混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究课件

1、混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究硕士学位论文开题报告硕士学位论文开题报告 申请人申请人 蒋思晨蒋思晨指导教师指导教师 李晓丽李晓丽 副教授副教授专专 业业 水工结构工程水工结构工程2008-11混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究四、混杂纤维轻骨料混凝土混杂纤维轻骨料混凝土 增强机理研究增强机理研究二、试验方案及材料试验方案及材料三、试验结果预测试验结果预测o、选题的背景及意义选题的背景及意义五、论文的创新之处论文的创新之处混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究第一章第一章 选题的背景及意义选题的背景及意义1.研究背景 混凝土材料虽然具有很

2、高的抗压强度、较大的刚度以及较好的耐久性，但是它是一种拉压比很小的准脆性材料，因而给复杂的混凝土结构工程增添了许多不安全因素。采用纤维作为增韧材料的历史至少可以追溯到古埃及时代，然而纤维增强混凝土作为一种新型复合材料却是从20世纪70 年代才发展起来的。纤维增强混凝土材料在经过了几十年的发展，不论是在纤维品种，还是纤维增强机理研究以及纤维混凝土的推广应用上，都有了十足的长进。 混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 混凝土材料是一种多相、多结构、多层次非均质结构复合材料。该复合材料从相角度上可以分为基相、分散相、结合相；从组织结构上可以分为三级，即：混凝土、砂浆、净浆；从尺寸层次上，它有小到微米级的

3、CSH(半水硫酸钙)、粗到毫米级的砂子、大到厘米级的石子。 理论上，如果只是掺入单一纤维，势必仅能改善某一相、某一结构、某一层次上的性能；因此若要综合提高混凝土的整体性能，所掺入纤维也应是多层次混杂的。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 2 2、选题的意义、选题的意义 采用单一纤维增强混凝土材料，可以通过提高纤维体积率、增加纤维长径比、提高纤维与基材的粘结力等方法，但是这些方法往往又受到限制，如：提高纤维掺量、增加长径比会受到现有搅拌工艺的限制，易发生纤维结团分散不均的现象。而且一种纤维往往只能在某些有限的方面发挥自己的优点，不可能面面俱到，如：低弹模纤维虽然增强效果并不十分理想，却能显著提高混

4、凝土的延性和韧性。 采用单一纤维增强混凝土很难达到既增强又增韧的理想效果，而多种纤维混杂可以弥补单一纤维的不足，充分发挥各种纤维的优点达到逐级阻裂和强化的功能。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究n几种常见纤维混杂类型 混杂纤维增强混凝土的基本原理是将两种或多种纤维增强材料合理组合加入某一基材中，产生一种既能发挥不同纤维优点，又能体现它们之间协同效应的新复合材料，可明显提高或改善原先单一纤维增强复合材料的若干性能，并可降低成本。广义上从纤维品质角度出发，纤维混杂基本可分为两大类：一类是同种品质不同几何形态纤维混杂；另一类是不同品质不同几何形态的纤维混杂。从纤维混杂相个数角度来分，又分为二元混杂，三

5、元混杂以及三元以上的多元混杂。以下为几种较为常见的纤维混杂形式n1：高弹性模量和高延性纤维混杂 高弹性模量纤维可以明显提高混凝土的初裂和最大荷载；高延性纤维则可明显改善混凝土的韧性和延性。这两种纤维在一定比例范围内混杂可以起到明显的增强与增韧效果。目前研究较多的是钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等高弹模纤维与聚丙烯纤维、乙纶、丙纶等低弹模延性较高合成纤维混杂。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究n2：不同尺度纤维混杂 不同尺度纤维对混凝土不同结构和尺寸层次进行改性，微细纤维主要起着对水泥基材的增强作用，阻止和延缓微裂纹在基材中的扩展；当基材局部产生大裂纹，微纤维在基材中被拔出而难以制止大裂纹时，大纤维则因

6、其被拔出需消耗更大的能量而能够起到阻止大裂纹的扩张，从而改善混凝土的延性。姚武等的试验结果表明细小的碳纤维和较为粗大的钢纤维在低掺量下混杂，混凝土的力学性能和韧性都得到了显著改善。碳纤维起到了改善水泥净浆或砂浆性能的作用，钢纤维则提高了砂浆和混凝土的性能。孙伟等结果表明三种不同尺度、同一性质的钢纤维混杂，较单掺一种钢纤维的混凝土，在阻裂、减少收缩、提高抗渗性能等方面均有明显的效果。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究n3.不同耐久性能纤维混杂 耐久性较差的纤维可以用于保证在运输和安装等短期性能；耐久性好的纤维则可以用于提高混凝土在反复荷载作用下的强度和韧性。聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定，

7、它能推迟混凝土的表面劣化，提高耐久性，在自然条件下存放10年没有发现有害的变化，且延性和断裂能随时间增加而增加。玻璃纤维抗碱能力差，纤维骨架中的二氧化硅易与混凝土中的CH(次甲基) 发生反应，导致纤维强度损耗殆尽。研究发现，玻璃纤维与聚丙烯纤维混杂水泥基材料与单一纤维水泥基材料的抗拉强度均有显著提高，同时由于掺加聚丙烯纤维使玻璃纤维保持最大应力的应变增加，韧性显著增加，在某一应变下的裂缝宽度也比单一聚丙烯纤维水泥基材料小。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究v3.本文主要研究内容 根据纤维混杂类型，拟选用高弹模的碳纤维(P)、低弹模的聚丙烯纤维(C)及二元混杂(P-C)纤维轻骨料混凝土，系统研究其

8、：塌落度，表干密度，立方体抗压强度、劈拉强度等力学性能，并对其抗冻性，氯离子渗透性能等耐久性进行研究。试验结果将体现不同纤维种类、不同纤维掺量及纤维混杂比例对轻骨料混凝土力学性能的影响；进而得出碳纤维与聚丙烯纤维混杂的最优比例，使得纤维轻骨料混凝土的各项力学性能达到优化。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 第二章第二章 试验方案及材料试验方案及材料1.试验试验主要原材料及其性质：主要原材料及其性质：水泥水泥: PO 42.5 级普通硅酸盐水泥级普通硅酸盐水泥;粗骨料粗骨料: 内蒙古锡林郭勒盟浮石轻集料内蒙古锡林郭勒盟浮石轻集料, 其物理性能见表其物理性能见表1。细骨料细骨料: 中砂中砂, 细度模

9、数细度模数2.5, 含泥量含泥量2%, 堆积密度堆积密度1465kg/m3, 表观密度表观密度2650kg/m3, 颗粒级配良好。颗粒级配良好。粉煤灰粉煤灰: 呼和浩特市化肥厂呼和浩特市化肥厂级粉煤灰。级粉煤灰。减水剂减水剂: UNF-5 型高效减水剂。型高效减水剂。引气剂引气剂: RSD-5 型引气剂。型引气剂。碳纤维碳纤维: 其主要性能见表其主要性能见表2。聚丙烯纤维。聚丙烯纤维: 其主要性能见表其主要性能见表3。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究表1 浮石物理性质物理性能堆积密度表观密度吸水率筒压强度压碎指标(kg/m3)(kg/m3)（1h)/%/Mpa/%浮石690159316.442

10、.97839.6表2 碳纤维性能指标种类平均长度/mm抗拉强度/MP抗拉模量/GP密度/(g/cm 3)直径/m电阻率/10-3cm碳纤维740060030 401.23 1.9112 155.2 6.8混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究表3 聚丙烯纤维（PPF)性能指标原料成分聚丙烯纤维类型束状单丝密度/(g/cm3)0.910.01长度/mm19抗拉强度/MPa300熔点/160170极限拉伸率/%3050吸水性极低弹性模量/MPa3 793导热导电性极低耐酸碱性极低安全性无毒材料混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究2：实验配合比设计：实验配合比设计 为了探讨纤维对于不同强度等级的混凝土的强度的

11、影响，参照纤维混凝土结构技术规程中有关配合比设计的规定设计了基准混凝土配合比如表4所示。减水剂的用量由纤维混凝土拌合物坍落度控制。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 由于短碳纤维和聚丙烯纤维都存在难分散的特性，为了避免纤维分散剂对混凝土性能的影响，在试验时混杂纤维轻骨料混凝土施工工艺有别于素轻骨料混凝土，碳纤维和聚丙烯纤维采取直接加入、人工分散的方法。 具体施工工艺为：碎石+轻骨料+砂+部分拌和水（搅拌30 秒）加水泥和粉煤灰（搅拌30 秒）加碳纤维（搅拌60 秒）加聚丙烯纤维（搅拌60 秒）加剩下的拌和水和减水剂（搅拌60 秒）完成混凝土搅拌,卸料。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究砂搅拌30s

12、P纤维用水量轻骨料振动成型水泥C纤维剩余用水量外加剂粉煤灰搅拌30s搅拌60s搅拌60s搅拌60s碎石混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究3：正交设计：正交设计 正交表中的因素因素就是对实验指标可能产生影响的原因，水平水平是指因素在试验中所处的状态和条件，指标就是实验要考察的效果。从已有研究成果来看，影响混杂纤维高性能混凝土各项性能的因素很多，试验主要考察的性能指标为坍落度值坍落度值，表干密度，立方体抗压强度与劈拉强度，同时选择聚丙烯纤维质量比、碳纤维质量比、聚丙烯纤维长径比和碳纤维长径比等作为主要影响因素，各因素的水平选择下表：混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究表表5 5 正交实验的因素和水平正交

13、实验的因素和水平因素因素A AB BC CD D（碳纤维占水泥质量百分比）（碳纤维占水泥质量百分比） （聚丙烯纤维占水泥质量百分比）（聚丙烯纤维占水泥质量百分比）（碳纤维长径比）（碳纤维长径比）（聚丙烯长径比）（聚丙烯长径比）水平水平1 11 1（0.5%0.5%）1(0.1%)1(0.1%)1 1（20002000）1 1（600600）水平水平2 22 2（0.7%0.7%）2(0.2%)2(0.2%)2 2（40004000）2 2（12001200）水平水平3 33 3（0.9%0.9%）3(0.3%)3(0.3%)3 3（60006000）3 3（18001800）试件尺寸及数量试件

14、尺寸及数量试件规格试件规格实验内容实验内容试件数量试件数量100100100立方体抗压强度，劈裂强度立方体抗压强度，劈裂强度932=54块（块（28d）混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究表表6 6 正交实验设计正交实验设计( )( )列号列号A AB BC CD D因素因素碳纤维占水泥质量百分比碳纤维占水泥质量百分比聚丙烯纤维占水泥质量百分比聚丙烯纤维占水泥质量百分比碳纤维长径比碳纤维长径比聚丙烯长径比聚丙烯长径比实验实验1 11 11 11 11 1实验实验2 21 12 22 22 2实验实验3 31 13 33 33 3实验实验4 42 21 12 23 3实验实验5 52 22 23 3

15、1 1实验实验6 62 23 31 12 2实验实验7 73 31 13 32 2实验实验8 83 32 21 13 3实验实验9 93 33 32 21 149(3 )L混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 4.方差分析 正交实验分析中最常用的方法是极差分析极差分析，它既简单直观，只需要对实验结果做少量计算，通过综合分析比较，就可以知道影响因素的主次，达到较好的生产条件。但是这种直观分析不能估计实验中必然存在的误差大小，即不能区分各因素水平所对应的实验结果之间的差异究竟是由于因素水平不同引气的还是由于实验误差所造成的。为了弥补直观分析法的不足，需要进行方差分析方差分析。混杂纤维轻骨料混凝土力学性

16、能研究5.强度计算公式v1.立方体抗压强度 混杂纤维混凝土立方体抗压强度可以采用下式进行计算： （1） 式中 、 为混杂纤维混凝土和基体混凝土立方体抗压强度； 为混杂纤维混凝土立方体抗压强度混杂系数； 为碳纤维影响系数； 为碳纤维体积率； 为碳纤维长径比； 为聚丙烯纤维影响系数； 为聚丙烯纤维体积率； 为聚丙烯纤维长径比。 为了进一步简化公式，令： 则式（1）改写为：1/(/)(/)fccucfcf cfcfpfpf pfpfccfpfcfcfpfpfffldldldld /1fccuYff1/cf cfcfXld2/pfpfXl1212cfpfcYXXX Xfcfcufccfcf/cfcfl

17、dpfpf/pfpfld混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 利用实验数据采用最小二乘法对上式进行线性拟合，得到混杂纤维混凝土立方体抗压强度的计算公式。再将公式计算值与实验值进行对比，计算出相关系数 和标准误差 来考察计算值与实验值吻合程度。v2.劈裂强度 混杂纤维混凝土劈裂强度可以采用下式进行计算： （2） 式中 、 为混杂纤维混凝土和基体混凝土劈裂强度； 为混杂纤维混凝土劈裂强度混杂系数； 为碳纤维影响系数； 为聚丙烯纤维影响系数。 同上，利用实验数据采用最小二乘法对上式进行线性拟合，得到劈裂强度的计算公式。2R1/(/)(/)ftstscfcf cfcfpfpf pfpftcfpfcfcfp

18、fpfffldldldld ftsftsftcfpf混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 第三章第三章 试验结果预测试验结果预测1.坍落度坍落度-纤维对轻骨料混凝土流动性能的影响 在轻骨料混凝土中掺入碳纤维和聚丙烯纤维，无论其掺量如何，对新拌混凝土的流动性均有显著影响。通过正交实验的方差分析，可以得到影响坍落度的因素从强到弱的顺序，预测结果为混杂纤维轻骨料混凝土的流动性比素混凝土有所降低。下降的原因，一是由于纤维表面需要水泥浆体的包裹，使用于包裹粗，细骨料的水泥浆数量相对减少；二是因为纤维的掺入，改变了新拌混凝土的流动特性，如从宾汉流体到伯格斯流体的过渡。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究v2.表干

19、密度表干密度 轻骨料混凝土与普通混凝土最显著的区别在于密度小, 轻骨料混凝土的定义是：用轻骨料，轻砂（或普通砂），水和水泥拌和而成的干表观密度在1950kg/m3以下的混凝土。因为碳纤维密度在1900kg/m3左右，所以碳纤维轻骨料混凝土的密度在一定范围内随纤维掺量的提高略有提高，聚丙烯纤维自身密度很低，对轻骨料混凝土的干表观密度几乎没有影响, 相反，随聚丙烯纤维掺量的增加，轻骨料混凝土的干表观密度还有下降的趋势。因此，纤维种类对轻骨料混凝土的干表观密度有很大的影响，掺入聚丙烯纤维较掺入碳纤维更有优势。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究v3.立方体抗压强度立方体抗压强度 通过正交实验的方差分析，

20、可以得到影响坍落度的因素从强到弱的顺序。预测结果为： （1）对比普通混凝土的抗压强度值，除个别组强度值偏低，其他单掺纤维混凝土和混杂纤维混凝土的强度值波动幅度值不大； （2）纤维的长径比对于基体立方体抗压强度影响不大； （3）随着碳纤维掺量的增大，立方体抗压强度平均值有小幅提高；聚丙烯纤维对基体强度在一定掺量范围里，几乎没有太大影响； （4）碳纤维和聚丙烯纤维掺量应该有个最优值，高于最优值，效果会变差。出现这种现象的主要原因一般与纤维的分散性有关，纤维掺量太大，将难以分布均匀，容易出现成团打结现象，在基体混凝土内部形成薄弱面，从而降低其强度。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究v （5）在电液伺服

21、万能实验机上，实测到不同混杂纤维掺量及纤维长径比轻骨料混凝土的应力-应变关系曲线，将它与素轻骨料混凝土以及单掺纤维轻骨料混凝土进行对比，预测结果可能为：混杂纤维轻骨料混凝土应力应变曲线上升段较素轻骨料混凝土以及单掺轻骨料混凝土长，坡度陡，曲线下降段则更平缓，规则，具有延性，说明混杂纤维轻骨料混凝土抗压强度，弹性模量及韧性较同等级的素混凝土要高。若为此结果，则产生的原因可能为：碳纤维和聚丙烯纤维在混凝土内轻骨料表面和砂浆间生成较致密的结构，从而大大消除了轻骨料表面和砂浆界面过渡区的不均衡性，使混凝土的界面黏结强度有所提高，因而能够有效地提高了混凝土的抗压强度、弹性模量和韧性。v （6）对实测应力

22、应变上升段数据利用最小二乘法进行3次多项式拟合，得到最优掺量混杂纤维轻骨料混凝土应力应变拟合本构方程。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究v（7）混杂纤维轻骨料混凝土力学特性预测 a.弹性模量：弹性模量取为混合模量，即按轴向应力-应变曲线上升段上对应压缩强度30%和70%的斜率进行计算。实测数据说明：碳纤维可增强轻骨料混凝土弹性模量，聚丙烯纤维掺量的增加会小幅降低轻骨料混凝土弹性模量。 b.泊松比：素轻骨料混凝土和混杂纤维轻骨料混凝土的部分泊松比比较接近，当压应力小于一定值时，泊松比基本保持不变或略有增加；当压应力大于一定值时，泊松比增加明显，横向应变增长加快；当横向应变达到极限状态时试件破坏。混

23、杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究v4.劈裂强度劈裂强度 通过正交实验的方差分析，可以得到影响劈裂强度的因素从强到弱的顺序。预测结果为： （1）随着碳纤维掺量在一定范围内的增大，混杂纤维轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度随之增大；由此可见，碳纤维对轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度具有显著的改善作用；碳纤维掺量是影响碳-聚混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的重要因素。 （2）混杂纤维轻骨料混凝土的劈裂强度普遍低于同质量掺量的单掺纤维轻骨料混凝土。而且随着碳纤维掺量的增加，单掺纤维轻骨料混凝土试块劈裂强度的增长速率高于碳-聚混杂纤维轻骨料混凝土，这说明聚丙烯的掺入降低了碳纤维对于轻骨料混凝土基体强度的增强作用。从复合

24、材料力学的角度来看聚丙烯纤维由于自身的弹性模量低，削弱了碳-聚纤维对轻骨料混凝土的综合增强作用，使得增强效果不甚明显。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究（3）聚丙烯长径比在一定范围内较小的试块劈裂强度略高。这是因为聚丙烯纤维密度很小，长度太大的纤维更容易成团打结，从而在基体混凝土内部形成薄弱面，影响基体混凝土工作性能。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 第四章第四章 混杂纤维混凝土增强机理研究混杂纤维混凝土增强机理研究1.混合效应系数混合效应系数 为研究混杂纤维混凝土各纤维配合比对强度的影响，可以采用混合效应系数进行定量分析，考虑各单纤维的作用，用差值法或比值法定义该系数，本文在参考已有文献基础上

25、采用公式进行计算，该计算方法将混杂纤维轻骨料混凝土强度相对同批次素轻骨料混凝土强度提高至与各单掺纤维轻骨料混凝土强度相对提高的加权求和值进行对比，剔除了混凝土基材的影响，更能反应纤维的混杂增强效果。混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 其中， 为混合效应系数； 为混合纤维混凝土力学性能参数； 为素混凝土力学性能参数； 为单掺i纤维的混凝土力学性能参数（单纤维体积分数与混合纤维相同，若不同应对其力学性能参数进行折算）；为混合纤维混凝土中i纤维体积； 为混合纤维混凝土中所有纤维的总体积。1时产生正混合效应，1时产生负混合效应。 将测得的混凝土力学性能参数代入上式可得到不同纤维配合比的混合效应系数。 通过得到的混合效应系数，可以观察出，正混合效应的产生不仅与纤维种类有关，还与各种纤维的掺入量密切相关。在设计混凝土纤维配合比的时候，需要同时考虑混合效应系数和各单掺纤维混凝土的力学性能。00()iiffff1iVV11f0fifiVV混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 2.混杂纤维轻骨料混凝土阻裂机理混杂纤维轻骨料混凝土阻裂机理 纤维增强轻骨料混凝土性能，主要通过阻止裂缝扩展，增加混凝土基体的强度和断裂能来实现。 本试验中采用的纤维材质上为两种，一是碳纤维，其作为混凝土增强材主要特点为：（1）