國(guó)產(chǎn)化綠色高延性水泥基復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵性能.pdf

1、高延性水泥基復(fù)合材料(HDCC)擁有超過(guò)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(shí)，可以表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂特性，具有高延性、高韌性和對(duì)裂縫寬度優(yōu)異的控制特性，是建筑物中用來(lái)作為抗震耗能材料的良好選擇。但同時(shí)，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(yīng)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(shè)計(jì)模型，提出以漿體塑性粘度、纖維分散度和微觀力學(xué)參數(shù)為重要控制指標(biāo)

2、;并且在該修正設(shè)計(jì)模型的指導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了HDCC基本力學(xué)性能和極限延伸率滿足絕大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)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(jìn)推廣本文研制的國(guó)產(chǎn)化、綠色化HDCC在國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程中的實(shí)際應(yīng)用，提供創(chuàng)新理論指導(dǎo)和先進(jìn)技術(shù)支持。
　　首先，本文研究了國(guó)產(chǎn)PVAF-基體的界面區(qū)以及基體自身的

3、微觀力學(xué)參數(shù)。通過(guò)單絲拔出試驗(yàn)，得到纖維與不同基體間的化學(xué)粘結(jié)力、摩擦力和滑移硬化系數(shù);依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試了不同基體的斷裂韌度和彈性模量。通過(guò)理論計(jì)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(yīng)變硬化潛能的PSH指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維與基體間化學(xué)粘結(jié)力在(1～3)J/m2，摩擦力在(2～5) MPa之間時(shí)，復(fù)合材料可得到超過(guò)2％的極限延伸率，符合工程應(yīng)用對(duì)高延性水泥基復(fù)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(zhuǎn)粘度儀和偏光顯微鏡等測(cè)試技術(shù)，測(cè)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(dāng)基體新拌漿體塑性粘度在(1～6)Pa·s之間時(shí)，可實(shí)現(xiàn)2％體積摻量國(guó)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(cè)試HDCC關(guān)鍵力學(xué)性能，通過(guò)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、折壓

5、比、彎曲變形能力和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)所設(shè)計(jì)的HDCC性能進(jìn)行表征。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在彎曲荷載和拉伸荷載作用下，設(shè)計(jì)的細(xì)集料為普通河砂的HDCC均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂特性，其中拉伸極限延伸率最高可超過(guò)4％，有力的證明了國(guó)產(chǎn)PVA纖維和普通河砂在高延性水泥基復(fù)合材料中應(yīng)用的可行性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的S2配比彎曲變形和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的反?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，提出了一個(gè)新的參數(shù)Vf，effect來(lái)優(yōu)化修正經(jīng)典理論模型，利用參數(shù)Vf,effec

6、t對(duì)此反?，F(xiàn)象可以進(jìn)行合理的解釋，說(shuō)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(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了以普通河砂或赤泥為集料，粉煤灰、磨細(xì)礦渣為摻合料的三元膠凝體系的HDCC。分別測(cè)試各組HDCC的微觀力學(xué)參數(shù)、纖維分散度和關(guān)鍵力學(xué)性能，不僅驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的合理性，而且設(shè)計(jì)得到了最高極限延伸率超過(guò)6％的HDCC材料，為HDCC的國(guó)產(chǎn)化、綠色化提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)支持，并為赤泥的綜合利用提供一個(gè)高