PVA纤维增强水泥基复合材料强韧化及动力学特性研究

摘要

水泥基材料广泛应用于水利、土木、军事防护等诸多领域,随着现代建筑结构向大跨、高层、复杂服役环境等方向发展,水泥基材料脆性大、抗拉强度低等缺点限制了其在抗冲击、抗爆、抗震等方面的应用,改善水泥基材料的韧性,提高其抗冲击性能具有非常重要的意义。PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)是一类具有超高韧性的纤维增强水泥基复合材料,具有优异的变形及能量吸收能力。目前,对PVA-ECC准静态力学性能以及耐久性能方面的研究较多,而对于其在高速动载作用下的性能研究比较缺乏。因此,本文以提高PVA-ECC抗冲击性能为宗旨,对PVA-ECC强韧化改性及其动力学特性进行了试验研究和分析。
　　本文的一个研究重点是PVA-ECC强韧化改性及其准静态力学性能研究。通过引入聚合物、橡胶粉和纳米材料对粉煤灰和矿渣两个体系PVA-ECC进行强韧化改性,通过四点弯曲、直接拉伸和抗压抗折强度试验对25个配合比PVA-ECC弯曲性能、拉伸性能以及抗压抗折强度进行研究。结果表明掺入聚合物可以显著提高PVA-ECC的弯曲韧性和拉伸应变能力,且对粉煤灰PVA-ECC的改善效果优于矿渣PVA-ECC。适量掺入聚合物可以提高PVA-ECC抗折强度且对抗压强度影响较小。掺入橡胶粉使PVA-ECC抗压抗折强度、弯曲承载力和抗拉强度降低,可以改善PVA-ECC拉伸应变能力,但改善效果不如聚合物。进行纳米材料改性可以改善PVA-ECC拉伸变形能力,提高PVA-ECC抗压抗折强度,但对ECC弯曲承载力和抗拉强度影响不显著。
　　本文的另一个研究重点是改性PVA-ECC高速冲击力学行为研究。采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置对PVA-ECC进行高速冲击压缩试验,研究其在高速动载作用下的力学响应,建立动态率型本构关系模型,为其在冲击振动领域的应用提供试验依据和理论指导。试验结果表明,随着矿物掺合料掺量的增加,PVA-ECC冲击压缩强度逐渐降低,峰值应变逐渐增加。随着聚合物和橡胶粉掺量的增加,PVA-ECC冲击压缩强度逐渐降低,纳米材料掺量的改变对PVA-ECC冲击压缩强度影响不显著。掺入聚合物可以显著提高PVA-ECC能量吸收能力,其能量吸收率可达50％以上,橡胶粉掺量的增加会削弱PVA-ECC能量吸收能力,纳米材料掺量及种类的变化对PVA-ECC能量吸收能力影响不显著,其能量吸收率都保持在40%左右。PVA-ECC的冲击韧性指数介于0.6~0.8,掺入聚合物和橡胶粉可以提高PVA-ECC冲击韧性指数,且对粉煤灰PVA-ECC的影响更加显著。
　　根据冲击压缩试验结果,针对典型配合比PVA-ECC进行不同应变率范围内冲击压缩试验。结果表明,随着应变率的增加,PVA-ECC冲击压缩强度和吸收能量逐渐增加,表现出明显的应变率效应,且矿渣PVA-ECC的应变率效应比粉煤灰PVA-ECC更显著。冲击峰值应变和冲击韧性指数随着应变率增加变化不显著,冲击峰值应变介于0.8%~1.1%之间,冲击韧性指数介于0.65~0.8之间。根据试验结果进行拟合获得含损伤ZWT粘弹性本构关系模型参数,模型预测结果与试验结果吻合度较高,说明ZWT粘弹性本构关系模型适用于描述PVA-ECC高应变率下的本构关系。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2水泥基材料强韧化研究现状

1.3 ECC研究现状

1.4 水泥基材料动力学特性研究现状

1.5 问题提出及研究内容

第2章 PVA-ECC改性及力学性能研究

2.1 引言

2.2原材料

2.3 配合比设计及试件制备

2.4 力学性能试验方法

2.5 矿物掺合料对PVA-ECC力学性能的影响

2.6纳米材料改性PVA-ECC

2.7 聚合物改性PVA-ECC

2.8 橡胶粉改性PVA-ECC

2.9 强度等级与延性的关系

2.10 本章小结

第3章 PVA-ECC改性机理及其微观结构

3.1 引言

3.2 ECC设计理论

3.3 PVA-ECC基体的断裂韧性

3.4 纤维拔出特性

3.5 浆体的流变性能与纤维的分散

3.6 微观形貌分析

3.7 本章小结

第4章 PVA-ECC冲击动力学特性研究

4.1 引言

4.2 SHPB实验原理

4.3 试验设备及试件制备

4.4 试验过程控制

4.5 试验结果分析

4.6 本章小结

第5章 PVA-ECC冲击压缩本构关系研究

5.1 引言

5.2 PVA-ECC动态冲击应力应变曲线分析

5.3 破坏模式及能量机制分析

5.4 冲击韧性分析

5.5 PVA-ECC动态冲击压缩本构方程

5.6 PVA-ECC动态冲击试验数值仿真分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及发明专利

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