凝土的强度的提高，混凝士结构开裂问题越来越明显。当混凝土的强度在c 4 5 以上时，其抗拉强度与抗压强度的比值仅为6 ，脆性增加，延性明显削弱，裂纹显著增大。 2 第一章绪论 配筋构件受弯时，当荷载加到破坏荷载的1 5 - - 2 0 时，混凝十就开始出现裂缝，而钢筋中 的应力远小于其屈服极限，此时，受结构设计中的最大裂缝宽度的限制，构件的设计承载能 力实际上并没有达到理想状态，无法发挥高强混凝土的优越性【3 1 。 为了克服上述缺点，可采用复合化的方法，其中最有效和简单易行的办法是掺加纤维。 纤维混凝十的耐久性能的提高与纤维改善了混凝土的自身品质密切相关，纤维对混凝土的作 用主要有1 4 1 ： 1 ) 减少混凝土的原始缺陷，降低各种缺陷的尺度； 2 ) 纤维明显降低了混凝土表面水分的蒸发速率： 3 ) 纤维降低了混凝土内外部湿度、温度的差值； 4 ) 使混凝十中粗集料分布更加均匀，提高混凝土内在品质，改善混凝土抗渗透性等； 5 ) 提高混凝土早期抗裂性能； 6 ) 提高混柠土的变形能力，增加混凝十的韧性和抗冲击、抗疲劳性能。 纤维增强混凝土在某种意义上，可以看作是纤维增强混凝十脆性基体的复合材料。关于 纤维增强水泥基复合材料的基本理论主要有复合力学理论、多缝开裂理论、混合率法则和纤 维间距理论p j 。 ( 1 ) 连续长纤维增强混凝_ 十的复合力学理论 s 1 复合材料只是在变形很小时的裂前阶段保持为整体。其破坏过程是由脆性基体开裂，通 过纤维与基体的黏结力将载荷转移给纤维，最后使纤维拉断或拔出。因此，当基体应变达最 大应力相应的极限应变时，复合材料开裂，用应变表示的开裂条件为 占d = e 棚( ! - 1 ) 式中，e c t 、e m t 分别表示复合材料的开裂应变和基体的极限应变。 若用应力表达，则复合材料的开裂强度为 o c t = ( 叮) 删玢+ 咖( 1 一玢) ( 1 - 2 ) 式中，口d 为复合材料纵向抗裂强度，由基体控制；r 口秽删为基体达到极限应变时纤维 的应力。 当基体开裂后，全部载荷由纤维承担，最终因纤维拉断而破坏，这时复合材料承担的最 大应力为 o r a = o r a v i ( 1 - 3 ) 高弹纤维增强脆性复合材料的临界体积率为 ：一旦竺一一 ( 1 - 4 ) 。 o r a + 盯删一( 町) 跏f 因此，当v v i 确时，基体一旦开裂，纤维立即拉断或拔出，复合材料表现为简单的 脆性破坏；当v f v 触时，基体某断面因开裂而转移给纤维的荷载不会使纤维拉断或拔出， 而是通过一定黏结长度的传递，使这部分荷载又重新回到基体中去，从而使复合材料产生多 缝开裂，基体开裂时，荷载完全由纤维承担。 ( 2 ) 连续纤维增强混凝土的多缝开裂理论1 5 1 当复合材料达应变达到基体开裂虑变时，水泥净浆或水泥砂浆开裂，开裂强度可由式 ( 1 3 ) 计算。此时因基体开裂将荷载转移给纤维，使纤维应力增大，如果v f e c e , m t ，此时基体开裂后不仅不会引起复合材料中纤维立即拉断或拔出，而且其承受能 力可进一步上升。 若纤维一界面黏结力为f ，基体开裂后所卸下的荷载为o 耐v 。，经x 传递后，这部分荷 载又重新传递到基体中去，从而形成新的裂缝，使基体最终形成一系列长度在x 2 x 之间的 裂缝。可通过力学平衡关系求x ，即：使基体开裂单位面积所需荷载( o = t v m ) 应等于基体 开裂后横向同样面积的半径为r 的n 根纤维所承受的荷载，即 2 n r n r x = 盯。f v m( 1 - 5 ) 式中，n 为单位断面面积内纤维根数，n = v 恤勺。 发生多缝开裂的复合材料裂缝间距为 3 东南大学硕士学位论文 厶：2 x t ：2 o - m t r( 1 _ 6 ) 玢 f 由于基体开裂，纤维的外加应力aof 在裂缝处为om t v m v f ，相应的应变增加值为a f = - om t v m e f v f ，而在距裂缝x 截面上纤维应力和应变值增加均为零，因此复合材料的平均 应变增量为 ：墨堡s耐：一oer,a(1-7ace 1 - 7 t )= 吕耐= 2 历玢 2 式中，= e m 。 考虑到基体应变从减小到m l 2 ，裂缝宽度为 w ：2 x i 塑+ 一o ：o e m u1 (1-8) 2 2 。w = z m ( 1 + a ) x ( 1 - 9 ) 在基体裂为多块时，裂缝数目基本稳定，每两条相邻裂缝的间距都小于，不再有新的 裂缝形成。在这种情况下，荷载全部由纤维承担，复合材料表现为斜率为e f v f 的线性应力 一应变关系，直至纤维拉断，这时复合材料的强度为o 。= or t v f 。 ( 3 ) 乱向短纤维增强混凝土的复合力学理论【5 】 短纤维增强水泥基复合材料，纤维有乱向和短两大特点。因此，在增强理论上要反映出 这两个基本特征，它是基r 线弹性的、匀质的顺向配置连续纤维的复合材料而提出的。当在 纤维方向受拉时，外力通过基于传递给纤维。因其建立在线弹性理论基础上，故混凝土基体 开裂时所对应的荷载就是复合材料的破坏荷载，相应的强度为极限强度，因此脆性基体复合 材料理想方程不适用于乱向短纤维增强混凝土特征，只适用于定向连续长纤维增强混凝士的 弹性阶段，并用来计算初裂强度，而不能用来计算极限强度。如要用复合力学理论计算乱向 短纤维增强水泥基复合材料的极限强度，就必须进行修正，并体现钢纤维在水泥基体中具有 乱向分布和短尺度的特征，因此考虑到纤维的方向性、纤维长度及界面黏结等因素，通常用 纤维方向有效系数( t 1 0 ) 、纤维长度有效系数( q 1 ) 和界面黏结有效系数( 1 i b ) 来表示。 1 ) 乱向短纤维方向性( t i e ) 纤维方向有效系数有1 d 、2 d 和3 d 的不同，又有裂前和裂后之分。在乱向短纤维增 强水泥基中，多数纤维方向与轴拉方向不一致，而成某一定角度0 。当纤维与荷载方向一致 时，其增强效率最高，t i o 一1 ；当纤维与荷载方向垂直时，此时不仅纤维失去了增强作用， 而且还会因纤维与基体间界面黏结薄弱，导致方向有效系数为负值。通常0 在0 r j 2 内变 化，t 1 8 的变化则相应在0 l 之间。纤维在裂前和裂后的方向有效系数列于表1 1 和表1 2 。 表1 2 裂后纤维方向有效系数 纤维方向 纤维方向自效系数( t 1 。) 公示编弓 i - d r 0 ：坐：l i - 1 0= 二= l o r 暑 2 - d 。 驴= 胁c o s 0 口= 2 盟劬= 0 6 4 1 - 1 1 00 暑 3 - d r 0 = i c o s 0 s i n o d o = 0 5 1 - 1 2 纤维在混凝土中的取向受诸多因素的影响，如基体组成、工作性能、搅拌与成型工艺、 4 第一章绪论 纤维长径比、体积率与几何形状及结构尺寸等，对t 1 0 均有不同程度的影响，故在t 1 0 取值上 国内外尚有分歧。在实际应用中，从纤维统计分布来看，是出于2 d 乱向和3 一d 乱向分布 之间，如采用振动或喷射成型工艺则更趋于2 d 乱向分布。 2 ) 界面黏结系数( t 1 b ) 界面黏结系数是纤维最大拉应力与纤维极限抗拉强度之比。他关系到纤维增强水泥基复 合材料的破坏形态、纤维强度的发挥及增韧效果。 r h = o f ( 1 1 3 ) 2 l 卜j o l l 式中，0f 为纤维拉应力( m p a ) ；0f | 为纤维抗拉强度( m p a ) 。拉断纤维所需最小剪切 区长度等于纤维临界长度的i 2 ，故纤维临界长度l 触可按下式进行计算： 枷：型彤，l 醐d ：竺( 1 - 1 4 ) 2 r 2 r 当l f 砷时，在复合材料开裂后，顺向纤维可能到达的最大拉应力为 o f = 2 z 等 “ 当l f l 鼬时，在复合材料开裂后，顺向纤维可能到达的最大拉应力为 盯一：2 f 鱼( i - 1 6 ) 。 西 对于一定品质的纤维，of 取决于界面黏结强度t ，因此界面黏结系数为 珈：丝：竺：1 ( t - 1 7 )刁6 2 _ 2 2 l i f o r 疗 此时，界面黏结系数达到最高，纤维的强度作用得到充分发挥。考虑到纤维对水泥基应 有增强与增韧双重效果，当i f = l 触或。尸oa 时，虽然纤维对混凝土的增强作用得到充分 发挥，但增韧效果变差，因此理想的情况是控制纤维长径比( 1 f d f ) ，保证纤维拔出破坏， 同时通过界面黏结使纤维在拔出过程中最大限度做功。 3 ) 纤维长度有效系数( t 1 1 ) 纤维长度对水泥基的增强、增韧阻裂和破坏形态均有很大影响，因此纤维长度对复合材 料性能的影响常用纤维长度有效系数来表示。 当l f i f c r i t 时，纤维应力呈三角形分布；当l f l f c m 时纤维应力则呈梯形分布。纤维长度 有效系数1 1 l 列于表1 3 ，1 1 l 随i f 增大而提高，其极限值为1 。当t 1 l = l 时，短纤维的长度有效 系数与定向长纤维接近。当l f l 触时，复合材料因纤维拔出而破坏，纤维有效增强与增韧双 重效果；当l f l r m t 时，复合材料则因纤维拔断而破坏，此时纤维增韧效果f 降。 表1 3 纤维长度有效系数 堑笙：匿鏖坠丝丝篓鏖复鏊墨塑堡查堡垄曼 4 ) 纤维增强水泥基复合材料的极限抗拉强度与临界体积率 乱向短纤维增强水泥基复合材料纤维临界体积率的定义是，为使复合材料在基体开裂后 承载能力不致下降所需的最小纤维体积率，或当水泥基开裂后，纤维能承受因基体卸荷而转 移给它的荷载而不使复合材料的承载力下降的最小纤维体积率，用酾表示。即v f v f c r i t 和v f v 矧。时，因基体开裂而转移给纤维的荷载不但不会引起纤维立即 拔出或拔断，而是能承担更大的荷载，复合材料强度和破坏形式由纤维控制，则 o c t = r o r t r b o - 夕玢 ；(1-20) 当复合材料开裂时 c r c = 1 3 删e f v f c r t t + o r ( 1 一v i m ) ( 1 - 2 1 ) 当基体开裂后。血= o ，o 。由纤维承担，则 踟- c r t t = 6 m t e f v f c r t t + 锄f ( 1 一v i m ) ( 1 - 2 2 ) 故纤维临界体积率为 ：!竺(1-23) 口r 一毗e f + o m t 考虑到纤维有效系数，则 ：! 竺一( 1 - 2 4 ) 。 r o r h r t ( o 夕一删e o + a 枷 因此，在进行纤维增强水泥基复合材料配合比设计时，科学地选取v f 极为重要，v f 一 定要大于v 触，才对水泥基有增强增韧与阻裂效果。 ( 4 ) 乱向短纤维增强混凝士的纤维间距理论1 5 】 纤维间距理论是于1 9 6 3 年r o m u a l d i 和b a s t o n 针对乱向短钢纤维增强混凝土而提出来 的。r o m u a l d i 等从线弹性断裂力学出发，提出了以纤维间距理论作为基本参数的增强机理， 称之为纤维间距理论。该理论的主要思路是在水泥基体内部存在不同尺度层次的孔隙和缺 陷，造成应力集中，为了增强水泥基体材料的强度就必须减少与缩小裂缝源的尺度和数晕， 缓和应力集中程度，提高抑制裂缝引申与发展的能力，在水泥基体中掺入纤维将发挥约束裂 缝引发与扩展的作用，如果纤维间距越小，则对缓和裂缝尖应力集中程度越大，从而对强度 和韧性相应提高。 1 9 6 4 年r o m u a l d i 和m a n d e l 将上述概念用于纤维增强混凝士中得到纤维间距的计算公 式 f s = 1 3 8 d f 上 ( 1 - 2 5 ) 、p 式中，s 为纤维间距；, i f 为纤维直径；p 为纤维体积百分数，p = 1 0 0 v r 。 纤维平均间距与v f , d r , p 和1 1 0 ( 纤维方向有效系数) 密切相关。纤维平均间距的计 算模式有1 d 、2 d 、3 d 之分，见表5 4 。v f 增大或d f 减小，s 相应减小，纤维对混凝土的 阻裂效应提高。纤维间距与纤维分布方式有关，1 - d 分布s 最小，3 d 分布s 最大。 表1 4 纤维平均间距的计算公式 堑丝坌塑查壅坐生簦堡垄坌垄麴：量 l dl s = 5 谚居= 8 8 6 谚后 1 - 2 6 2 - do 6 4 s = 1 1 1 d 冉p 1 2 7 3 d 3 d o 5 0 o 4 l s = 1 2 5 d ，e s = 1 3 8 谚冉 i 2 8 1 2 9 纤维间距理论尽管只强调纤维间距的影响，有不全面之处，但对纤维混凝土的增强机理 至今有指导作用。 6 第一章绪论 1 3 纤维增强水泥基复合材料抗裂性能研究现状 1 3 1 水泥基复合材料开裂特征及成因 混凝士的裂缝分类有多种，按照裂缝的深度分类有1 4 1 ：1 ) 表面裂缝；2 ) 深层裂缝：3 ) 贯穿裂缝。按裂缝的变化分为：1 ) 死裂缝；2 ) 活裂缝；3 ) 增长裂缝。按裂缝产生的原因 分为：1 ) 塑性收缩裂缝；2 ) 干缩裂缝；3 ) 温度裂缝；4 ) 钢筋锈蚀裂缝；5 ) 碱骨料反 应裂缝；6 ) 超载裂缝。 大量工程实例表明，混凝土产生裂缝的主要原因为塑性收缩、干燥收缩和温度变化等。 ( 1 ) 塑性收缩裂缝 混凝土拌制一段时间内，水泥的水化反应激烈，分子键逐渐形成，出现泌水和体积缩小 现象，这种体积收缩称塑性收缩。塑性收缩多发生在混凝土拌和后约3 1 2 h 以内，即在终 凝前比较明显。这种收缩导致骨料受压，水泥胶结体受拉，故既可与水泥骨料结合紧密，又 可能使水泥