国产聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料的界面调控及性能研究

摘要

PVA纤维增韧水泥基复合材料(Polyvinyl Alcohol Fiber-Engineered CementitiousComposites，PVA-ECC)以其优异的应变硬化和多裂纹开裂特性，被广泛的研究和应用。然而，目前用来配制PVA-ECC的纤维大部分是由日本生产的，因为日本纤维表面经过特殊的油剂处理，所以纤维和水泥基体之间的界面得到了优化，PVA-ECC展现出优异的应变硬化和多裂纹开裂特性。一个很重要的问题是日本纤维价格昂贵，从而限制了其应用，而国产纤维价格相对于日本纤维来说较便宜，可是国产PVA纤维表面没有经过改性处理，PVA纤维表面有很高的亲水性，和水泥基体之间的化学脱粘能过大，导致纤维在水泥基体里发生断裂，不利于应变硬化和多裂纹开裂。为了解决这个问题，本文对国产PVA纤维进行表面改性处理，从而调控PVA纤维和水泥基体之间的界面，提高PVA-ECC的韧性。本文主要研究内容如下: (1)分别利用浓度为1wt％、7wt％和13wt％的硅油乳液和浓度为0.2wt％、0.5wt％和1wt％的水性环氧树脂乳液对国产PVA纤维进行表面改性处理，然后利用扫描电子显微镜对PVA原纤维和经过表面改性处理的PVA纤维进行表面形貌表征，结果表明，原纤维表面有很多条状的凹槽，经过表面改性处理之后，纤维表面被改性剂形成的涂层包覆，说明改性剂成功包覆在PVA纤维表面。 (2)分别利用原纤维、经过不同浓度的硅油乳液和水性环氧树脂乳液表面改性处理的PVA纤维进行单根纤维抽拔试验，研究了不同表面改性剂和改性剂浓度对PVA纤维和水泥基体之间的界面性能的影响，试验结果表明，PVA原纤维由于和水泥基体之间化学脱粘能过大，纤维在抽拔过程中发生断裂，对于经过表面改性处理的PVA纤维，都在化学脱粘之后，发生了滑移过程;对于硅油乳液和水性环氧树脂乳液，随着浓度的增加，化学脱粘能、摩擦强度和滑移硬化系数均呈现出逐渐减小的趋势。 (3)分别利用原纤维、经过不同浓度硅油乳液和不同浓度水性环氧树脂乳液表面改性处理的PVA纤维进行三点弯曲试验，研究了不同表面改性剂和改性剂浓度对PVA-ECC弯曲性能的影响。试验结果表明，PVA原纤维配制的试样，极限弯曲挠度、极限弯曲强度和裂纹数量最小，分别为0.621mm、3.993MPa和4，除此之外，裂纹间距最大，为30mm;对于硅油乳液和水性环氧树脂乳液，随着浓度的增加，极限弯曲挠度、极限弯曲强度和裂纹数量均先增加再减小，当硅油乳液浓度为7wt％和水性环氧树脂乳液浓度为0.5wt％时，试样均表现出最好的弯曲性能，极限弯曲挠度、极限弯曲强度和裂纹数量达到最大值，分别为2.219mm、5.404MPa和17，2.589mm、5.024MPa和12，除此之外，随着浓度的增加，裂纹间距先减小再增加，当硅油乳液浓度为7wt％和水性环氧树脂乳液浓度为0.5wt％时，裂纹间距分别达到最小值，分别为7.06mm和10mm。用ASTM C1080-97标准对弯曲韧性进行评价，结果表明，对于硅油乳液和水性环氧树脂乳液，随着浓度的增加，弯曲韧性指数先增加再减小，当硅油乳液浓度为7wt％和水性环氧树脂乳液浓度为0.5wt％时，弯曲韧性指数分别达到最大值I60=140.982和I50=104.003。然而，对于PVA原纤维，弯曲韧性指数I30为29.954，较改性处理后的PVA纤维最低。本试验中，硅油乳液处理的PVA纤维更有利于PVA-ECC弯曲性能的发挥。 (4)分别利用原纤维、经过不同浓度硅油乳液和水性环氧树脂乳液表面改性处理的PVA纤维进行单轴拉伸试验，研究了不同表面改性剂和改性剂浓度对PVA-ECC拉伸性能的影响。试验结果表明，PVA原纤维配制的试样，极限拉伸应变、极限拉伸强度和裂纹数量最小，分别为0.449％、2.018MPa和1，裂纹间距最大，为80mm;对于硅油乳液和水性环氧树脂乳液，随着浓度的增加，极限拉伸应变、极限拉伸强度和裂纹数量均先增加再减小，当硅油乳液浓度为7wt％和水性环氧树脂乳液浓度为0.5wt％时，试样均分别表现出最好的拉伸性能，展现出良好的应变硬化和多裂纹开裂特性，极限拉伸应变、极限拉伸强度和裂纹数量分别达到最大值，分别为1.406％、3.131MPa和38，0.637％、2.774MPa和11，裂纹间距达到最小值，分别为2.11mm和7.27mm;本试验中，相对于水性环氧树脂乳液，硅油乳液处理的PVA纤维更有利于PVA-ECC应变硬化和多裂纹开裂特性的发挥。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1 ECC的研究背景

1．2 PVA-ECC的发展概述

1．3PVA纤维的介绍

1．4 PVA-ECC在国内外的研究现状

1．4．1在国外的研究现状

1．4．2在国内的研究现状

1．5 PVA-ECC在实际工程中的应用

1．5．1用于桥梁面板的修补

1．5．2用于防护墙体的修补

1．5．3用于高层建筑的结构

1．5．4用于水电站大坝的施工

1．6本文研究目的和意义

1．7本文研究内容

第二章PVA纤维的表面改性处理

2．1引言

2．2实验原料和仪器

2．2．1实验原料

2．2．2实验仪器

2．3 PVA纤维表面改性处理的步骤

2．3．1用硅油乳液对PVA纤维进行表面改性处理

2．3．2用水性环氧树脂乳液对PVA纤维进行表面改性处理

2．4 PVA纤维表面I形貌的分析

2．5本章小结

第三章单根纤维抽拔试验

3．1引言

3．2试验原料和仪器

3．2．1试验原料

3．2．2试验仪器

3．3 PVA纤维单根抽拔试样的制各

3．4单根纤维抽拔试验装置和方法

3．5单根纤维抽拔试验结果与讨论

3．5．1单根纤维抽拔载荷-位移曲线图

3．5．2单根纤维抽拔试验得到的界面参数

3．6本章小结

第四章PVA-ECC三点弯曲试验

4．1引言

4．2试验原料和仪器

4．2．1试验原料

4．2．2试验仪器

4．3 PVA-ECC弯曲试样的制备

4．4 PVA-ECC三点弯曲试验装置和方法

4．5试验结果与讨论

4．5．1 PVA-ECC弯曲载荷-挠度曲线图

4．5．2 PVA-ECC三点弯曲试验性能参数结果

4．5．3 PVA-ECC弯曲韧性的评价

4．5．4 PVA-ECC弯曲试样裂纹开裂图

4．6本章小结

第五章PVA-ECC单轴拉伸试验

5．1引言

5．2试验原料和仪器

5．2．1试验原料

5．2．2试验仪器

5．3 PVA-ECC拉伸试样的制备

5．4 PVA-ECC拉伸试验装置和方法

5．5试验结果与讨论

5．5．1 PVA-ECC拉伸应力-应变曲线图

5．5．2 PVA-ECC拉伸试验性能参数结果

5．5．3 PVA-ECC拉伸试样裂纹开裂图

5．6本章小结

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢