國產(chǎn)化綠色高延性水泥基復合材料優(yōu)化設計與關鍵性能.pdf

1、高延性水泥基復合材料(HDCC)擁有超過普通混凝土200倍以上的極限延伸率，在受到彎曲和拉伸荷載時，可以表現(xiàn)出應變硬化和多縫開裂特性，具有高延性、高韌性和對裂縫寬度優(yōu)異的控制特性，是建筑物中用來作為抗震耗能材料的良好選擇。但同時，傳統(tǒng)HDCC較高的原料和生產(chǎn)成本同樣限制了它在全球重要混凝土工程中的推廣應用。
　　本文提出有效纖維體積率的定義，并以此修正經(jīng)典HDCC設計模型，提出以漿體塑性粘度、纖維分散度和微觀力學參數(shù)為重要控制指標

2、;并且在該修正設計模型的指導下，使用成本低、能耗低的原材料替代傳統(tǒng)HDCC的高成本、高能耗原材料，在保證纖維具有很高分散度的前提下，不僅實現(xiàn)了HDCC基本力學性能和極限延伸率滿足絕大多數(shù)混凝土結構工程設計要求，而且還可大幅度降低HDCC的原料與生產(chǎn)成本。本文研究成果可為促進推廣本文研制的國產(chǎn)化、綠色化HDCC在國內(nèi)外相關工程中的實際應用，提供創(chuàng)新理論指導和先進技術支持。
　　首先，本文研究了國產(chǎn)PVAF-基體的界面區(qū)以及基體自身的

3、微觀力學參數(shù)。通過單絲拔出試驗，得到纖維與不同基體間的化學粘結力、摩擦力和滑移硬化系數(shù);依據(jù)標準《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》測試了不同基體的斷裂韌度和彈性模量。通過理論計算，得到HDCC中纖維與基體橋聯(lián)余能和HDCC的裂縫尖端韌度，給出了表征HDCC應變硬化潛能的PSH指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當纖維與基體間化學粘結力在(1～3)J/m2，摩擦力在(2～5) MPa之間時，復合材料可得到超過2％的極限延伸率，符合工程應用對高延性水泥基復合材料的要求

4、。
　　其次，研究了HDCC基體新拌漿體的流變特性和體積摻量為2％的PVA纖維在基體中的分散性能。利用旋轉粘度儀和偏光顯微鏡等測試技術，測試分析了漿體的流變特性和纖維的分散程度，研究發(fā)現(xiàn)，所制備的漿體流變行為符合赫切爾-巴爾克模型，當基體新拌漿體塑性粘度在(1～6)Pa·s之間時，可實現(xiàn)2％體積摻量國產(chǎn)PVA纖維在基體中的均勻分散，分散系數(shù)在0.75以上。
　　再次，系統(tǒng)測試HDCC關鍵力學性能，通過抗壓強度、抗折強度、折壓

5、比、彎曲變形能力和拉伸應力-應變關系對所設計的HDCC性能進行表征。通過研究發(fā)現(xiàn)，在彎曲荷載和拉伸荷載作用下，設計的細集料為普通河砂的HDCC均表現(xiàn)出應變硬化和多縫開裂特性，其中拉伸極限延伸率最高可超過4％，有力的證明了國產(chǎn)PVA纖維和普通河砂在高延性水泥基復合材料中應用的可行性。通過對試驗中出現(xiàn)的S2配比彎曲變形和拉伸應力-應變關系的反?，F(xiàn)象進行分析，提出了一個新的參數(shù)Vf，effect來優(yōu)化修正經(jīng)典理論模型，利用參數(shù)Vf,effec

6、t對此反?，F(xiàn)象可以進行合理的解釋，說明了參數(shù)Vf，effect提出的合理性。
　　最后，在上述優(yōu)化的HDCC材料設計思路指導下，設計了以普通河砂或赤泥為集料，粉煤灰、磨細礦渣為摻合料的三元膠凝體系的HDCC。分別測試各組HDCC的微觀力學參數(shù)、纖維分散度和關鍵力學性能，不僅驗證了優(yōu)化設計理論的合理性，而且設計得到了最高極限延伸率超過6％的HDCC材料，為HDCC的國產(chǎn)化、綠色化提供了理論指導和實驗支持，并為赤泥的綜合利用提供一個高