超高强磷酸镁水泥基复合材料制备与力学行为研究

摘要

磷酸镁水泥(MPC)通常由 MgO、可溶性磷酸盐、适量缓凝剂组成，在有水的条件下能同时发生酸碱反应和水化反应。与普通硅酸盐水泥相比，MPC具有截然不同的凝结硬化机理、物相组成和微观结构，因而表现出了众多独特的性能。但同时MPC基材料也存在脆性大、抗裂性及变形能力差等不足，向其中掺入纤维能有效解决上述问题。目前，包括无机纤维、有机纤维和钢纤维等各类纤维都有被用作MPC基材料的增强材料。但人们在制备各类MPC基复合材料(MPCC)时既未充分考虑MPC基体和各类纤维的特点，也未完全发挥两者的优势。结果导致现有MPCC的力学性能并非十分出众、性价比不高，不利于MPCC的推广应用。因此，进一步提升MPCC的力学性能，开发具有高与超高强度的MPCC，对MPC的发展具有重要意义。为此，本文通过对现有高强MPC基材料进行配比优化，以期获得具有超高强度的MPC基体(UHSMPC)；在此基础上，再将其与钢纤维复合，进一步制备超高强MPCC(UHSMPCC)，并对其力学性能展开系统研究。　　本文首先基于基本的MPC水化硬化理论，提出了适用于UHSMPC材料胶凝组分配合比设计的思路，主要包括：选取较大的M/P值(3–5)和适宜的缓凝剂掺量(一般B/M低于10%)，并根据所选定M/P值对应的理论最低用水量合理确定实际用水量；选用粉煤灰作为辅助胶凝组分。在该思路的指导下，设计了一系列胶凝组分配比，并试验研究了UHSMPC材料在不同配比参数下的流动性能、收缩性能和强度发展情况。结果显示，在M/P=3–4范围内，UHSMPC浆体的流变参数对水胶比变化较为敏感，UHSMPC材料具有明显低于超高性能水泥基复合材料(UHPCC)的长期自收缩和总收缩。研究还发现超细粉煤灰在 UHSMPC 材料中具有较好的“增塑”或“减水”作用；通过“减水”作用，掺加10%–15%的超细粉煤灰可有效提升UHSMPC基体的强度。论文建议配制UHSMPC材料时宜优选超细粉煤灰作为基本胶凝组分之一，实际用水量宜为理论最低用水量的80%–100%，砂胶比为0.8–1.0，据此制备的UHSMPC材料同时具有良好工作性和较低收缩，并且其28 d抗压强度可以达到100 MPa–120 MPa。　　通过将钢纤维引入UHSMPC基体来制备UHSMPCC，评价了钢纤维对拌合物工作性的影响，利用图像法分析了钢纤维在 UHSMPC 基体中的分散和取向特征。通过多根纤维拔出试验研究了钢纤维与UHSMPC基体的界面粘结性能，包括界面粘结强度、拔出能等。重点考察了超细粉煤灰和钢纤维对UHSMPCC抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响，并与UHPCC的力学性能进行了对比。研究结果表明，当纤维系数(χf)≤1.5时，掺入光圆直纤维不会明显降低拌合物的流动扩展度；掺加不超过3%的中长纤维能获得较好的纤维分散和取向。掺加超细粉煤灰有助于提高纤维-基体的界面粘结性能和 UHSMPCC 的力学性能。掺入 2%中长纤维的UHSMPCC其28 d抗压强度和抗折强度分别可达160 MPa和34 MPa。使用长纤维和端钩纤维能有效提高纤维利用率，大幅提升UHSMPCC的抗折强度和劈裂抗拉强度。在相同基体强度和χf下，相比UHPCC，钢纤维对UHSMPCC力学性能的增强作用更明显。　　分别通过直接拉伸试验和三点弯曲试验研究了UHSMPCC在拉伸和弯曲荷载下的力学响应特征，重点关注了超细粉煤灰和钢纤维对初裂行为、裂后行为及韧性/断裂能的影响，明确了UHSMPCC在不同材料参数下的断裂行为。结果表明，掺加超细粉煤灰对初裂力学行为影响较小，但能明显改善裂后力学性能。增加纤维掺量和长度有助于提高初裂抗拉强度，改善多缝开裂行为，并显著增加极限抗拉强度、极限应变及峰值韧性。纤维掺量和长度变化对弯曲荷载下的初裂行为影响较小，但峰值荷载、峰值挠度和断裂能会随着纤维掺量和长度的增加而显著提高。研究结果还表明，χf须大于某一临界值，UHSMPCC才能获得应变/变形硬化效果。　　最后，通过扫描电镜和压汞仪分析了UHSMPCC材料的微结构特征，初步揭示超细粉煤灰和钢纤维对UHSMPCC强度的贡献机制。微观分析结果表明，超细粉煤灰起到密实基体、细化孔结构和优化基体-集料/钢纤维界面的作用。通过总结分析影响钢纤维增强增韧效果的因素，指出UHSMPCC的优异力学性能是立足于UHSMPC基体和钢纤维之间具有较强的粘结作用。基于复合材料理论，采用基体抗弯强度、纤维-基体界面粘结强度和纤维参数来计算UHSMPCC的弯曲强度，发现计算值与试验值能较好吻合。

目录

1 绪论

1.1.1 磷酸镁水泥的出现及发展历程

1.1.2 磷酸镁水泥的研究现状

1.2 纤维增强磷酸镁水泥基复合材料研究进展

1.3 本文研究工作的提出

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究内容

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

①磷酸镁水泥

② 硅酸盐水泥

③ 辅助胶凝组分

④ 集料

⑤ 钢纤维

⑥ 试验用水

2.2 试件成型及养护

2.3.1 流动性能试验

2.3.2 长期收缩试验

2.3.3 基本力学性能试验

2.3.4 纤维拔出试验

2.3.5 微观分析试验

3 超高强磷酸镁水泥基材料的配合比设计与基本性能

3.1 超高强磷酸镁水泥基体配合比设计理论

3.1.1 基本胶凝组分的设计

3.1.2 辅助胶凝组分的引入

3.1.3 胶凝组分配合比确定

3.2 超高强磷酸镁水泥基材料的流动性能

3.2.1 超高强磷酸镁水泥浆体流变模型选用

3.2.2 超高强磷酸镁水泥浆体的流变行为

3.2.3 超高强磷酸镁水泥砂浆的工作性

3.3 超高强磷酸镁水泥基材料的长期收缩性能

3.3.1 胶凝材料组成的影响

3.3.2 水胶比的影响

3.4 超高强磷酸镁水泥基材料的强度发展

3.4.1 胶凝材料组成的影响

3.4.2 水胶比的影响

3.4.3 集料的影响

3.5 本章小结

4 超高强磷酸镁水泥基复合材料的制备与物理力学性能

4.1 超高强磷酸镁水泥基复合材料的制备及工作性

4.1.1 配合比

4.1.2 制备工艺

4.1.3 钢纤维对超高强磷酸镁水泥基复合材料工作性能的影响

4.2 钢纤维在超高强磷酸镁水泥基体中的分布特征

4.2.1 钢纤维分布评价方法

4.2.2 钢纤维的分散和取向特征

4.3 钢纤维与超高强磷酸镁水泥基体的界面粘结性能

4.3.1 纤维拔出试验方案

4.3.2 超细粉煤灰的影响

4.3.3 钢纤维类型的影响

4.3.4 钢纤维嵌入状态的影响

4.4 超高强磷酸镁水泥基复合材料的强度

4.4.1 抗压强度

4.4.2 抗折强度

4.4.3 劈裂抗拉强度

4.4.4 纤维-基体界面粘结强度、纤维系数与力学强度的关系

4.5 本章小结

5 超高强磷酸镁水泥基复合材料的断裂行为

5.1 断裂力学试验

5.1.1 试验方法

5.1.2 配合比

5.1.3 典型的断裂行为特征

5.2 拉伸荷载作用下的断裂行为

5.2.1 应力-应变曲线

5.2.2 多缝开裂形态

5.2.3 拉伸断裂过程中的特征参数

5.3 弯曲荷载作用下的断裂行为

5.3.1 荷载-位移曲线

5.3.2 弯曲断裂过程中的特征参数

5.3.3 纤维增强增韧效果

5.4 本章小结

6 超高强磷酸镁水泥基复合材料的微结构与增强机理

6.1.1 基体

6.1.2 基体-集料界面区

6.1.3 钢纤维-基体界面区

6.2 超高强磷酸镁水泥基复合材料的孔结构特征

6.3 超高强磷酸镁水泥基复合材料的增强机理

6.3.1 纤维增强作用效果影响因素

6.3.2 钢纤维增强机理

6.3.3 基于复合材料理论的弯曲强度预测

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录

C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢