混杂钢纤维聚合物改性水泥混凝土特殊铺装材料性能研究

摘要

聚合物改性混凝土与钢纤维混凝土是两种优异的路面材料，有很多优点，但也有不足。本文运用复合材料设计思想，将聚合物改性混凝土与钢纤维混凝土复合化，把聚合物改性混凝土良好的变形能力、抗渗性、耐磨抗滑性、低收缩性与钢纤维混凝土优异的抗弯拉、抗冲击、抗疲劳性集于一体，形成混杂钢纤维聚合物改性混凝土。利用扫描电镜从微观角度研究了聚合物改性机理，运用复合力学理论、纤维间距理论、裂纹尖端闭合力模型从理论角度分析了钢纤维阻裂机理;建立钢纤维阻裂有限元模型，从有限元模拟角度分析了钢纤维对裂纹尖端应力强度因子和最大拉应力影响。研究了混杂钢纤维聚合物改性混凝土在不同钢纤维掺量下多个方面的性能，并设置素混凝土、钢纤维混凝土、聚合物改性混凝土作为对照。这些性能包括:工作性、收缩性和抗压、抗折、断裂韧性与断裂能、抗冲击等基本力学性能以及抗高温、抗高温+水、抗硫酸盐、抗冻等耐久性能。
　　本研究主要内容包括：⑴混杂钢纤维聚合物改性混凝土中聚合物网状薄膜、超短超细钢纤维与波纹型钢纤维一起组成多层次的阻裂网络，聚合物网状薄膜、超短超细钢纤维阻止或延缓混凝土内部微小裂缝的产生与扩展，波纹型钢纤维则进一步阻止宏观裂缝的发展，引起裂缝扩展的能量被大量消耗在克服这个多层次的阻裂网中。⑵聚合物的加入能提高混凝土保水性，改善其工作性。⑶聚合物与钢纤维能有效减小混凝土收缩，减小因收缩应力引起的混凝土内部损伤。⑷当钢纤维掺量较低时，一般总体积掺量小于3％，钢纤维对混凝土抗压强度略有提高，而当钢纤维掺量较高，一般4％以上，抗压强度会略有降低。⑸相对素混凝土，混杂钢纤维聚合物改性混凝土抗压峰值力略小，但其弹性模量更小，试件破坏时竖向位移更大，消耗压力机做功更多。⑹钢纤维的加入能明显提高混凝土的抗折强度，提高幅度为22％～62％，且波纹型钢纤维对混凝土试件抗折强度贡献大于超短超细钢纤维。⑺混杂钢纤维聚合物改性混凝土荷载-挠度曲线峰值过后，会出现明显的齿状形状，曲线上一个个较大的锯齿是一根根波纹型钢纤维被拔出，大锯齿上升段表示钢纤维被拔出的过程，下降段则为对应钢纤维被拔出后，承载力下降。⑻混杂钢纤维聚合物改性混凝土具有优异的变形能力，极限拉应变是素混凝土的4-6倍。⑼相对钢纤维混凝土，混杂钢纤维聚合物改性混凝土具有更大的断裂韧性与断裂能以及更好的延性，其中断裂韧性提高幅度为5.3％～33.8％，断裂能提高幅度为9.8％～107.2％。⑽随钢纤维体积掺量提高，混杂钢纤维聚合物改性混凝土发生初裂、破坏对应冲击次数增多，混凝土冲击韧性增大，且破坏时主裂缝由一条变为多条。⑾相对钢纤维混凝土，混杂钢纤维聚合物改性混凝土具有更好的抗高温、抗高温+水、抗硫酸盐、抗冻性能。⑿混杂钢纤维聚合物混凝土60℃条件下抗折强度比常温下有所提高，提高幅度为0.88％～8.78％。⒀混杂钢纤维聚合物混凝土在60℃水中下养护28天抗折强度较常温养护均有所下降，但下降幅度不大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究的背景

1．2 聚合物改性水泥混凝土研究现状

1．3 钢纤维混凝土研究现状

1．4 混杂钢纤维聚合物改性混凝土的提出及研究内容

1．4．1 混杂钢纤维聚合物改性混凝土的提出

1．4．2 研究内容

第二章 混杂钢纤维聚合物混凝土改性、阻裂机理

2．1 混杂钢纤维聚合物混凝土改性机理

2．1．1 扫描电镜试验准备及方法

2．1．2 试验现象及分析

2．2 混杂钢纤维在混凝土中的阻裂机理

2．2．1 复合力学理论

2．2．2 纤维间距理论

2．2．3 基于裂缝尖端闭合力模型的钢纤维阻裂机理

2．3 钢纤维阻裂有限元模型

2．3．1 有限元模型的建立

2．3．2 关键问题处理

2．3．3 有限元模型的求解及分析

2．4 本章小结

第三章 混杂钢纤维聚合物混凝土配合比及其收缩性能

3．1 原材料

3．2 混杂钢纤维聚合物混凝土配合比设计

3．3 混杂钢纤维聚合物混凝土的工作性

3．3．1 塌落度试验过程

3．3．2 塌落度试验结果与分析

3．4 混杂钢纤维聚合物混凝土干缩性能

3．4．1 试验设计

3．4．2 试验结果与分析

3．4 本章小结

第四章 混杂钢纤维聚合物混凝土基本力学性能

4．1 抗压试验

4．1．1 试验设计

4．1．2 试验结果

4．1．3 试验结果分析

4．2 抗折试验

4．2．1 试验设计

4．2．2 试验结果

4．2．3 试验结果分析

4．3 断裂韧性

4．3．1 试验设计

4．3．2 试验结果与分析

4．3．3 试验结果及分析

4．4 落锤冲击试验

4．4．1 试验设计

4．4．2 试验结果与分析

4．5 本章小结

第五章 混杂钢纤维聚合物混凝土耐久性

5．1 高温试验

5．1．1 试验设计

5．1．2 试验结果与分析

5．2 高温+水试验

5．2．1 试验设计

5．2．2 试验结果与分析

5．3 抗硫酸盐侵蚀试验

5．3．1 抗硫酸盐侵蚀试验破坏机理

5．3．2 试验设计

5．3．3 试验结果与分析

5．4 冻融试验

5．4．1 冻融机理

5．4．2 试验设计

5．4．3 试验结果与分析

5．4 本章小结

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及参与项目