新型混杂纤维水泥基复合材料拉伸性能研究

摘要

纤维对于克服水泥基材料的脆性，改善其拉伸性能发挥着重要的作用。水泥基复合材料具有多层次结构特征，由微米级尺度的碳酸钙晶须（CW）及毫米级尺度的聚乙烯醇（PVA）纤维、钢纤维（SF）组成的新型混杂纤维体系，可在多层次、多尺度水平上对水泥基材料实现增强增韧，提高其拉伸性能。本论文通过直接拉伸试验、间接拉伸试验（弯拉试验、劈拉试验）系统地研究了NHyFRCC的拉伸性能，包括拉伸强度、拉伸韧性、拉伸应力-应变曲线等。重点关注了PVA纤维长度及粉煤灰对NHyFRCC拉伸性能的影响、直接拉伸试验方法、直接拉伸本构模型及纤维分散性与直接拉伸性能的关系。本论文主要成果及结论总结如下： （1）CW对SF-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料拉伸性能的影响。CW的引入提高了SF-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料的直接拉伸强度、弯拉强度和劈裂拉伸强度；其中，N3(1.5vol.%SF+0.4 vol.%12mmPVA+1vol.%CW)的三种拉伸强度均最高，分别达到6.86MPa、19.69 MPa、16.93MPa。同样，晶须通过微观阻裂作用及对SF-PVA混杂纤维与水泥基材料间界面性能的优化作用，提高了水泥基材料的韧性，等效抗弯强度、弯曲韧性、弯曲裂后强度PCS60及直接拉伸韧性均获得提高。 （2）PVA纤维长度对HyFRCC拉伸性能的影响。相同纤维配比，12mm PVA纤维体系的拉伸性能要优于6mm PVA纤维体系，包括拉伸强度及拉伸韧性；其中，劈拉强度、弯拉强度及直接拉伸强度分别可提高21.9%、19.8%、18.7%。 （3）粉煤灰对 NHyFRCC拉伸性能的影响。适当掺量粉煤灰等质量替代水泥可优化基体，从而改善纤维与基体的粘结，提高NHyFRCC的拉伸性能。当粉煤灰掺量为5%时，N3的弯拉强度、弯曲韧性较对比样分别提高32.7%、20.97%，分别达到22.14 MPa、21.63N·m。当粉煤灰掺量为15%时，其直接拉伸强度和拉伸韧性达到最大值7.59 MPa、64.41 kJ/m3，较对比样分别提高10.6%、11.3%。 （4）基于试验结果构建 NHyFRCC的直接拉伸本构模型。通过回归分析建立由线性与有理分式构成的三段式 NHyFRCC拉伸应力-应变模型。结果表明：试验数据与模型相关性较高，可为NHyFRCC材料应用于结构设计与数值模拟提供参考。 （5）纤维分散性与拉伸性能的关系。NHyFRCC的直接拉伸性能参数（包括极限抗拉强度、拉伸韧性）与纤维特征参数、纤维数目、纤维分散系数及纤维取向因素之间存在良好的多元二次函数关系。因此，可通过纤维特征参数及纤维分散性参数对NHyFRCC的直接拉伸性能进行预测，对指导材料设计及性能优化具有重要意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 纤维增强水泥基复合材料拉伸性能研究进展

1.2.1 拉伸性能的试验方法

1.2.2 拉伸性能的影响因素

1.2.3 拉伸本构模型

1.2.4 不同拉伸性能指标间的关系

1.2.5 纤维分散性与拉伸性能的关系

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 试验设计及准备

2.1 原材料

2.1.1 基体材料

2.1.2 纤维材料

2.2 配合比设计

2.3 工作性测试

2.4 试件形状与尺寸

2.5 试件成型与养护

2.6 立方体抗压强度

2.7 本章小结

3 NHyFRCC直接拉伸性能

3.1 引言

3.2 试验方法

3.3 直接拉伸试验结果

3.3.1 直接拉伸强度

3.3.2 直接拉伸应力-应变曲线

3.4 PVA纤维长度对直接拉伸性能的影响

3.4.1 PVA纤维长度对直接拉伸强度的影响

3.4.2 PVA纤维长度对直接拉伸应力-应变曲线的影响

3.5 粉煤灰对直接拉伸性能的影响

3.5.1 粉煤灰对直接拉伸强度的影响

3.5.2 粉煤灰对直接拉伸应力-应变曲线的影响

3.6 拉伸本构模型

3.6.1 曲线方程特征

3.6.2 数据拟合及曲线方程参数取值

3.7 破坏形态

3.8 本章小结

4 NHyFRCC间接拉伸性能

4.1 引言

4.2 劈裂拉伸性能

4.2.1 试验方法

4.2.2 劈裂拉伸强度

4.2.3 粉煤灰对劈裂拉伸强度的影响

4.2.4 破坏形态

4.3 弯曲拉伸性能

4.3.1 试验方法

4.3.2 弯曲拉伸强度

4.3.3 荷载-挠度曲线

4.3.4 纤维增强指数与弯曲韧性的关系

4.3.5 粉煤灰对弯拉性能的影响

4.3.6 破坏形态

4.4 本章小结

5 NHyFRCC不同拉伸性能间的关系

5.1 引言

5.2 应力分析

5.3 拉伸强度

5.4 拉压比

5.5 本章小结

6 NHyFRCC纤维分散性对直接拉伸性能的影响

6.1 引言

6.2 纤维分散性

6.2.1 试验方法

6.2.2 纤维分散性评价参数

6.2.3 试验准备

6.2.4 图像获取及处理

6.2.5 统计结果

6.3 纤维分散性与直接拉伸性能的定量分析

6.4本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书