混凝土帆布制备技术与性能研究

摘要

在自然灾害或战争等紧急情况发生时，人类需要依靠临时帐篷作为庇护所，而现有临时帐篷多为帆布搭建而成，安全性能低，无法像混凝土建筑一样提供安全、有效的保护。本文从复合材料设计思想出发，将三维间隔织物与水泥材料进行复合，制备出一种凝结时间小于2.5小时，10天抗压强度超过40MPa、抗折强度超过5MPa，10天弹性模量大于1.6GPa，并且防水、防火的新型复合材料——三维间隔织物增强水泥基复合材料布(3DSpacerFabricReinforcedCementitiousComposites，3DSFRC，简称混凝土帆布，ConcreteCanvas，CC)。混凝土帆布的成型施工特点是预先将水泥粉体填充到三维织物中，再对织物表面进行封装处理，使得水泥粉体不会漏出，待使用时直接将混凝土帆布覆盖或包裹在结构或物体表面，然后在三维织物表面浇水，水泥粉体与水发生水化反应，数小时内混凝土帆布硬化成坚固的建筑构件。
　　针对上述性能要求，本文从以下三个方面开展了研究工作:(1)适用于混凝土帆布体系的高强无机基体开发;主要研究了各种水泥砂浆、净浆基体及其改性方法、高强硫铝酸盐水泥熟料掺石膏对混凝土帆布的力学性能的影响;(2)研究三维间隔织物的几何格局对混凝土帆布抗压、抗折强度的影响，并尝试从复合材料理论的角度阐述其机理;(3)混凝土帆布应用性能研究，主要包括长期存储方法、混凝土帆布干燥收缩性能以及加水量和环境温湿度对混凝土帆布性能的影响。具体情况如下:
　　(1)无机基体开发:本文首先在三维间隔织物的纤维种类和几何格局保持不变的条件下，采用五种水泥砂浆基体进行混凝土帆布性能探索，结果表明砂浆基体制备的混凝土帆布加水前容重约为1450kg/m3，10天正面、侧面抗压强度和抗折强度分别约为18MPa、30MPa和4MPa左右，而传统加水搅拌成型的基体10天抗压强度达到50MPa，同龄期的混凝土帆布样品正面抗压强度只有传统搅拌成型基体样品的36％～40％。而单纯的水泥净浆基体制备的混凝土帆布强度有大幅提升，其中625CAC和725CSA水泥净浆制备的混凝土帆布10天正面抗压强度分别达到了29MPa和35MPa，与砂浆基体制备的混凝土帆布相比提升幅度达到45％和75％。
　　在水泥砂浆基体和单纯净浆基体制备的混凝土帆布强度水平不高的情况下，本文尝试采用水泥净浆基体改性进行混凝土帆布的制备，探索了三种净浆粉体的改性方法，分别是:(1)掺混合材改性;(2)掺膨胀剂改性;(3)三元水泥复合改性。研究结果表明，水泥净浆改性没有大幅提升混凝土帆布的力学性能。
　　总体而言，采用常规标号的水泥(625CAC、725CSA)净浆基体制备的混凝土帆布力学性能不能达到性能目标。因此，本文采用825高强硫铝酸盐水泥熟料掺石膏（硬石膏、半水石膏、二水石膏）作为水泥基体制备混凝土帆布，研究了石膏种类及掺量对硫铝酸盐水泥熟料制备的混凝土帆布力学性能的影响。结果表明，825CSA水泥熟料在掺20％～30％硬石膏、30％半水石膏的情况下，所制备的混凝土帆布性能优异，10天正面抗压强度达到40MPa左右。同时，本文从微观层面研究了石膏种类及掺量对825CSA水泥熟料水化放热特性及水化产物的影响，揭示了825CSA水泥熟料掺石膏改性对混凝土帆布体系的增强机理。结果表明，随着硬石膏掺量和细度的增加，825CSA水泥熟料的水化放热速率越快，且硬石膏掺量越大，825CSA水泥熟料的水化放热总量越大;同时，随着石膏掺量的逐渐增加，825CSA水泥熟料的水化产物主要由单硫型硫铝酸钙(C3A·C(S)·12H，即AFm)逐渐转变为钙矾石(C3A·3C(S)·32H，即AFt)。
　　(2)织物几何格局对混凝土帆布性能的影响:在高强水泥基体开发取得了一定的成果基础之上，本文进行了适用于混凝土帆布的三维间隔织物研究。探究了三维织物几何格局对混凝土帆布力学性能的影响，本文在选定一种水泥材料条件下，采用了五种几何格局(15mm-Ⅰ、15mm-Ⅱ、15mm-Ⅲ、15mm-Ⅳ、20mm)的三维织物来制备混凝土帆布，研究了不同几何格局对混凝土帆布的抗压、抗折强度的影响;抗压和抗折强度试验结果表明，15mm-Ⅰ制备的混凝土帆布强度较高;混凝土帆布试件侧面抗压强度高于正面抗压强度，主要是因为三维织物中间桩纱纤维整体上呈竖直方向分布，混凝土帆布试件正面受力时，纤维在基体横向变形方向上的有效纤维长度为cos(π/2-π/6)，而侧面受力时，纤维在横向变形方向的有效长度则为cos(π/6)，从而造成侧面与正面力学性能的差异。
　　(3)混凝土帆布的应用性能开展了研究:主要涉及混凝土帆布长期存储方法及存储性能研究、混凝土帆布收缩变形研究、加水量及环境温湿度对混凝土帆布力学性能的影响。1）混凝土帆布长期存储方法研究采用了四种封存材料(PE-Ⅰ、PE-Ⅱ、铝箔-Ⅰ、铝箔-Ⅱ)对混凝土帆布进行封存，分别存储3、6、9、12个月，测试存储后的混凝土帆布力学性能（目前只有3、6个月的数据），结果显示存储3个月后，除铝箔-Ⅱ型存储的混凝土帆布力学性能有15％的降低，其余三种材料存储的混凝土帆布力学性能基本不变;存储6个月后，PE-Ⅰ、PE-Ⅱ、铝箔-Ⅰ三种材料存储的混凝土帆布力学性能有5％左右的降低，铝箔-Ⅱ型则降低18％左右。2）混凝土帆布收缩变形研究了CC试件硬化后收缩变形行为，探讨了三种水泥基体(825CSA+20％C(S)、825CSA、625CAC)对CC变形的影响，以及不同织物格局对CC收缩变形的影响，同时比较了CC试件与水泥基体试件的变形差异，研究表明，CC825CSA+20％CaSO4收缩变形低于CC825CSA+0％CaSO4和CC625CAC;三种织物格局制备的CC，其中CC15mm-Ⅰ硬化后变形最小。3）混凝土帆布成型的加水量及环境温湿度研究表明，加水量控制在0.45～0.55比较合适;保证混凝土帆布具有较高的早期强度，环境温度不应太低，应在0℃以上，相对湿度则没有太大影响。混凝土帆布防透水和防火研究结果表明，混凝土帆布具有较好的防透水性能和A级防火性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 织物增强水泥基复合材料的国内外研究现状

1．2．1 织物增强相及水泥基体的发展概况

1．2．2 TRC的研究概况

1．2．3 TRC的应用概况

1．2．4 混凝土帆布研究存在的问题

1．3 研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

第二章 混凝土帆布性能初探

2．1 研究背景

2．2 国外混凝土帆布样品分析

2．3．1 水泥原材料分析

2．3．2 抗压强度分析

2．3 试验方案

2．3．1 试验原材料

2．3．2 试验内容

2．3．3 样品成型工艺

2．3．4 样品性能测试指标

2．4 试验结果与讨论

2．4．1 混凝土帆布物理性能

2．4．2 胶砂比对混凝土帆布力学性能的影响

2．4．3 水泥品种对混凝土帆布力学性能的影响

2．4．4 成型工艺对试件力学性能的影响

2．4．5 水泥净浆基体制备混凝土帆布力学性能

2．4 本章小结

第三章 水泥改性及高强硫铝酸盐水泥制备混凝土帆布研究

3．1 研究背景

3．2 试验原材料

3．3 水泥净浆基体改性试验

3．3．1 试验内容

3．3．2 混合材对混凝土帆布的性能影响

3．3．3 膨胀剂对混凝土帆布的性能影响

3．3．4 三元水泥净浆复合对混凝土帆布的性能影响

3．3．5 小结

3．4 高强硫铝酸盐水泥熟料掺石膏制备混凝土帆布

3．4．1 试验内容

3．4．2 配合比设计

3．4．3 石膏种类及掺量对CC性能影响及微观机理分析

3．4．4 硬石膏细度对CC性能影响及微观机理分析

3．4．5 混凝土帆布弹性模量

3．4．6 小结

3．5 本章小结

第四章 织物几何格局对混凝土帆布性能影响及机理分析

4．1 研究背景

4．2 研究目的

4．3 试验方案

4．3．1 试验原材料

4．3．2 试件配比

4．4 三维织物几何格局对混凝土帆布宏观性能的影响

4．4．1 混凝土帆布物理性能

4．4．2 三维织物几何格局对CC抗压和抗折强度的影响

4．5 三维织物几何格局对CC宏观性能影响的机理分析

4．5．1 织物表层纱线对混凝土帆布抗压强度影响

4．5．2 机理分析

4．6 本章小结

第五章 混凝土帆布应用性能研究

5．1 混凝土帆布收缩膨胀变形研究

5．1．1 试验方案

5．1．2 水泥品种对混凝土帆布收缩变形的影响

5．1．3 三维织物几何格局对混凝土帆布收缩变形的影响

5．1．4 试件基准长度对收缩变形值的影响

5．2 加水量及环境温湿度对混凝土帆布力学性能的影响

5．2．1 试验方案

5．2．2 力学性能试验结果

5．3 长期存储方法及存储性能研究

5．3．1 试验方案

5．3．2 混凝土帆布长期存储后性能

5．4 混凝土帆布封装工艺研究

5．4．1 研究背景

5．4．2 试验方案

5．4．3 试验结果与分析

5．5 混凝土帆布抗渗和防火性能

5．5．1 研究背景

5．5．2 试验方法及结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果

致谢