不同幾何尺寸纖維混雜增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高聳、重載方向發(fā)展，高強(qiáng)混凝土已得到廣泛應(yīng)用。水泥基復(fù)合材料的固有的弱點是脆性大，隨著水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度的提高，水泥基復(fù)合材料的固有的弱點更加突出。采用纖維與水泥基材料復(fù)合是改善水泥基復(fù)合材料的性能和制備高性能水泥基復(fù)合材料的有效途徑。纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)理的研究是實現(xiàn)這一途徑的理論基礎(chǔ)。目前，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)理論主要有：纖維間距理論、復(fù)合力學(xué)理論和多縫開裂理論。本文對這三種理論

2、進(jìn)行了討論與分析，指出了三種理論均存在一定的局限性。纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)理論還需要不斷完善與發(fā)展。 由于水泥基復(fù)合材料具有多層次結(jié)構(gòu)特點，而用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維也具有多尺度的特點，因而，本文提出了從不同層次結(jié)構(gòu)的水泥基復(fù)合材料與不同幾何尺寸纖維增強(qiáng)作用的匹配關(guān)系的角度來探討纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)理論的新思路。本文選用了碳纖維、微細(xì)鋼纖維、普通鋼纖維三種不同尺寸的纖維，分別研究它們在不同結(jié)構(gòu)層次的

3、水泥基復(fù)合材料(凈漿、砂漿、混凝土)中的增強(qiáng)作用，查明了不同幾何尺寸纖維與其對水泥基復(fù)合材料不同層次結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用效果之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對不同幾何尺寸的纖維在水泥基復(fù)合材料的不同層次結(jié)構(gòu)上的混雜增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了試驗與分析。探索開發(fā)高性能水泥基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的新途徑。目的在于為纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計提供一定理論基礎(chǔ)。 研究了碳纖維、微細(xì)鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維對凈漿基體增強(qiáng)作用效果。測試了不同

4、水膠比的不同幾何尺寸纖維凈漿的力學(xué)性能，研究表明了凈漿基體組成對不同幾何尺寸纖維凈漿的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。從不同幾何尺寸纖維凈漿力學(xué)性能，聲發(fā)射、荷載與撓度曲線幾個方面，系統(tǒng)比較了三種不同幾何尺寸纖維對凈漿的增強(qiáng)作用。發(fā)現(xiàn)了纖維直徑在凈漿中的增強(qiáng)作用具有顯著差異，具有纖維增強(qiáng)尺寸效應(yīng)。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，證明了不同幾何尺寸纖維在凈漿中的增強(qiáng)尺寸效應(yīng)，并研究了不同幾何尺寸纖維凈漿的長期力學(xué)性能，表明了凈漿基體強(qiáng)度的變化會導(dǎo)致超

5、細(xì)纖維碳纖維凈漿的長期力學(xué)性能下降。 研究了碳纖維、微細(xì)鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維對砂漿基體增強(qiáng)作用效果。試驗研究了碳纖維、微細(xì)鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維砂漿的力學(xué)性能，并與三種不同幾何尺寸纖維凈漿的力學(xué)性能進(jìn)行比較。研究表明了細(xì)骨料的含量對不同幾何尺寸纖維砂漿的纖維增強(qiáng)作用效果有明顯影響。著重研究了砂膠比對不同幾何尺寸的纖維對砂漿的增強(qiáng)作用的影響，發(fā)現(xiàn)了砂膠比的變化對不同幾何尺寸纖維的增強(qiáng)作用

6、具有不同的作用效果。隨著砂膠比的增加，碳纖維與微細(xì)鋼纖維的增強(qiáng)作用不斷減小，而普通鋼纖維的增強(qiáng)作用不斷增加。實驗發(fā)現(xiàn)砂漿中也存在纖維增強(qiáng)的尺寸效應(yīng)。采用斷裂表面能理論，探討并分析了該幾何尺寸效應(yīng)的機(jī)理。 研究了碳纖維、微細(xì)鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維對混凝土基體增強(qiáng)作用效果。測定了不同骨料粒徑的不同幾何尺寸纖維混凝土的力學(xué)性能，這些參數(shù)包括劈拉強(qiáng)度(fzl)、斷裂韌性(K1c)、斷裂能(GF).發(fā)現(xiàn)了不同幾何尺

7、寸的纖維的增強(qiáng)作用與骨料粒徑間具有一定的對應(yīng)關(guān)系。骨料粒徑對碳纖維的增強(qiáng)作用沒有顯著的影響，但對微細(xì)鋼纖維和普通鋼纖維的增強(qiáng)作用產(chǎn)生一定的影響。研究了水膠比對不同幾何尺寸纖維混凝土的力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明了在混凝土基體中它們的增強(qiáng)作用對水膠比的變化具有不同的敏感性。對不同幾何尺寸纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度、抗彎性能進(jìn)行了系統(tǒng)的比較與分析，表明了纖維的幾何尺寸對混凝土的增強(qiáng)作用有重要影響。分析了不同幾何尺寸纖維混凝土的荷載與撓度曲

8、線和聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)了不同直徑的纖維對混凝土的裂前與裂后具有不同的增強(qiáng)、增韌作用。隨著纖維直徑的不斷減小，纖維對混凝土的裂前增強(qiáng)作用不斷增加。表明了在混凝土中也存在顯著的纖維增強(qiáng)尺寸效應(yīng)。比較并分析了不同幾何尺寸纖維混凝土的斷裂特性，并根據(jù)纖維橋接應(yīng)力理論，推導(dǎo)出纖維混凝土中纖維的脫粘能與拔出能公式，驗證了在混凝土中的纖維增強(qiáng)幾何尺寸效應(yīng)。 在研究碳纖維、微細(xì)鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維在凈漿、砂漿、混凝土

9、中的增強(qiáng)作用效果的基礎(chǔ)上，研究了它們在凈漿、砂漿、混凝土中的混雜增強(qiáng)效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)了在凈漿層次中宜采用尺度較小的單一纖維增強(qiáng)，而在砂漿和混凝土中不同幾何尺寸的纖維具有一定的混雜增強(qiáng)效應(yīng)。探討并分析了不同幾何尺寸的纖維混雜增強(qiáng)作用的機(jī)理，并提出了纖維幾何混雜增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的概念。這為開發(fā)高性能水泥基復(fù)合材料提供了一條有效途徑。 最后，建立了幾何混雜纖維混凝土的物理模型，模型與試驗結(jié)果相一致。關(guān)鍵詞：幾何尺寸，碳纖維，微細(xì)