亚麻纤维复合材料及其加固钢筋混凝土梁的抗剪性能研究

摘要

亚麻纤维具有比强度高、生长周期短、环境友好、来源广泛、价格低廉等优点，作为增强纤维材料用于土木工程结构中，可以降低土木工程建设对不可再生资源的消耗及对生态环境的破坏，对解决全球气候变暖、发展低碳建筑与城市、促进土木工程的可持续性发展具有重要的意义。但与碳纤维、玻璃纤维等相比，亚麻纤维的力学性能相对较低，仅为玻璃纤维的三分之一到四分之一；同时，亚麻纤维表面含有大量的亲水性羟基，因而具有较大的吸水性，使得相应的亚麻纤维复合材料的湿热耐久性较差。
　　鉴于此，本文首先研究利用多壁碳纳米管和纳米TiO2等改性环氧树脂和亚麻纤维，以提高相应亚麻纤维复合材料的力学和界面性能；然后利用亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪性能，拓展亚麻纤维作为结构材料在土木工程领域中的应用。本文的研究成果将为植物纤维复合材料及其在土木工程领域中的应用奠定理论与设计基础，对发展绿色可持续的土木工程结构具有重要的科学意义和实用价值。
　　本文的主要研究内容与成果如下：
　　首先，利用多壁碳纳米管对环氧树脂进行改性，研究了多壁碳纳米管的掺量对环氧树脂力学性能和热性能的影响；基于分子动力学模型，研究了多壁碳纳米管与固化后环氧树脂的相互作用。结果表明，羟基化多壁碳纳米管能够提高环氧树脂的力学性能和热性能，多壁碳纳米管的最优掺量为1.0%，分子动力学模型准确地预测了改性环氧树脂的玻璃化转变温度；多壁碳纳米管表面的大量羟基能够与环氧树脂之间形成有效的粘结，充分发挥了碳纳米管的增强作用。
　　其次，提出并研究了亚麻纤维表面接枝纳米TiO2的改性方法，研究了纳米TiO2的接枝含量对亚麻纤维单丝的力学性能及其与环氧树脂界面粘结性能的影响。在超声波作用下，纳米TiO2通过硅烷偶联剂接枝到亚麻纤维表面，形成了-Ti-O-Si-和-Si-O-C-共价键结合。结果表明，表面接枝纳米 TiO2方法有效地改善了亚麻纤维单丝的力学性能及其与环氧树脂的界面粘结性能，纳米TiO2的最优接枝含量为2.34%左右；表面接枝纳米TiO2降低了亚麻纤维表面的缺陷程度，同时在亚麻纤维与环氧树脂之间形成了纳米增强环氧树脂复合材料层，充分发挥了纳米TiO2的增强作用。
　　第三，基于环氧树脂和亚麻纤维的改性研究成果，利用多壁碳纳米管改性环氧树脂以及纳米Ti O2和多壁碳纳米管分别接枝改性亚麻纤维布，制备了相应的亚麻纤维复合材料，并研究了不同处理方法和制备工艺参数对复合材料力学和界面性能的影响。结果表明，两种处理方法均能不同程度的提高亚麻纤维复合材料的力学和界面性能，且亚麻纤维复合材料的性能与处理方法和制备工艺参数有密切的关系，如环氧树脂中多壁碳纳米管的最优掺量为1.0%、亚麻纤维布表面纳米TiO2的最优接枝枝含量为2.34%、最优多壁碳纳米管接枝处理时间为6分钟；亚麻纤维的纳米接枝改性（如纳米TiO2接枝）是制备高性能亚麻纤维复合材料的有效途径。
　　第四，利用亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪性能，研究了亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的承载特性与破坏模式，提出了亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算公式。结果表明，亚麻纤维布加固后，钢筋混凝土梁的承载力与跨中极限挠度大幅度提高，且纳米TiO2接枝改性亚麻纤维布的增强效果大于未改性的亚麻纤维布；加固后钢筋混凝土梁的抗剪承载力与亚麻纤维布的“配箍率”（Eftf）有良好的线性关系，且能够准确计算亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 植物纤维的结构、组成与主要性质

1.3 聚合物基体与纤维增强复合材料的高性能化研究

1.4 钢筋混凝土梁的斜截面破坏与影响因素

1.5 本文的主要研究内容和创新点

1.6 本文的技术路线

第2章 多壁碳纳米管改性环氧树脂研究

2.1 引言

2.2 试验原材料、制备与表征方法

2.3 多壁碳纳米管在环氧树脂中的分散性与反应机理分析

2.4 改性环氧树脂的力学性能与改善机理分析

2.5 改性环氧树脂的热性能与改善机理分析

2.6 环氧树脂的分子动力学模拟结果与分析

2.7 本章小结

第3章 亚麻纤维表面接枝纳米TiO2改性研究

3.1 引言

3.2 试验原材料、制备与表征方法

3.3 亚麻纤维表面接枝纳米TiO2的化学组成与反应机理分析

3.4 改性亚麻纤维单丝的力学性能与改善机理分析

3.5 改性亚麻纤维与环氧树脂的界面粘结性能与改善机理分析

3.6 本章小结

第4章 亚麻纤维复合材料性能研究

4.1 引言

4.2 试验原材料、制备与表征方法

4.3 亚麻纤维复合材料的力学性能与改善机理分析

4.4 亚麻纤维复合材料的界面性能与改善机理分析

4.5 本章小结

第5章 亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪性能研究

5.1 引言

5.2 钢筋混凝土梁的结构设计与抗剪性能加固方案

5.3 普通钢筋混凝土梁的抗剪试验结果及分析

5.4 纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪试验结果与分析

5.5 钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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