PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能及自愈合特性研究

摘要

随着社会经济的发展，人们对建筑材料的要求不断提高。高性能水泥基材料的出现，特别是纤维增强水泥基复合材料，使土木建筑结构的强度和韧性得以改善。为此，本文从材料组分、养护条件和暴露环境等方面研究聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（PVA-FRCC）的力学性能和自愈合特性，通过微观结构测试和理论分析，揭示配合比、养护条件和预拉伸次数等因素对 PVA-FRCC自愈合的影响规律，这对 PVA-FRCC的配合比设计及工程应用具有重要的理论价值和实际意义。
　　针对目前 PVA-FRCC配合比较为单一的情况，基于微观力学设计理论，本文首先采用单轴拉伸试验、四点弯曲试验和抗压、抗折强度试验研究了单掺和复掺矿物掺合料、细集料和超级吸水聚合物（SAP）颗粒等对 PVA-FRCC拉伸应变、断裂韧性和抗压、抗折强度的影响。结果表明，所有配合比 PVA-FRCC都具有“准应变-硬化”和多缝开裂的特征，但是裂缝的饱和程度和拉伸应变有所差别；粉煤灰和矿渣都能够改善 PVA-FRCC的拉伸应变；粉煤灰取代水泥掺量由50％增至80%时，拉伸应变增加120%；复掺粉煤灰和矿渣 PVA-FRCC的拉伸应变都不低于3.0%；SAP颗粒作为缺陷引入基体可使 PVA-FRCC拉伸应变提高90%以上，且SAP颗粒对粉煤灰低掺量试件的改善效果更为明显。
　　由于水泥基材料开裂后能够依靠自身水化促进裂缝自愈合，本文研究了PVA-FRCC在冻融环境、盐溶液干湿循环和高温干湿循环等6种典型暴露环境中的自愈合。研究结果表明，PVA-FRCC在6种暴露环境中都能发生自愈合；自愈合程度随着预拉伸应变的增加而降低；一般情况下，预拉伸应变不超过1.5%时，自愈合后的PVA-FRCC超声波传播速度（UPV）能够恢复80%以上，吸水系数与未拉伸试件相近，再次拉伸时的初始开裂应力与预拉伸时的初始开裂应力相当；预拉伸应变高（大于1.5%）的PVA-FRCC自愈合后，UPV损失可高达50%。干湿循环过程中环境温度升高能够增加愈合后 PVA-FRCC的初始开裂应力和UPV恢复程度，但是其拉伸应变难以超过1.5%。冻融环境中愈合后试件的初始开裂应力都小于预拉伸试的初始开裂应力；但是与含盐溶液、常温和高温干湿循环自愈合试件相比，冻融环境自愈合后试件的拉伸应变增加。
　　水泥用量是影响裂缝自愈合的首要因素，但本文研究中设计的PVA-FRCC水胶比低、矿物掺合料量大，那么养护条件对于PVA-FRCC的性能影响至关重要。为此，本文研究了密封、水和高温等11种养护条件对 PVA-FRCC力学性能和自愈合特性的影响。结果表明，密封养护 PVA-FRCC拉伸应变和自愈合性能最好，其拉伸应变可达5%，预拉伸应变不超过2.0%试件自愈合后的拉伸应变超过2.5%，且预拉伸应变大于2.0%试件的UPV恢复程度都不低于80%；水中养护次之，高温养护最差；增加粉煤灰掺量能够改善高温养护和水中养护PVA-FRCC的拉伸应变和断裂韧性。
　　基于上述研究，本文继续探讨了 PVA-FRCC自愈合的可重复性。结果表明，PVA-FRCC经3次预拉伸在水冻融环境中再次愈合后，UPV恢复程度仍高达83%，且初始开裂应力仅损失15%。PVA-FRCC自愈合程度随着预拉伸次数的增加而不断降低。在预拉伸次数相等的情况下，UPV恢复程度随着预拉伸应变的增加会降低10%~20%。另外。本文还探讨了 PVA-FRCC的自愈合机理、自愈合过程以及愈合后 PVA-FRCC性能难以恢复如初的原因。PVA-FRCC的自愈合伴随着胶凝材料水化、氢氧化钙晶体长大、碳酸钙生成和晶体长大以及水化产物的湿胀等一系列物理化学过程。自愈合产物与水泥水化产物的差异、结构的致密程度、裂缝宽度过大、裂缝不完全愈合、PVA纤维受损、界面结合较弱、基体强度变化和微裂缝出现等都是造成自愈合 PVA-FRCC的UPV低、初始开裂应力小和吸水系数大的原因。

目录

PVA纤维增强水泥基复合材料 力学性能及自愈合特性研究

RESEARCH ON MECHANICAL PROPERTIES AND SELF-HEALING CHARICTERISTIC OF PVA FIBER REINFORCED CEMENTITIOUS COMPOSITES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 PVA-FRCC微观设计理论

1.3 水泥基材料自愈合研究现状

1.4 PVA-FRCC力学性能研究现状

1.5 存在问题及主要研究内容

第2章 PVA-FRCC力学性能的试验研究

2.1 试验

2.2 粉煤灰对PVA-FRCC力学性能的影响

2.3 矿渣对PVA-FRCC力学性能的影响

2.4 复掺粉煤灰和矿渣对PVA-FRCC力学性能的影响

2.5 复掺粉煤灰和硅灰对PVA-FRCC力学性能的影响

2.6 砂细度模数对PVA-FRCC力学性能的影响

2.7超级吸水颗粒对PVA-FRCC力学性能的影响

2.8 陶砂对PVA-FRCC力学性能的影响

2.9 本章小结

第3章 暴露环境对PVA-FRCC自愈合的影响

3.1 引言

3.2 试验

3.3 冻融环境对PVA-FRCC自愈合性能的影响

3.4 盐溶液干湿循环对PVA-FRCC自愈合性能的影响

3.5 不同温度干湿循环对PVA-FRCC自愈合性能的影响

3.6 本章小结

第4章 养护条件对PVA-FRCC力学性能及自愈合影响

4.1 养护条件

4.2 养护条件对PVA-FRCC力学性能的影响

4.3 养护条件对PVA-FRCC自愈合的影响

4.4 本章小结

第5章 自愈合的可重复性及自愈合机理

5.1 自愈合可重复性的试验研究

5.2 自愈合产物的观察与分析

5.3 自愈合机理与自愈合过程

5.4 自愈合前后PVA-FRCC性能差异分析

5.5 自愈合评价参数

5.6 PVA-FRCC配合比优化及设计建议

5.7 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

个人简历