高延性水泥基復合材料的制備、性能及基本理論研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、高延性水泥基復合材料(HDCC)是一種具有應變硬化、多縫開裂和高延性等特性的新型纖維增強水泥基復合材料。概念提出之始,是以微觀力學參數為基礎進行設計,通過取得基體韌度、界面粘結和纖維特性三者的最優(yōu)組合,實現高延性。然而細觀力學設計是一個非常大的系統工程,同時水泥基復合材料本身也是一種十分復雜的材料,因此從原材料性能的影響規(guī)律和優(yōu)化配合比,以材料的宏觀力學性能作為設計目標,從經驗的和定性的初步設計開始,實現HDCC最優(yōu)的材料制備技術顯得很

2、有必要。斷裂韌度反應了基體抵抗開裂的能力,也是高延性水泥基復合材料(HDCC)的設計基礎。Li等指出當聚乙烯醇纖維體積摻量為2%,HDCC基體的斷裂韌度Jm應低于0.01 kJ/㎡。纖維和基體界面粘結應力一定時,基體的開裂韌度越低,越容易產生多縫開裂現象。
   影響HDCC性能的因素非常多,除了原材料品種及性能與配合比參數如水膠比、膠砂比、粉煤灰含量和其他摻合料的影響外,還受養(yǎng)護條件、流動性、齡期等因素的影響。從而使得HDCC

3、的配合比設計非常復雜困難。本文全面系統研究了配合比設計參數、原材料優(yōu)選、拌合物流動性及養(yǎng)護制度等對HDCC的力學性能尤其是拉伸延性的影響,同時測試了部分配合比的干燥收縮、氯離子擴散性和水滲透性。從粉煤灰摻量、膠砂比、集料含量、纖維摻量、適當的顆粒狀材料、水泥品種、粉煤灰品種、防水劑、外加劑摻量及品種、拌合物流動性、不同養(yǎng)護制度等方面,優(yōu)化了特定材料下的材料制各技術。所制備的HDCC最大延性達5%左右,達到國際先進水平。在配合比設計基礎上

4、,綜合眾多因素,本文全面系統研究了配合比設計參數等對HDCC基體的斷裂韌度的影響規(guī)律。測試了不同齡期的基體抗壓強度、斷裂韌度等,深入揭示了水膠比、粉煤灰含量、灰砂比等配合比關鍵參數和粉煤灰品種,橡膠微粉等對HDCC基體斷裂性能的影響規(guī)律和機理。充分表明了微觀結構決定著材料的宏觀行為。因此在斷裂韌度的基礎上,選擇了部分基體的配合比,制備了微觀測試樣品,系統進行了MIP、XRD和納米硬度等微觀性能的分析,并借助裂端位錯行為的分子動力學理論,

5、分析了<20nm微孔對斷裂性能的影響,并采用擬合與微觀力學分析方法,得出了孔隙率和微孔含量與斷裂性能之間的定量關系。
   研究結果表明:HDCC的拉伸應變易產生離散性。要獲得較好的延性,宜適當降低基體的斷裂韌度,使用高摻量粉煤灰,較高水膠比、較低膠砂比、適當摻量的硅灰、橡膠微粉和EVA乳膠粉等。然而使用高摻量粉煤灰,較高水膠比、橡膠微粉等均會降低強度,但高摻量粉煤灰,由于其活性效應,使后期的延性得不到有力的保證,為降低粉煤灰長

6、期活性的影響,宜使用圓形顆粒含量高,能充分發(fā)揮形態(tài)效應的低活性粉煤灰或其他摻和料,同時充分注意養(yǎng)護條件的影響。養(yǎng)護條件對低水膠比、高摻量粉煤灰的HDCC延性影響很大,宜使用小于7d的水養(yǎng)護制度。一定范圍內降低砂含量,對強度的影響不大。摻加EVA乳膠粉對強度無不利影響,且略有利于延性和抗?jié)B性的提高。使用硫鋁酸鹽水泥的HDCC顯示出較好的長期性能。齡期對斷裂韌度的影響高于對抗壓強度的影響,這使得HDCC的長期性能難以保證。因此如要以確保HD

7、CC延性的穩(wěn)定性,應特別注意斷裂韌度隨齡期的增長變化規(guī)律。
   隨著水膠比的增大,基體的平均納米硬度和彈性模量均降低;隨著齡期的增長,從7d到28d齡期,平均納米硬度和彈性模量先略有降低。繼續(xù)在熱養(yǎng)護狀態(tài)下(60±5℃,相對濕度大于95%以上)養(yǎng)護至28d時,其平均納米硬度又進一步的增長。摻加粉煤灰的配合比,即使熱養(yǎng)護28d后,其基體的平均納米硬度仍然低于7d齡期時的不摻粉煤灰的對比組。粉煤灰摻量的不同使得基體早期的納米硬度差

8、別較大,但在長期熱養(yǎng)護后,其基體納米硬度相近。本文分析總結了齡期對各級孔含量及分布的影響,提出養(yǎng)護28d齡期前主要改善>50nm大毛細孔含量及分布,中期28d齡期后主要改善<200nm的毛細孔和微孔含量及分布,而后期的熱養(yǎng)護則僅改善<20nm微孔含量及分布。粉煤灰品種對微孔分布具有一定的影響。粉煤灰摻量(80%)過高,其28d前孔隙率和毛細孔含量顯著增加,但長齡期孔隙率和毛細孔含量均降低。當粉煤灰摻量為30%~70%時,摻加粉煤灰有利于

9、降低各齡期水泥基體的孔結構。砂的添加,對基體納米硬度的影響不大,降低了各齡期的孔隙率,使得大孔含量略有增加。摻粉煤灰的基體,即使熱養(yǎng)護28d,其Ca(OH)2含量均顯著低于7d齡期時的不摻粉煤灰的CON組。橡膠粉的摻加,大大降低了基體的納米硬度:顯著的增大了基體的孔隙率和大孔含量,且粒徑越小,孔隙率和大孔含量則增加越多。
   斷裂韌度與孔隙率xp或固相含量xs的相關關系大大低于抗壓強度;提出<20nm微孔對抗壓強度和斷裂韌性的

10、具有正效應??紤]孔徑<20nm孔含量x2的影響,置信水平可大大提高,所擬合的斷裂韌度與孔隙率xp和孔徑<20nm孔含量x2的相關關系為:抗壓強度y1=5.2316xp-1.5833X20.1601;R2=0.9400,斷裂韌度y2=0.07387Xp1.0779x20.1002,R2=0.8166。并借助裂端位錯行為的分子動力學理論,提出微孔的存在,增加了裂紋尖端鈍化的幾率,同時也可能改變裂紋尖端的發(fā)展方向,從而使得裂紋呈“Z”字形發(fā)展

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