高速铁路用高强高韧性水泥基复合材料人行道盖板设计与应用研究

摘要

我国高速铁路发展建设速度迅猛，铁路工程项目中的人行道盖板和电缆槽盖板目前大部分使用的是钢筋混凝土或者是添加钢纤维的活性粉末混凝土盖板。但是，这两种材料的盖板均存在自重大，抗折强度低，钢筋锈蚀，容易发生脆断和掉边掉角严重等缺点。而高韧性水泥基复合材料由其高性能可优良的解决以上两种材料脆性大、易开裂的缺陷。为了解决现行人行道盖板的诸多问题，本文开展了掺PVA纤维的高强高韧性水泥基复合材料人行道盖板的研发工作，主要完成的研究内容和成果如下： （1）通过控制变量实验法，探索了PVA纤维、粉煤灰、偏高岭土、水胶比四个变量对复合材料的强度影响规律，总结得出高强高韧水泥基复合材料的建议配合比。该配合比28d抗压强度能达到90MPa左右，抗折强度能达到18MPa以上，可满足铁路人行道盖板的实际需求。 （2）对复合材料的微观结构进行研究，分析了复合材料PVA纤维的微观破坏模式和该材料的孔隙分布情况，并开展了该材料的微观力学性能研究。 （3）对新拌复合材料的纤维分散性、稠度、凝结时间、含气量等物理性能进行了试验研究，得出：a）通过分散剂的预分散处理和针对纤维分散性的搅拌工艺，在水胶比大于0.16，纤维掺量不高于2.0%时可获得良好的纤维分散性；b）PVA纤维掺量不大于2%，水胶比在0.16~0.24之间时，复合材料具有良好的工作性能；c）PVA纤维会短暂推迟复合材料的初凝时间，对终凝时间影响不大。d）PVA 纤维掺入在低于1.8%时会增大混凝土含气量，含气量达到极值后随纤维掺量增加有减小的趋势，最大含气量值为4.3%；e）复合材料人行道盖板生产工作性良好，并得到盖板实际生产的相关经验。 （4）通过对照试验，研究了高强高韧水泥基复合材料的耐久性，得到：a）复合材料毛细吸水较水泥砂浆低30%，抗冻性等级超过F300；b）复合材料具有较强的抗渗透能力，且随着龄期的增长抗渗性逐渐增强；c）28d龄期后，复合材料的抗碳化性能强于普通C40混凝土；d）复合材料的抗氯离子性能明显强于普通C40混凝土。 （5）通过对盖板模型进行静力学分析，讨论了盖板宽度、肋宽、肋高、加筋种类对盖板力学性能和变形的影响。比较了六种结构优化设计的性价比，得到了各因素的影响规律，并提出了最佳性价比建议，即方案六：盖板加不锈钢丝网片，盖板结构为600mm×444mm×25mm，肋高10mm、肋宽40mm。

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 高韧性水泥基复合材料的力学性能设计理论

1.2.1强度准则

1.2.2能量准则

1.2.3 纤维/基体界面分析

1.3国内外研究发展及应用概况

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4本文主要研究内容

第二章 原材料及试验方法

2.1 试验原材料

2.1.1 水泥

2.1.2 粉煤灰

2.1.3 硅灰

2.1.4 偏高岭土

2.1.5 砂

2.1.6 纤维

2.1.6 其他材料

2.2 试件制备工艺

2.3 强度试验方法

2.4 微观结构和工作性能试验方法

2.4.1 扫描电镜试验方法

2.4.2 压汞试验方法

2.4.3 纤维分散性测试方法

2.4.2 塌落度、扩展度测试方法

2.4.3 凝结时间测试方法

2.4.4 含气量测试方法

2.5 耐久性试验方法

2.5.1冻融循环试验方法

2.5.2 抗渗性试验方法

2.5.3 抗碳化性试验方法

2.5.4 氯离子渗透性试验方法

（a）TDR1冻融循环机 （b）抗渗水仪

2.6 本章小结

第三章 高强高韧水泥基复合材料配合比设计

3.1PVA纤维掺量试验研究

3.1.1 PVA纤维掺量体系配合比设计

3.1.2 PVA纤维掺量对复合材料强度的影响

3.2粉煤灰掺量试验研究

3.2.1 粉煤灰掺量体系配合比设计

3.2.2粉煤灰掺量对复合材料强度的影响

3.3偏高岭土掺量试验研究

3.3.1 偏高岭土掺量体系配合比设计

3.3.2 偏高岭土掺量对复合材料强度的影响

3.4水胶比试验研究

3.4.1 水胶比体系配合比设计

3.4.2 水胶比对复合材料强度的影响

3.5 本章小结

第四章 高强高韧水泥基复合材料微观结构

和工作性能研究

4.1 复合材料微观结构研究

4.1.1 复合材料纤维破坏模式

4.1.2 复合材料微观孔隙分布

4.2 工作性研究配合比设计

4.3 PVA纤维在复合材料中的分散性试验研究

4.3.1 纤维分散性处理工艺

4.3.2 纤维分散性试电镜扫描分析

4.3.3 纤维分散性试验结果及分析

4.4 复合材料的稠度试验研究

4.4.1 纤维掺量变化时塌落度、扩展度试验结果及分析

4.4.2 水胶比变化时塌落度、扩展度试验结果及分析

4.5 PVA纤维对复合材料凝结时间的研究

4.6 PVA纤维对复合材料含气量的影响试验研究

4.7 高强高韧水泥基复合材料人行道盖板生产工作性研究

4.7.1 人行道盖板生产工艺

4.7.2 人行道盖板生产工作性概况和注意事项

4.8 本章小结

第五章 高强高韧水泥基复合材料耐久性研究

5.1 复合材料抗冻性能研究

5.2 复合材料抗渗性能研究

5.3 复合材料抗碳化性能研究

5.4 复合材料抗氯离子渗透性能研究

5.5 本章小结

第六章 高强高韧水泥基复合材料人行道盖板

结构优化研究

6.1 研究方法

6.1.1 ANSYS有限元模型

6.1.2 模型加载

6.1.3 计算参数

6.2 板宽对盖板力学性能的影响

6.2.1 对盖板承载力的影响

6.2.2 对盖板变形的影响

6.3加肋对盖板力学性能的影响

6.3.1 肋宽对盖板的影响

6.3.2 肋高对盖板力学性能的影响

6.4 加筋对盖板力学性能的影响

6.4.1 加玄武岩纤维布

6.4.2 加玄武岩纤维筋

6.4.3 加不锈钢丝网片

6.5方案性价比

6.5.1方案一计算结果

6.5.2方案二计算结果

6.5.3方案三计算结果

6.5.4方案四计算结果

6.5.5方案五计算结果

6.5.6方案六计算结果

6.6 本章小结

总结与展望

主要研究工作与结论

进一步研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文