短切纤维及预应力对玄武岩纤维编织网增强混凝土(BTRC)力学性能的影响

摘要

玄武岩编织网增强水泥基复合材料（Basalt Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，简称 BFRCM；或称为Basalt Textile Reinforced Concrete，简称BTRC）是一种新型建筑材料，具有强度高、延性大、耐久性好等优点，正逐渐运用于工程实际中。研究短切纤维和预应力对BT RC力学性能的增强效果和增强机理，对B TRC运用推广有很大价值。本文主要开展以下工作：
　　（1）设计出流动性大、粘稠度高的砂浆配合比，同时设计出短切纤维在砂浆中均匀分散的搅拌程序。测试砂子在纤维之后和纤维之前添加到骨料中拌制出砂浆的流动性，同时调整初始水胶比为0.22、0.25、0.28时基体掺入2.0vol.％的短切碳纤维或者玻璃纤维时的流动性。
　　（2）利用MTS万能试验机对所用玄武岩编织网含有单根和三根经向纤维束进行了标距100 mm的材性试验，对掺入体积掺量（0.5vol.%、1.0vol.%、1.5vol.%）短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维2、3、5层 BTRC进行静态拉伸试验，同时对5层 BTRC施加预应力并掺入0.5 vo l.%短切碳纤维或钢纤维也进行了静态拉伸试验，分析拉伸力学性能参数的变化，并对短切纤维和预应力的增强机理进行了分析。
　　（3）利用MTS万能试验机对掺入体积掺量（0.5vol.%、1.0vo l.%、1.5vo l.%）短切碳纤维、钢纤维和单独施加预应力的5层B TRC进行静态三分点弯曲试验，通过分析弯曲力学性能参数变化研究纤维种类、掺量和预应力对B TRC弯曲性能的影响。
　　（4）通过数字图像相关（Digital Image Correlation，简称DIC）分析拉伸和弯曲试件表面的应变分布，得到不同时刻试件表面应变发展过程，分析不同短切纤维和预应力时B TRC裂缝模式的变化。
　　试验结果表明：采用初始水胶比为0.22时后加砂子纤维分散效果好，基体流动性最高，采用三根纤维束测得的玄武岩参数更加合理。
　　BTRC力学性能受编织网层数影响很大，随着编织网层数的增加强化段越明显；对于5层 BT RC，3种短切纤维均可提高其拉伸开裂强度，且随着短切碳纤维掺量的增加而增加，峰值荷载和韧性随着短切碳纤维的增加先增加后降低，掺量1.0vol.%达到最优值，而随着短切钢纤维掺量的增加而持续增加，掺量1.5vol.%达到最大值，短切纤维对峰值应变没有明显影响；单独预应力同样可以提高开裂强度、峰值荷载和韧性，而掺入短切纤维后峰值荷载和韧性进一步提高，但是单独施加预应力 BT RC峰值应变有所减小。
　　短切纤维和预应力的增强机理均可划分为对基体的增强和界面性能的增强，短切纤维可以增强基体拉伸强度，同时短切碳纤维和玻璃纤维的桥联作用以及钢纤维的销栓作用可以改善界面性能，提高纤维利用率；预应力会对基体产生预压力，同时泊松效应使释放预拉力后的经向纤维束径向膨胀增加界面挤压力和摩擦力，改善基体编织网界面性能，掺入短切纤维后的基体强度更高，界面作用力更明显。
　　拉伸试验 DIC分析结果表明，裂缝处应变明显大于未开裂区域，随着拉伸应变的增加裂缝处应变平稳增加，但超过峰值应变后，主裂缝处应变迅速增长而次裂缝处应变由于拉伸应力的降低而回缩减小；短切玻璃、钢纤维和预应力可以增加裂缝条数，减小裂缝间距和裂缝宽度，而短切碳纤维对裂缝条数没有明显影响，同时短切纤维的桥联作用限制了裂缝的扩展，裂缝形状进而由直线转向曲线，且随纤维掺量的增加越明显。
　　根据三分点弯曲试验结果，可以看出：短切纤维和预应力可以明显提高BT RC开裂强度和抗弯强度，且预应力效果最明显；抗弯强度随着碳纤维、钢纤维掺量的增加先增加后降低，碳纤维掺量0.5vol.%和钢纤维掺量1.0 vol.%时抗弯强度较高，可见短切纤维体积掺量存在最优值，不同短切纤维最优掺量有所不同。短切碳纤维、钢纤维及预应力可以明显提高试件吸收能量和峰值挠度，预应力增强效果最显著。随着碳纤维、钢纤维掺量增加，吸收能量和峰值挠度先增加后降低，掺量1.0vol.%均达到最大值。
　　根据三分点弯曲试验DIC分析结果，可以看出：短切纤维和预应力改善开裂模式，增加裂缝条数，减小裂缝间距。裂缝条数随着短切纤维掺量增加表现出先增加后减少，掺量1.0vo l.%时裂缝条数最多，裂缝间距最小；加入短切钢纤维和施加预应力后裂缝处应变明显变小，钢纤维和预应力可以明显减小裂缝宽度，而短切碳纤维掺入后裂缝宽度没有明显减小。

目录

声明

第1章 绪论

1. 1 研究背景及意义

1.2 玄武岩纤维编织网增强混凝土（BTRC）

1. 3 本文主要研究内容

第2章 TRC基体设计及玄武岩编织网材性测试

2. 1 引言

2. 2 TRC基体配比设计

2. 3 玄武岩编织网拉伸性能测试

2. 4 本章小结

第3章 玄武岩编织网增强混凝土的拉伸力学性能

3. 1 引言

3. 2 试验制备

3. 3 测试仪器与方法

3. 4 数字图像相关技术

3.5 不同层数BTRC静态拉伸结果

3.6 5层编织网BTRC拉伸结果分析

3. 7 增强机理

3. 8 界面摩擦与纤维利用率理论分析

3. 9 本章小结

第4章 玄武岩编织网增强混凝土的弯曲力学性能

4. 1 引言

4. 2 试验制备及测试

4.3 5层编织网BTRC弯曲应力-挠度曲线

4. 4 三分点弯曲参数分析

4.5 三分点弯曲试验 DIC分析

4. 6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文