超高性能注浆纤维水泥基材料性能研究

摘要

超高性能注浆纤维水泥基材料(Ultra High Performance-Slurry Infiltrated Fiber Cementitious Composites, UHP-SIFCC)是一种兼具高韧性、高强度的新型纤维增强水泥基复合材料。其独特的制作工艺保证了高纤维率的实现，而这种高纤维率下的纤维联锁作用使得其性能较普通钢纤维水泥基材料有了更大的提高。在以往的研究当中，注浆纤维水泥基材料的基体材料大多采用的是普通水泥基浆体，为了进一步提高水泥基材料的各项性能，本文以超高性能水泥基材料（Ultra High Performance Cementitious Composites, UHPCC）为基体，与注浆纤维水泥基材料的成型工艺相结合。本文研究了对不同种类、不同掺量和不同长度的钢纤维对超高性能注浆纤维水泥基材料的力学性能的影响。并测定了不同养护方式和基体不同水灰比、不同水泥类型条件下试件的力学性能。通过弯拉荷载-挠度曲线对钢纤维的增强、增韧效果进行了研究。为此得出了以下结论：
　　(1)高体积率钢纤维的掺入，能显著地改善 UHPCC的破坏形态。素 UHPCC构件在抗弯和抗压破坏之前没有任何的征兆，是典型的脆性破坏。掺入高体积率钢纤维后制成UHP-SIFCC试件，在加载过程中首先产生了裂缝，随着荷载增加，构件能够继续承载，直至破坏试件也能保持较好的完整性，抗弯试件并未断裂。抗弯和抗压峰值强度相比初裂强度有较大的提高。
　　(2)纤维率对于UHP-SIFCC抗压强度影响明显，纤维率越高，抗压强度越高；同比条件下端勾纤维对 UHPCC的增强效果要优于回收纤维，这是因为回收纤维长短不一，纤维形状弯曲复杂所带来的纤维联锁作用的增强效果没能弥补锚固长度不足的缺陷；而对于端勾纤维，25mm端勾纤维的增强效果要优于13mm端勾纤维，故在之后的 UHP-SIFCC研究中，建议尽量采用长纤维。
　　(3)使用强度等级为52.5的水泥制作的UHP-SIFCC试件抗压强度要高于42.5的水泥UHP-SIFCC试件抗压强度；随着 UHPCC基体水胶比的增大，UHP-SIFCC试件抗压强度降低。
　　(4)28d标准养护强度相比7d标准养护强度有很大提高；90度热水养护72h相比48h的提升效果较小，90度热水养护2-3d强度已趋于稳定；标准养护28d与90度热水养护2d的强度接近，且2d热水养护的强度要略高于28d标准养护。
　　(5)随着纤维率的提高、纤维长度的增长，UHP-SIFCC抗弯强度逐渐提高；掺端勾纤维的 UHP-SIFCC试件抗弯强度高于掺回收纤维的 UHP-SIFCC试件；UHP-SIFCC试件抗弯强度在本文变量范围内的增长幅度要明显高于抗压强度。
　　(6)用复合材料理论计算UHP-SIFCC的抗弯强度误差在30％之内，掺短纤维的UHP-SIFCC试件理论计算误差要小于掺长纤维的试件。
　　(7)随着纤维率的提高和纤维长度的增长，UHP-SIFCC的弯曲韧性得到提高；不同纤维率的UHP-SIFCC试件弯曲耗能的差别主要体现在下降段；8%纤维率的UHP-SIFCC试件相比6%的 UHP-SIFCC试件破坏耗能的增加幅度高于10%的UHP-SIFCC试件相比8%的 UHP-SIFCC试件破坏耗能所增加的幅度，这是由于高的纤维率使得纤维间距急剧减小，而纤维间距对于纤维与基体间的粘结强度有较大影响，从而影响了试件的弯曲韧性。
　　(8) UHP-SIFCC试件的荷载—挠度曲线属于应变硬化曲线，其破坏过程分为明显的三个阶段，即线弹性阶段、塑性上升段和下降段。该试件在破坏过程中未发生应力突变，下降段中随着应变增大应力缓慢下降，后期持荷能力较强，表现出了比较好的延性。
　　(9)通过比较几种常用的弯曲韧性评价方法，得出 ASTMC1018韧度指数法对本研究中的 UHP-SIFCC材料来说，没能很好地反映下降段的差异。而 PCER法和初始、残余弯曲韧度比法则能较好地弥补这一缺陷。总体来说，试件的弯曲韧性随着纤维率的上升而提高，随着纤维长度的增长而提高。

目录

第1章 绪论

1.1引言

1.2 UHPC研究进展概述

1.3 钢纤维增强UHPC力学性能

1.4 本文研究内容及意义

第2章 试验材料及试验方法

2.1 UHP-SIFCC的原材料

2.2 试件的制备及养护

2.3 试验测试方法

第3章 UHP-SIFCC力学性能的研究

3.1 超高性能注浆纤维水泥基材料抗压性能研究

3.2 超高性能注浆纤维水泥基材料抗弯性能研究

3.3 本章小结

第4章 纤维增强理论分析

4.1 钢纤维增强机理

4.2 复合材料理论

4.3复合材料理论在本研究中的应用

4.4本章小结

第5章 UHP-SIFCC弯曲韧性及耗能的研究

5.1常用的弯曲韧性计算方法

5.2 UHP-SIFCC的弯曲韧性及弯曲耗能

5.3 UHP-SIFCC受弯破坏形态分析

5.4 改进的弯曲韧性评价方法

5.5 本章小结

结论与展望

一、 本文主要结论

二、 展望

参考文献

致谢

附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）