碳纤维水泥基材料的物理力学性能.pdf

第 1 3卷第 3期 2 0 1 0年 6月 建筑材料学报 J OURNAL 0F B UI LDI NG MATERI AL S Vo1 1 3 No 3 J u n 2 0 1 0 文章 编 号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 O 1 O O 3 一 O 3 O 0 一 O 4 碳纤维水泥基材料 的物理力学性能 海 然 张玉国 岳 峰 吴科如 1 中原工 学院 建筑 工程学 院 河南 郑 州 4 5 0 0 0 7 2 中原工学 院 网络 中心 河 南 郑州 4 5 0 0 0 7 3 同济大 学 先进 土木工程 材料教 育部重 点实 验室 上海 2 0 0 0 9 2 摘 要 研 究 了碳 纤维掺 量 对水 泥基 材料 密度 弹性 模 量 泊松 比等 物 理 力 学性 能 的影 响 并 通过 理 论计算与试验数据进行 了对比 结果表明 随着碳纤维掺量的增加 水泥基材料 的密度和弹性模量 降低 泊松 比增 加 通过 回 归分析 得 到 了水泥基 材料 的密度 弹性模 量和 泊松 比与碳 纤 维掺 量 的函 数对应 关 系 理 论计 算表 明 水泥基 材料 的 密度 和 弹性模 量 实测值 与理论计 算值 有很好 的一 致性 关键词 碳 纤 维 水 泥基 材料 密度 弹性模 量 泊松 比 中图分 类号 TU5 2 8 5 8 2 文献标 志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 3 0 0 6 Ef f e c t o f Fib e r Co nt e nt o n Ph y s ic a l a nd M e c h a n ic a l Pr o p e r t ie s o f Ca r b o n Fib e r Re in f o r c e d Ce me n t Ba s e d M a t e r ia l H A fRa n ZH ANG Yu guo YUE Fe n g w U Ke r u 1 De p a r t me n t o f Civ il E n g in e e r in g a n d Ar c h it e c t u r e Zh o n g y u a n Un iv e r s it y o f Te c h n o lo g y Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 Ch in a 2 Ne t wor k Ce nt r e Zh o ng yu a n Un ive r s it y o f Te c h no lo g y Zhe ng z h ou 45 0 007 Ch in a 3 Ke y La bo r a t o r y of Ad v a n c e d Ci v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n is t r y o f Ed u c a t i o n To n g j i Un i v e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 Ch in a Ab s t r a c t The e f f e c t o f f ib e r c on t e n t o n p hy s ic a l a nd me c ha n ic a l pr o p e r t ie s o f c a r b on f ib e r r e in f o r c e d c a m e nt ba s e d ma t e r i a l wa s in v e s t ig a t e d a n d t he t he or e t ic a l c a lc u la t i on a n d t he e xp e r ime n t a l v a lu e we r e c o m p a r e d Re s u lt s s ho w t ha t t h e d e ns it y e la s t ic mod ulu s d e c r e a s e wit h t he c a r b o n f ibe r c o nt e nt inc r e a s in g wh ile t h e Pois s o n r a t i o i nc r e a s e s The f u nc t io n a l r e la t ion s hip s b e t we e n t he de ns it y e la s t ic mod ulu s Po is s o n r a t io a nd c a r b on f ibe r c on t e n t a r e o bt a ine d by r e g r e s s i on a n a ly s i s wh ic h p r ov id e t he p a r a me t e r b a s is f o r s t u dy on t he r ma l s t r e s s c o nt ou r s I t iS s ho wn t ha t t he e xp e r ime nt a l v a lue a n d t he o r e t ic a 1 v a lu e ha v e a g o o d a g r e e m e nt Ke y wo r ds c a r bo n f ib e r c e m e nt b a s e d ma t e r ia l de n s i t y e l a s t ic mo du lu s Poi s s o n r a t io 碳纤 维导 电混 凝 土用 于路 面 化雪 除 冰L 1 这一 方法消除了传统的撒盐法给混凝土路面结构和环境 带来的许多负面效应 有极大的经济效益和环境效 益 应用前 景广 阔 然 而研 究发 现 随着对 导 电混凝 土层 的反 复通 电 因路 面混 凝 土发 热 层 与不 发 热层 的弹性模 量 热膨 胀 系 数等 物 性差 异 所 引起 的层 间 热应力 随之而来 从 而 引起 路 面 结构 破 坏 因此 要 实 现导 电发热混 凝 土 的应用 关 键 问题 是 解 决其 内 部发热层与不发热层的层问热应力问题 1 层间热应力缓和的设计构思 借鉴梯度的概念 使导电相碳纤维在混凝 土中 呈 梯度分 布 如图 1所 示 暂 不考 虑 绝 热层 在 碳 纤 维 总量不 变的前 提 下 将 导 电混凝 土 由原来 的单 层 分为 层 1 通过合理设计各层 中碳纤维 的掺 量 使其在 z 层导电混凝土中呈现梯度变化 其中第 1 层 中碳 纤维 掺量 最 多 第 2 3 一1层 中依 次 减少 第 层中降至零 此时其组成与不发热层 普 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 1 2 修订 F t 期 2 0 1 0 一 O 1 0 4 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 2 7 2 0 6 1 河南省教育厅 自然科学研究计划项 目 2 0 1 0 A5 6 0 0 1 9 第一作者 海然 1 9 7 8 一 女 河南卫辉人 中原工学 院讲师 博士 E ma il l i l y h a i 一 2 0 0 1 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 海 然 等 碳纤维水泥基材料的物理力学性能 3 0 3 响因素 的差异 这些 公式所 给出 的数 据相 差较大 田 云德等嘲利用连续介质力学方法对多孔材料弹性模 量混合律模型进行了修正 提出了以下公式 E o a V f f E p 1 a E Ef E 2 式中 E E f V c 分别为基体 纤维和基 体中孔隙的弹性模量及其体积 V 1 一V 对图 3 数据回归后取 a 一0 7 7 6 孔隙有效 弹性模量 E 1 5 6 5 3 MP a V 则可按下式计算 按式 2 计算 的弹性模量理论值 E 与实测值 E的 对 比见 图 4 由图 4 可 见 2条 曲线 比较接 近 说 明弹 性模量随碳 纤维 掺量的增加 而下 降的原 因是 由于引 入 了大量孔 隙 在 一定 的压 力作用 下 孔 隙体积 的减 小导致砂 浆发生 一定 的应 变 从 而 表现 为 碳纤 维 水 泥基材料弹性模量降低 另外 当碳纤 维掺量小于 1 0 时 弹性 模 量 的 理 论 计 算值 与 实 测 值 相 差 较 小 当碳纤维掺量大 于 t 0 时 这两者 相差较 大 分 析认 为这是 由于碳纤 维掺量 增加 造成其 分 散 困难 并 因此降低了纤维增强的有效系数 且此时碳纤维引入 的气泡更多 这也导致了弹性模量实测值的偏低 0 譬 j E 2 皇 加 而增加 表观 密度 和 弹性模 量 的实测 值 与理 论 计 算值一致性 良好 表观密度 弹性模量和泊松比与碳 纤 维掺量 的 回归 方程 为碳纤 维 在 水 泥基 材料 中梯 度分布的优化设计提供 了参数依据 并为碳纤维水 泥基材料热应力场 的分析计算奠定了理论基础 参考文献 1 2 3 4 5 C o n t e n t o f c a r b o n fi b e r 图 4 弹性模量理论值与实测值 的对 比L 6 A Fig 4 Co mpa r a t ive a na lys is of ela s t ic mod ulu s ex p er ime n t a l v a lue a nd t he o r e t ic a l v a lu e 对 图 3数据 进行 回归分 析 得 到 了 E 与碳 纤 维掺量 w 的关系 E一 0 0 0 2 w 4 0 4 3 w 一 1 4 1 6 6 wf 2 2 1 1 4 R 0 9 9 6 l 一 0 0 5 8叫 一0 2 3 7 w 0 2 6 4 w 十 0 01 6 w 0 1 7 2 R 0 9 9 7 4 结论 碳纤维水 泥基材料 的表观 密度 和弹性模 量随碳 纤绰掺量的增加而降低 泊松 比随碳纤维掺量的增 7 8 YEHI A S CHRI SToPHER Y T DAVI D F e t a 1 Co nd u c t iv e c o n c r e t e o v e r la y f o r b r id g e d e c k d e i c in g M ix t u r e p r o p o r t io n i n g o p t i mi z a t i o n a n d p r o p e r t i e s J A C I Ma t e r i a l s j o u r n a l 2 0 0 0 9 7 2 1 7 2 1 8 1 侯作富 李卓球 唐祖全 融雪化冰 用碳 纤维混凝 土的导电性 能研究 J 武汉理工大学学报 2 0 0 2 2 4 8 3 2 3 4 HOU Zu o f u I I ZHUO q iu TANG Z u q u a n St u d y o n e t e c t r i c a l p r o p e r t ie s o f c a r b o n f ib e r e le c t r ic a lly c o n d u c t iv e c o n c r e t e f o r d e i c i n g o r s n o w me l t i n g J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o lo g y 2 0 0 2 2 4 8 3 2 3 4 in Ch in e s e 唐祖全 李卓球 钱觉时 碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的 应用研究 J 建筑材料学报 2 0 0 4 7 2 2 1 5 2 2 0 TANG Zu q u a rt LI Z hu o q iu QI AN J u e s h i Ap p lic a t io n o f c a r b o n f ibe r r e in f o r c e d c o n d u c t iv e c o n c r e t e f o r me lt in g ic e a n d s n o w o n r o a d s u r f a c e J J o u r n a l o f B u i ld i n g Ma t e r i a ls 2 0 0 4 7 2 2 l 5 2 2 O in Ch in e s e 海然 潘洪科 张玉国 等 碳纤维梯度分 布水 泥砂浆电热性能 的研究 J 建筑材料学报 2 0 0 9 1 2 3 3 3 2 3 3 5 HAI Ra n PAN Ho n g k e Z H ANG Yu g u o e t a 1 Ef f e c t of c a r b o n f ib e r g r a d ie nt d is t r ib u t io n o n t h e e le c t r o t h e r ma l p r o p e r t i e s o f c o n d u c t i v e mo r t a r J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s 2 0 0 9 l 2 3 3 3 2 3 3 5 in Ch in e s e 海然 祝彦知 吴科如 碳纤维掺量对水泥砂浆热膨胀系数的影 响r j 建筑材料学报 2 0 0 9 1 2 2 2 3 2 2 3 5 HAI Ra n ZHU Ya n z hi W U Ke r u Ef f e c t o f f ib e r c o n t e n t o n t h e r ma l e x p a n s i on c o e f f ic ie n t o f c a r b o n f ib e r r e inf o r c e d mo r t a r J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s 2 0 0 9 1 2 2 2 3 2 2 3 5 i n Chi ne s e 海然 边亚东 吴科如 碳纤维水泥基复合材料导热系数的研究 J 混凝土 2 0 0 9 7 5 5 5 7 HAI Ra n BI AN Ya d o n g W U Ke r u St u d y o n t he r ma l c o n d u c t io n c o e f f ic ie n t o f c a r bo n f ib e r r e in f o r c e d c e me n t b a s e d c o mp o s i t e ma t e r i a l J C o n c r e t e 2 0 0 9 7 5 5 5 7 i n