不同幾何尺寸纖維混雜增強水泥基復合材料的研究.pdf

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

2、進行了討論與分析，指出了三種理論均存在一定的局限性。纖維增強水泥基復合材料的增強理論還需要不斷完善與發(fā)展。 由于水泥基復合材料具有多層次結構特點，而用于增強水泥基復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構的水泥基復合材料與不同幾何尺寸纖維增強作用的匹配關系的角度來探討纖維增強水泥基復合材料的增強理論的新思路。本文選用了碳纖維、微細鋼纖維、普通鋼纖維三種不同尺寸的纖維，分別研究它們在不同結構層次的

3、水泥基復合材料(凈漿、砂漿、混凝土)中的增強作用，查明了不同幾何尺寸纖維與其對水泥基復合材料不同層次結構增強作用效果之間的關系。在此基礎上，對不同幾何尺寸的纖維在水泥基復合材料的不同層次結構上的混雜增強效應進行了試驗與分析。探索開發(fā)高性能水泥基纖維增強復合材料的新途徑。目的在于為纖維增強水泥基復合材料的優(yōu)化設計提供一定理論基礎。 研究了碳纖維、微細鋼纖維、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性能產生重要影響。從不同幾何尺寸纖維凈漿力學性能，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作用。發(fā)現了纖維直徑在凈漿中的增強作用具有顯著差異，具有纖維增強尺寸效應。根據斷裂力學理論，證明了不同幾何尺寸纖維在凈漿中的增強尺寸效應，并研究了不同幾何尺寸纖維凈漿的長期力學性能，表明了凈漿基體強度的變化會導致超

5、細纖維碳纖維凈漿的長期力學性能下降。 研究了碳纖維、微細鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維對砂漿基體增強作用效果。試驗研究了碳纖維、微細鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維砂漿的力學性能，并與三種不同幾何尺寸纖維凈漿的力學性能進行比較。研究表明了細骨料的含量對不同幾何尺寸纖維砂漿的纖維增強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作用的影響，發(fā)現了砂膠比的變化對不同幾何尺寸纖維的增強作用

6、具有不同的作用效果。隨著砂膠比的增加，碳纖維與微細鋼纖維的增強作用不斷減小，而普通鋼纖維的增強作用不斷增加。實驗發(fā)現砂漿中也存在纖維增強的尺寸效應。采用斷裂表面能理論，探討并分析了該幾何尺寸效應的機理。 研究了碳纖維、微細鋼纖維、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性能，這些參數包括劈拉強度(fzl)、斷裂韌性(K1c)、斷裂能(GF).發(fā)現了不同幾何尺

7、寸的纖維的增強作用與骨料粒徑間具有一定的對應關系。骨料粒徑對碳纖維的增強作用沒有顯著的影響，但對微細鋼纖維和普通鋼纖維的增強作用產生一定的影響。研究了水膠比對不同幾何尺寸纖維混凝土的力學性能的影響，結果表明了在混凝土基體中它們的增強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度、抗彎性能進行了系統(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、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作用不斷增加。表明了在混凝土中也存在顯著的纖維增強尺寸效應。比較并分析了不同幾何尺寸纖維混凝土的斷裂特性，并根據纖維橋接應力理論，推導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幾何尺寸效應。 在研究碳纖維、微細鋼纖維、普通鋼纖維三種不同幾何尺寸纖維在凈漿、砂漿、混凝土

9、中的增強作用效果的基礎上，研究了它們在凈漿、砂漿、混凝土中的混雜增強效應。發(fā)現了在凈漿層次中宜采用尺度較小的單一纖維增強，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效應。探討并分析了不同幾何尺寸的纖維混雜增強作用的機理，并提出了纖維幾何混雜增強水泥基復合材料的概念。這為開發(fā)高性能水泥基復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，模型與試驗結果相一致。關鍵詞：幾何尺寸，碳纖維，微細