混凝土帆布配合比优化、FRP增强及抗侵彻性能研究

摘要

近十年，混凝土帆布因为其独特的成型方法及性能，已在土木工程及军事领域的应用中展现出独具吸引力的应用前景。混凝土帆布在使用前像布一样柔软，可以在使用过程中任意覆盖在任意结构或物体的表面，无需模具和搅拌过程。固定好形状后只需在其表面洒水或将其浸泡在水中即可使其快速硬化形成一个耐久、抗渗、耐火的混凝土薄层。因其快速方便的施工特点以及快凝早强的基体特性，大大节约了人工、设备及时间成本。目前主要应用为帐篷、护坡、快速铺路、水下管道保护和内衬以及军事防护等。然而与传统搅拌、浇注、振捣密实成型的传统素混凝土和纤维/织物增强混凝土相比，将水泥基粉体震动填充至三维间隔织物成型的方法使得混凝土帆布的初始表观密度较低，表面洒水硬化后表观密度也仅是传统普通混凝土的70～80％。这导致混凝土帆布在硬化后拥有较高的孔隙率，而且三维间隔织物是一种疏松的编织材料，使得混凝土帆布的拉伸强度和弯曲强度较低。显然低的抗拉强度和弯曲强度会很大程度上限制混凝土帆布的应用。目前有学者从水泥基体改性和三维间隔织物格局两个方面的研究来提高混凝土帆布的力学性能，但除了对抗压强度有部分提高，对混凝土帆布的拉伸性能无明显改善。而混凝土帆布作为薄层大幅面应用材料，除了抗压强度，弯曲行为、剪切行为，不同使用环境下的长期体积稳定性对混凝土帆布的应用有很大影响，但目前还很少有研究涉及。此外混凝土帆布已应用于军事防护，但还没有关于混凝土帆布抗侵彻性能的研究。因此，为了满足混凝土帆布的应用需求和提高现有混凝土帆布的性能，拓展其在工程领域的应用。本论文将从基体配合比优化、FRP增强及抗侵彻性能方面进行研究。
　　本文首先从水泥基体改性方面展开研究，所研究的水泥基体系为高铝水泥+石膏体系探究了不同矿物组成的高铝水泥和石膏掺量的改性效果。结果显示，所用高铝水泥(Ternal，Fondu，PP127)通过合适的石膏掺量均可获得优于现有CSA体系混凝土帆布的抗压强度;高铝水泥中的主要矿物组成对该三元体系的水化和抗压强度发展有很大影响;当Fondu高铝水泥掺加少量氢氧化钙时，基体会由于过量钙矾石的生成出现明显的膨胀开裂翘曲或者强度的急剧下降;与以CA为主要矿物相的高铝水泥相比，以C12A7为主要矿物相的高铝水泥PP127加半水石膏体系的强度发展稳定并显示出良好的配方可设计性。为了进一步考察优选的以C12A7为主要矿物相高铝水泥+半水石膏体系混凝土帆布样品（自然养护胞水养护）的长龄期尺寸稳定性，测试了样品水化24h～180d的尺寸变化。结果显示，CAC体系拥有比CSA体系更好的干燥收缩性能。自然养护样品的干燥收缩应变随着石膏掺量的增加而减小;而泡水养护样品的膨胀变形（在石膏掺量低于20％时）随石膏掺量增减而减小，（在石膏掺量超过30％时）随石膏掺量增减而明显升高。当半水石膏掺量大于或等于40％时样品就会由于钙矾石的过量生成发生明显的膨胀开裂。在一定石膏掺量范围内可以生成适量的钙矾石生有利于提高样品体积稳定性。为了有效提高混凝土帆布的力学性能同时保留混凝土自身优异性能，受土木工程领域中使用FRP外部粘贴的方法来增强混凝土构件的启发，探索了将FRP应用于混凝土帆布增强的可能性。首提出了一种设计方法来预测FRP增强混凝土帆布的弯曲强度。然后探究了FRP增强前后混凝土帆布的拉伸、弯曲、剪切性能，以及FRP与混凝土帆布之间的界面粘结性能。其中对界面粘结性能进行了试验和理论模型进行验证所获数据用于设计方法的计算和增强机理的解释。计算和试验结果显示，在获得上述数据基础上提出了一种适用于混凝土帆布的设计方法。计算和测试结果显示，通过FRP外部粘贴增强，混凝土帆布的拉伸、弯曲、剪切性能获得了大幅的提升。最后通过弹道冲击试验和对破坏模式的分析对混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的抗侵彻性能进行了研究。发现由于约束和塑性变形，增加混凝土帆布的层数可以很大程度地提高混凝土帆布单位厚度的抗侵彻性能。同时也发现，FRP加强显著改善了混凝土帆布的抗侵彻性能。此外，样品密织面迎弹时弹道性能优于疏织面迎弹。此外所有样品的破坏形式均为围绕子弹弹头尺寸周围发生局部破坏，样品完整性良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水泥基基体研究

1．2．2 混凝土帆布拉伸及收缩性能研究

1．2．3 FRP在土木工程领域中的应用研究

1．2．4 抗侵彻试验研究

1．3 研究内容和研究思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路

1．3．3 研究意义

第二章 高铝水泥制备混凝土帆布的基体优化

2．1 研究背景

2．2 原材料

2．3 试验方案

2．3．1 配方设计及样品标记

2．3．2 样品成型及养护制度

2．3．3 样品性能测试指标

2．4 试验结果及与分析

2．4．1 625CAC体系

2．4．2 Ternal CAC体系

2．4．3 Fondu CAC体系

2．4．4 PP127 CAC体系

2．5 本章小结

第三章 混凝土帆布体积稳定性研究

3．1 研究背景

3．2 试验方案

3．2．1 原材料

3．2．2 样品制备

3．2．3 样品前24 h温度监测

3．2．4 体积变形试验方法

3．2．5 三维间隔织物及混凝土帆布拉伸试验

3．3 结果与讨论

3．3．1 样品内部前24 h温度演化

3．3．2 半水石膏掺量及养护制度对混凝土帆布体积稳定性的影响

3．3．3 经纬向对体积稳定性的影响

3．3．4 三维间隔织物及混凝土帆布拉伸性能

3．4 本章小结

第四章 FRP增强混凝土帆布性能研究

4．1 研究背景

4．2 原材料及参数

4．2．1 三维间隔织物

4．2．2 水泥基体

4．2．3 混凝土帆布

4．2．4 FRP及胶黏剂

4．3 FRP增强混凝土帆布弯曲设计

4．4 FRP增强混凝土帆布性能研究

4．4．1 抗压试验

4．4．2 拉伸试验

4．4．3 粘结性能

4．4．4 四点弯曲试验

4．4．5 剪切试验

4．5 结果与分析

4．5．1 抗压性能

4．5．2 拉伸性能

4．5．3 FRP-混凝土帆布界面粘结试验结果及模型验证

4．5．4 弯曲性能

4．5．5 剪切性能

4．6 本章小结

第五章 混凝土帆布抗侵彻性能研究

5．1 研究背景

5．1 混凝土帆布抗侵彻试验研究

5．2 试验方案

5．2．1 原材料

5．2．2 样品制备

5．2．3 弹道冲击试验测试方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 CC层数的影响(单层／6层)

5．3．2 FRP的影响

5．3．3 迎弹面的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的学术成果